Cómo arrancan los motores de inducción monofásicos: fase partida, condensador y polo sombreado

Un campo pulsante son dos campos giratorios

El devanado principal de un motor monofásico crea un campo magnético que permanece en un solo eje y varía sinusoidalmente con el tiempo. Este campo pulsante puede descomponerse matemáticamente en dos campos giratorios de la mitad de amplitud, uno que gira hacia delante y otro hacia atrás, ambos a la velocidad síncrona N_s = 120 × f / p.

Un rotor parado ve ambos campos con un deslizamiento de 1. Producen pares iguales y opuestos, de modo que la suma es cero: no hay par de arranque, y el rotor puede quedarse zumbando en cualquiera de los dos sentidos. Si el rotor se gira a mano, el campo directo tiene deslizamiento s y el campo inverso tiene deslizamiento 2 − s. El par directo se impone entonces, y el motor acelera y arrastra su carga.

Esta imagen de doble campo explica también por qué un motor monofásico en marcha es menos capaz que uno trifásico: el campo inverso siempre desperdicia algo de par y añade pérdidas. El par también pulsa al doble de la frecuencia de alimentación, 100 Hz con una red de 50 Hz, que es el origen del zumbido y la vibración.

La solución: un segundo campo desfasado

Si un segundo devanado, desplazado 90 grados eléctricos en el espacio, lleva una corriente desfasada en el tiempo, los dos campos se combinan en un campo que gira en un solo sentido. Cuanto más se acerque el desfase temporal a 90°, y cuanto más parecidas sean las magnitudes de ambas corrientes, mejor será la rotación y el par de arranque.

Todos los métodos son formas de obtener ese desfase temporal a partir de una sola alimentación. Salvo en los motores de polo sombreado, el devanado adicional se llama devanado auxiliar o de arranque, y el devanado principal se llama devanado de marcha.

Los tipos de motor

• Fase partida: el devanado auxiliar se bobina con hilo más fino y tiene más resistencia y menos reactancia que el principal, lo que da un desfase pequeño de quizá 30°. El par de arranque es moderado, aproximadamente una vez y media el par nominal, con alta corriente de arranque. Se usa en ventiladores, soplantes y bombas pequeñas.
• Arranque por condensador: un condensador en serie con el devanado auxiliar lleva su corriente a casi 90° por delante de la principal. El par de arranque es alto, en torno a tres veces el nominal, con menor corriente. Se usa en compresores, bombas y herramientas de taller.
• Condensador permanente (PSC): el condensador y el devanado auxiliar permanecen siempre en el circuito. El par de arranque es bajo, una fracción del par nominal, pero el motor funciona suavemente con mejor factor de potencia y sin interruptor. Se usa en ventiladores y algunas bombas.
• Condensador de arranque y de marcha (CSCR): un condensador de arranque grande se desconecta a velocidad mientras permanece uno de marcha más pequeño. Combina el alto par de arranque del arranque por condensador con el funcionamiento suave del PSC, y es adecuado para compresores de servicio pesado.
• Polo sombreado: un anillo de cobre alrededor de una parte de cada polo retrasa el flujo en esa parte y crea un barrido débil del campo por el polo. El par de arranque es bajo y el rendimiento pobre, pero el motor es muy barato y robusto. Se usa en ventiladores pequeños, en el intervalo de 5 a 100 W, y en soplantes de electrodomésticos.

El interruptor centrífugo

Un devanado de arranque con un condensador grande solo está pensado para unos segundos. A cerca del 75 % de la velocidad síncrona, un interruptor centrífugo en el eje, con contrapesos accionados por resorte que se desplazan hacia fuera con la velocidad, se abre y desconecta el devanado de arranque (y el condensador de arranque). El motor funciona entonces con el devanado principal, y con el condensador de marcha si lo tiene. Relés electrónicos o termistores PTC hacen el mismo trabajo en muchos motores modernos.

Si el motor no puede alcanzar la velocidad de desconexión, porque está sobrecargado o la tensión es baja, el devanado de arranque permanece conectado y se sobrecalienta rápidamente. Un zumbido sin giro, o un motor que arranca y luego funciona muy caliente, suele apuntar a un interruptor o condensador averiado.

Para invertir un motor de fase partida o de condensador se intercambian las conexiones del devanado auxiliar respecto al principal. Invertir los conductores de alimentación no hace nada, ya que ambos devanados se invierten a la vez.

Ejemplo resuelto

Tome un motor de arranque por condensador de cuatro polos y 50 Hz.

1. Velocidad síncrona: N_s = 120 × 50 / 4 = 1500 rpm. 2. El interruptor centrífugo se abre al 75 % de N_s = 1125 rpm. 3. A 1400 rpm el deslizamiento del campo directo es s = (1500 − 1400) / 1500 = 0,067, es decir, 6,7 %, mientras que el campo inverso ve un deslizamiento de 2 − s = 1,93, así que aporta muy poco par a esa velocidad. 4. La frecuencia de pulsación del par es 2 × 50 = 100 Hz.

En un motor de condensador, el condensador de arranque es del orden de cientos de microfaradios por kilovatio, mucho mayor que el de marcha. Un motor con un condensador de arranque demasiado pequeño arranca débilmente, y uno demasiado grande consume corriente excesiva y estresa el devanado.

Cómo modela el simulador los motores monofásicos

El simulador es un modelo didáctico, y así se indica en la interfaz. La velocidad síncrona es 120 × f / p. El punto de funcionamiento se halla donde la curva par–velocidad, suma de los pares de los devanados principal y auxiliar, corta a un par de carga constante, y el deslizamiento se deduce de ese punto.

El par de arranque procede de relaciones fijas por tipo con el valor óptimo de condensador, y un condensador alejado de ese valor lo reduce: unas 3 veces el par nominal para arranque por condensador y CSCR, unas 1,5 veces para fase partida, unas 0,6 veces para PSC y unas 0,4 veces para polo sombreado. El interruptor centrífugo desconecta el devanado de arranque al 75 % de la velocidad síncrona (no en los motores PSC ni de polo sombreado). Los condensadores óptimos son de unos 250 µF por kW para el condensador de arranque y 35 µF por kW para uno de marcha (PSC y CSCR), de modo que un motor CSCR de 0,75 kW tendría unos 190 µF y 26 µF.

Con el devanado auxiliar desconectado el par de arranque es cero y el rotor permanece bloqueado, con la corriente de rotor bloqueado circulando. El modelo no es un circuito equivalente de doble campo y no sirve para dimensionar condensadores ni protecciones.

Pruébelo en el simulador del motor de inducción monofásico

Abra el simulador del motor de inducción monofásico.

• Ponga el Devanado auxiliar en Desconectado (no se muestra en el de polo sombreado). El motor no girará, y una advertencia explica que el devanado principal solo no tiene par de arranque. En la escena 3D el campo del devanado principal solo pulsa.
• Vuelva a ponerlo en Conectado: aparece un campo giratorio y el rotor acelera.
• Cambie el Tipo de motor entre Fase partida, Arranque por condensador, PSC (condensador permanente), Condensador de arranque y de marcha (CSCR) y Polo sombreado, y compare la lectura de Par de arranque (en múltiplos del par nominal) y el estado del Devanado de arranque (Conectado o Desconectado; en el de polo sombreado la lectura se llama Anillos de sombra).
• Varíe el valor del Condensador (no se muestra en fase partida ni en polo sombreado). La indicación muestra el valor óptimo en µF; lejos de él aparece una advertencia y el par de arranque baja. En CSCR hay controles deslizantes independientes de Condensador de arranque y Condensador de marcha.
• Suba la Carga mecánica hasta que un motor no pueda arrancar. Los motores de polo sombreado tienen tan poco par de arranque que una carga modesta ya mantiene el rotor calado, y una advertencia lo indica.
• Cambie el Sentido de giro a Invertido (oculto en polo sombreado, cuyo sentido lo fija el anillo). Después ejecute el experimento temporizado para ver la velocidad y la corriente a lo largo del tiempo.

El experimento muestra que el segundo devanado o el anillo solo sirve para arrancar, y que el devanado principal hace el trabajo de marcha.

Pruébalo en el simulador