INTRODUCCION

Se ha dicho que si los antiguos Romanos, con su civilización y conocimiento avanzados de las ciencias, hubieran podido desarrollar el motor de vapor, el curso de la historia habría sido diferente. El desarrollo del motor eléctrico en épocas modernas ha indicado la verdad en esta teoría. El desarrollo del motor eléctrico nos ha dado los medios más eficientes y más eficaces para realizar un trabajo. Con el motor eléctrico hemos podido reducir notablemente el trabajo que realiza el hombre para su supervivencia, además, hemos podido construir una civilización que ahora está alcanzando las estrellas. El motor eléctrico es un dispositivo simple en principio, convierte energía eléctrica en energía mecánica. Al paso de los años, los motores eléctricos han cambiado substancialmente en diseño, no obstante los principios básicos de operación han seguido siendo iguales. En esta sección, mencionaremos los principios básicos del motor, los fenómenos del magnetismo, operación actual y básica de los motores de CA.

Los motores de fase partida en general constan de una carcasa, un estator formado por laminaciones, en cuyas ranuras aloja las bobinas de los devanados principal y auxiliar, un rotor formado por conductores a base de barras de cobre o aluminio embebidas en el rotor y conectados por medio de anillos de cobre en ambos extremos, denominado lo que se conoce como una jaula de ardilla. Se les llama así, por que se asemeja a una jaula de ardilla. Fueron de los primeros motores monofásicos usados en la industria, y aún permanece su aplicación en forma popular. Estos motores se usan en: máquinas herramientas, ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras y una gran variedad de aplicaciones; la mayoría de ellos se fabrican en el rango de 1/30 (24.9 W) a 1/2 HP (373 W).

Antes de describir los principios básicos del motor de fase partida, daremos una revisión del magnetismo y todos los temas tratados a través del semestre y que de una u otra manera tienen que ver con el desarrollo del tema.

INFORME

Todos sabemos que un imán permanente atraerá objetos de metal cuando el objeto está cerca o en contacto con dicho imán. El imán puede hacer esta función permanente debido a su fuerza magnética inherente, referida como "campo magnético". En la Figura 1, el campo magnético de dos imanes permanentes es representado por las "líneas del flujo". Estas líneas del flujo nos ayudan a visualizar el campo magnético de cualquier imán aunque representan solamente fenómenos invisibles. El número de líneas del flujo varía a partir de un campo magnético a otro. Cuanto más fuerte es el campo magnético, mayor es el número de las líneas del flujo que se dibujan para representar el campo magnético. Las líneas del flujo se dibujan con una dirección indicada puesto que debemos visualizar estas líneas y el campo magnético que representan movimientos que van del polo N al polo S, según lo demostrado en la Figura 1. Un campo magnético similar, se produce alrededor de un conductor eléctrico, cuando circula corriente eléctrica a través de él, según lo demostrado en la Figura 2-a. Estas líneas del flujo definen el campo magnético y están en la forma de círculos concéntricos alrededor del alambre. La vieja "regla de la mano izquierda" véase la Figura 2-b. indica que sí usted señala con el pulgar de su mano izquierda la dirección de la corriente, sus dedos señalarán la dirección que presenta el campo magnético.

Figura 1. Las líneas del flujo de un campo magnético viajan del polo N al polo S.

Figura 2. El flujo de la corriente eléctrica en un conductor genera un campo magnético representado por las líneas concéntricas de flujo alrededor del conductor.

Figura 3. Las líneas magnéticas que circulan alrededor de un conductor salen del polo N y entran al polo S.

Cuando el alambre forma una bobina (véase Figura 3), todas las líneas individuales del flujo producidas por cada sección del alambre forman un gran campo magnético alrededor de la bobina. Como con el imán permanente, estas líneas del flujo dejan el norte de la bobina y vuelven a entrar la bobina por el polo sur. El campo magnético de una bobina de alambre es mucho mayor que el campo magnético generado alrededor de un simple conductor antes de ser formada en una bobina. Este campo magnético alrededor de la bobina puede ser consolidado aún más colocando una base de hierro o de metal similar en el centro de la base. La base del metal presenta menos resistencia a las líneas del flujo que al aire, de tal modo la fuerza del campo puede aumentar. (así es como se realiza la bobina del estator, bobina de alambre con base de acero). La ventaja de un campo magnético que sea producido por una bobina, es que cuando se invierte la corriente, los postes cambian de dirección debido al cambio de dirección flujo magnético (véase Figura 4). Si este fenómeno magnético no se presentara, el motor de CA no existiría.

Figura 4. Los polos de una bobina electromagnética cambian cuando la dirección del flujo actual cambia.

• Propulsión magnética del motor

El principio de operación de los motores se puede demostrar fácilmente usando dos electroimanes y un imán permanente. La corriente se pasa a través de la bobina No. 1 en dirección al polo Norte establecido y a través de la bobina No. 2 en dirección al polo Sur. Un imán permanente con un polo Norte y Sur es la pieza móvil de este motor simple. En la figura 5-a el polo Norte del imán permanente está enfrente del polo Norte del electroimán. De manera semejante, los polos Sur están uno enfrente del otro. Como los polos magnéticos iguales se rechazan, empieza a girar el imán permanente. Cuando la fuerza de atracción entre los polos opuestos llega a ser lo suficientemente fuerte, el imán gira permanente. El imán rotativo continúa cambiando de dirección hasta que los polos opuestos se alinean. En este punto el rotor normalmente se detendría por la atracción entre los polos diferentes (Figura 5-b).

Figura 5. Propulsión magnética del motor

Sí la dirección de corrientes en las bobinas electromagnéticas fue invertida repentinamente, por consiguiente se invierte la polaridad de las dos bobinas, entonces, los polos otra vez sería opuestos y se repelerían entre ellos (Figura 5-c). Por lo tanto, el imán permanente continuaría rotando. Si la dirección actual en las bobinas electromagnéticas fuera cambiada todo el tiempo, el imán daría vuelta 180 grados a medio camino, entonces el imán continuaría rotando. Este dispositivo sencillo es un motor en su forma más simple. Un motor real es más complejo, sin embargo, el principio es igual.

Corriente Alterna (CA)

¿Cómo es que cuando se invierte la corriente en la bobina puede cambiar la polaridad de las mismas?. Como sabemos, la diferencia entre la Corriente Directa (CD) y la Corriente Alterna (CA) es que con la CD la corriente fluye solamente en una dirección, mientras que con la CA la dirección del flujo de corriente actual cambia periódicamente de dirección. En el caso de la CA común que se utiliza a través de la mayoría de los países, el flujo actual cambia de dirección 120 veces por segundo. Esta corriente se refiere a la “CA de 60 o ciclos" o "CA de 60 Hertz" en honor del Sr. Hertz que fue la primera persona que concibió el concepto de la corriente de la CA. Otra característica del flujo de corriente actual es que puede variar en cantidad, es decir, podemos tener un flujo de 5, 10 ó 100 Amperes, por ejemplo. Con la CD absoluta, esto significa que el flujo actual sería de 5, 10 ó 100 Amperes continuos (véase Figura 6).

Figura 6. Visualización de la CD

Con la CA es diferente. Sería bastante difícil que la corriente fluya de desde el punto de vista de 100 amperios en una dirección positiva e inmediatamente después esté fluyendo con dirección negativa de igual intensidad. En lugar de eso, como la corriente se alista para cambiar de direcciones, primero disminuye hasta que alcanza el flujo cero y después se acumula gradualmente en la otra dirección (véase Figura 7). Observe que el flujo actual máximo (los picos de la línea) en cada dirección es más que el valor especificado (100 Amperes). Por lo tanto, el valor especificado se da como valor promedio. Realmente se llama "raíz cuadrada media", Lo que es importante en nuestro estudio de motores, es darse cuenta de que la fuerza del campo magnético producido por una bobina electromagnética de CA, aumenta y disminuye con el incremento y disminución del flujo de corriente alterna.

Figura 7. Visualización de la CA

Operación básica del motor de CA

Un motor de CA tiene dos partes eléctricas básicas: un "estator" y un "rotor", como se muestra en la Figura 8. El estator está en el componente eléctrico estático. Consiste en un grupo de electroimanes individuales dispuestos de una manera tal que formen un cilindro hueco, con un polo de cada cara de los imanes hacia el centro del grupo. El término, "estator" se deriva de la palabra estática. El rotor es el componente eléctrico rotativo, el cual consiste en un grupo de electroimanes dispuestos alrededor de un cilindro, con los polos haciendo frente hacia los polos del estator. El rotor, está situado obviamente dentro del estator y montado en el eje del motor. El término "rotor" se deriva de la palabra rotar. El objetivo de estos componentes del motor es hacer que el rotor gire sobre el eje del motor. Esta rotación ocurrirá debido al fenómeno magnético previamente discutido que los polos opuestos se atraen y polos iguales se rechazan. Si cambiamos progresivamente la polaridad de los polos del estator de una manera tal que su campo magnético combinado rote, entonces el rotor seguirá girando con el campo magnético del estator.

Figura 8. Componentes eléctricos básicos de un motor de CA.

En la Figura 9 se muestra como van rotando los campos magnéticos del estator. De acuerdo con la figura, el estator tiene seis polos magnéticos y el rotor tiene dos polos. En el tiempo 1, los polos A-1 del estator y el C-2 son polos Norte y los polos opuestos, A-2 y C-1, son los polos sur. El polo S del rotor es atraído por los dos polos N del estator y el polo N del rotor es atraído por los dos polos del sur del estator. En el tiempo 2, la polaridad de los postes del estator se cambia de modo que ahora el C-2 y B-1 son los polos N y C-1 y B-2 son los polos S. Entonces el rotor se ve forzado a rotar 60 grados para alinearse con los polos del estator según lo demostrado en la figura. En el tiempo 3, B-1 y A-2 son los polos N. En el tiempo 4, A-2 y C-1 son los polos N. Mientras que se realiza cada cambio, los polos del rotor son atraídos por los polos opuestos en el estator. Así, como el campo magnético del estator rota, el rotor se ve forzado a rotar con él.

Figura 9. Rotación del campo magnético de un motor de CA.

Una forma para producir un campo magnético que rota en el estator de un motor de CA es utilizar una fuente de alimentación trifásica para las bobinas del estator. La figura 7 muestra la energía monofásica. El generador de CA asociado produce justamente un flujo de corriente eléctrica cuya dirección e intensidad descienden según lo indicado por la línea continua de la gráfica. Del tiempo 0 al tiempo 3, la corriente fluye en el conductor en dirección positiva. Del tiempo 3 al tiempo 6, la corriente fluye en dirección negativa. En cualquier tiempo, la corriente fluye solamente en una dirección. Pero algunos generadores producen flujos en tres fases separadas en el mismo circuito. A esto se refiere la energía trifásica. En ningún un instante, sin embargo, la dirección y la intensidad de cada flujo actual separado no es igual al de las otras fases (véase Figura 10). Las tres fases separadas (flujos actuales) se etiquetan A, B y C. En el tiempo 1, ponga en fase A está en los Amperes cero, la fase B está cerca de su amperaje máximo y fluye en dirección positiva, y la fase C está cerca a su amperaje máximo pero fluye en dirección negativa. En el tiempo 2, el amperaje de la fase A está aumentando y el flujo es positivo, el amperaje de la fase B está disminuyendo y su flujo sigue siendo negativa, y la fase C ha caído a los amperes cero. Un ciclo completo (a partir de cero al máximo en una dirección, de cero al máximo en la otra dirección, y de nuevo a cero) toma una revolución completa del generador. Por lo tanto, un ciclo completo, se dice que tiene 360 grados eléctricos. En la figura 10, vemos que cada fase está desplazada 120 grados a partir de las otras dos fases. Por lo tanto, decimos que son 120 grados fuera de fase.

Figura 10. Patrón de fases separadas de la energía trifásica

Para producir un campo magnético que rota en el estator de un motor de CA trifásico, se necesita que las bobinas del estator estén correctamente conectadas a la fuente de alimentación de corriente. La conexión para un estator de 6 postes se muestra en la Figura 6. Cada fase de la fuente de alimentación trifásica está conectada con los polos opuestos y las bobinas asociadas se bobinan en la misma dirección. Como usted recordará, en la Figura 4, la polaridad de los polos del electroimán es determinada por la dirección de la corriente que circula por la bobina. Por consiguiente, si dos electroimanes opuestos del estator se bobinan en la misma dirección, la polaridad de los polos opuestos debe de estar enfrente. Por lo tanto, cuando el polo A1 es N, el polo A2 es S. Cuando el polo B1 es N, B2 es S y así sucesivamente

Cuadro 11. Método para conectar energía trifásica con un estator de seis polos.

La Figura 12. muestra cómo se produce el campo magnético que rota. En el tiempo 1, el flujo actual en los polos de la fase "A" es positivo y el polo A-1 es N. El flujo actual en los polos de la fase "C" es negativo, haciendo C-2 un polo N y C-1 el polo S. No hay flujo actual en la fase "B", así que estos polos no se magnetizan. En el tiempo 2, las fases han cambiado de puesto 60 grados, haciendo los postes C-2 y B-1 N y C-1 y B-2 ambos polos S. Así, el flujo magnético produce el cambio de polaridad en las bobinas provocando que los polos resultantes N y S se mueven a la derecha alrededor del estator, lo que resulta en una rotación del campo magnético. Por lo tanto, el rotor actúa como un imán de barra arrastrado por el campo magnético que rota.

Figura 12. Cómo la energía trifásica produce un campo magnético que rota.

Hasta este punto poco se ha dicho acerca del rotor. En los ejemplos anteriores, se ha asumido que los polos del rotor son bobinas como los polos del estator provistos con CD para crear polos fijos en polaridad. Así es exactamente cómo funciona un motor de CA síncrono. Sin embargo, la mayoría de los motores de CA que son utilizados actualmente no son motores síncronos. En lugar de eso, los motores de inducción son los que prevalecen en la industria. ¿Cuál es la diferencia del motor de inducción? La gran diferencia es la manera en la que se provee la corriente al rotor. Ésta no es ninguna fuente de alimentación externa, en lugar de eso, se utiliza la técnica de inducción, la cual es un fenómeno natural que ocurre cuando un conductor (las barras de aluminio en el caso de un rotor, véase el Figura 13) se mueve a través de un campo magnético existente o cuando un campo magnético se pasa a un conductor. En cualquier caso, el movimiento relativo provoca que la corriente eléctrica circule por el conductor. Esto se refiere al flujo actual "inducido". En otras palabras, en un motor de inducción el flujo actual del rotor no es causado por cualquier conexión directa de los conductores a una fuente de voltaje, sino por la influencia de los conductores del rotor que provocan el corte de las líneas del flujo producidas por los campos magnéticos del estator. La corriente inducida que se produce en el rotor da lugar a un campo magnético alrededor de los conductores del rotor según lo mostrado en la Figura 14. Este campo magnético alrededor de cada conductor del rotor hará que cada conductor actúe como un imán permanente (véase Figura 9). Como el campo magnético del estator alterna debido al efecto de suministro de CA trifásica, el campo magnético inducido del rotor será atraído y seguirá la rotación. El rotor está conectado con el eje del motor, así que el eje rotará y conducirá la carga de la conexión. Así es como funciona un motor.

Figura 13. Construcción de un rotor del motor de inducción de la CA.

Figura 14. Cómo el voltaje se induce en el rotor,

dando por resultado flujo actual en los conductores del rotor.

CONCLUSIÓN

Como ya hemos podido ver a lo largo de este semestre, que una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético.

Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos:

Generadores.

Motores.

Transformadores.

Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, y lo inverso sucede en los motores.

El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna.

Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía pero transforman sus características. Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce las ampervueltas necesarias para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina.

Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en :

1. Rotativas (Generadores y Motores).

2. Estáticas (Transformadores).

Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores. La potencia de una máquina eléctrica es la energía desarrollada en la unidad de tiempo.

La potencia de un motor es la que se suministra por su eje. Una dinamo absorbe energía mecánica y suministra energía eléctrica, y un motor absorbe energía eléctrica y suministra energía mecánica.

• UNIVERSIDAD TECNOLOGICA DE PANAMA

CENTRO REGIONAL DE PANAMA OESTE

• FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

TECNICO EN ELECTRICIDAD

• PROYECTO FINAL

“MOTOR DE FASE PARTIDA”

“PORQUE NO ME AVERGUENZO DEL EVANGELIO PORQUE ES PODER DE DIOS PARA SALVACION A TODO AQUEL QUE CREE…..”

ROMANOS 1:16

1 DE DICIEMBRE DE 2006

• Rebobinado de un Motor de Fase Partida

Cuando un motor deja de funcionar correctamente, conviene seguir una norma definida para determinar las reparaciones que exige su nueva puesta en marcha. Esta norma consiste en la ejecución de una serie de pruebas y ensayos con objeto de descubrir la clase exacta de avería que sufre el motor. Estas pruebas le dan a conocer a la persona que opera el motor si las reparaciones serán de poca importancia o más importantes.

Resumiremos la serie de pruebas necesarias para identificar y localizar las posibles averías de un motor en el orden lógico con que se deben ejecutar:

* Inspeccionar visualmente el motor, con objeto de descubrir averías de índole mecánica .

* Comprobar si los cojinetes se hallan en buen estado.

* Verificar si algún punto de los arrollamientos de cobre están en contacto, por defecto del aislamiento, con los núcleos de hierro estatórico o retórico. Esta operación se llama PRUEBA DE TIERRA O DE MASA, y se efectúa mediante una lámpara de prueba.

* Una vez comprobado que el rotor gira sin dificultad, la prueba siguiente sería poner el motor en marcha. Para esto se conectan los bornes del motor a la red de alimentación a través de un interruptor adecuado, y se cierra el mismo por espacio de unos segundos. Si existe algún defecto interno en el motor puede ocurrir que salten los fusibles, que los arrollamientos humeen, que el motor gire lentamente o con ruido, o que el motor permanezca parado. Cualesquiera que sea el caso indicaría la existencia de una avería interna, que por regla sería un arrollamiento quemado. Entonces es preciso desmontar los escudos y el rotor e inspeccionar más detalladamente los arrollamientos.

Si las pruebas anteriores demuestran que los arrollamientos del motor están quemados o que existen muchos cortocircuitos entre espiras, es preciso rebobinar el motor para dejarlo nuevamente en óptimas condiciones.

La reparación de un motor de fase partida con un arrollamiento averiado comprende varias operaciones independientes, las más importantes son:

1- toma de datos

2-extracción del arrollamiento defectuoso

3-aislamiento de las ranuras

4-rebobinado

5-conexión del nuevo arrollamiento

6-verificación eléctrica del mismo y

7-secado e impregnación.

Procederemos a dar una explicación breve de cada paso:

• Toma de datos: es una de las más importantes, consiste en anotar cuidadosamente los datos esenciales relativos al arrollamiento primitivo, con el fin de no tropezar con dificultades al rebobinar el motor.

• Extracción de las bobinas del estator: cuando sólo es preciso reemplazar el arrollamiento de arranque, pueden extraerse fácilmente las bobinas defectuosas del mismo cortando los conductores por un lado del estator y tirando luego de ellas por el lado opuesto. A veces pueden sacarse los conductores de las ranuras tras retirar las cuñas que los mantienen sujetos. Cuando es todo el estator que debe ser rebobinado, resultaría sumamente difícil y entretenido intentar sacar los arrollamientos del núcleo estatórico sin ablandar o carbonizar antes el barniz y el aislamiento con que están protegidos.

• Aislamiento de las ranuras: tras la ejecución de lo anterior, el motor se halla desmontado y listo para ser rebobinado. Antes de disponer los arrollamientos en sus respectivas ranuras es preciso colocar en las mismas un determinado aislamiento con objeto de evitar que el conductor recubierto tenga algún punto de contacto directo con el núcleo de hierro.

• Rebobinado: un motor de fase partida puede rebobinarse de tres maneras distintas:

A mano: este procedimiento puede emplearse tanto para el arrollamiento de trabajo como el de arranque, y además posee dos ventajas principales: - permite un embobinado más compacto - hace innecesario el uso de hormas, moldes, etc.

-es el que utilizamos en nuestro rebobinado.

Con bobinas moldeadas: con este sistema se moldean primero las bobinas sobre una horma, plantilla o gálibo de madera o metal, se sacan luego del molde y se colocan finalmente en las ranuras correspondientes. Es el procedimiento más común para rebobinar motores de fase partida.

Con madejas: este procedimiento se usa principalmente para el arrollamiento de arranque. Para esta forma de devanado se usa una sola bobina (madeja) para cada polo, suficientemente grande para que pueda ser alojada en todas las ranuras abarcadas por la totalidad de las secciones individuales que integran un polo.

• Conexión de los polos: una ves bobinados todos los polos de un motor, la próxima operación consiste en conectar entre sí sus respectivos arrollamientos. No importando el número de polos del motor, es indispensable que dos polos consecutivos, cualquiera, sean de signo contrario. Esto se logra conectándolos entre sí de manera que la corriente circule por las espiras de un polo en el sentido de las manecillas del reloj y por las espiras del polo siguiente en sentido contrario al de las agujas del reloj; ambos sentidos seguirán alternando de modo análogo para los polos restantes.

• Verificación de polos: una ves terminado el rebobinado y efectuado las correspondientes conexiones es muy conveniente verificar eléctricamente uno y otras con objeto de de detectar posibles cortocircuitos entre espiras, contactos a masa, conexiones erróneas o interrupciones.

• Secado e impregnación: cuando ya se ha verificado todas las conexiones entre polos, y los cables flexibles de conexión a la red han sido empalmados a sus respectivos terminales y sujetados a los arrollamientos, se introduce el estator en una estufa de secado, donde debe permanecer aproximadamente una hora a una temperatura de unos 120ºC. Con este precalentamiento se consigue eliminar la humedad de los arrollamientos y facilitar así la posterior penetración del barniz. Seguidamente se sumerge el estator en un baño de barniz aislante adecuado al tipo de conductor empleado.