Sebastián Ramírez Sandí, B35674
Universidad de Costa Rica
Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica
IE-0615 Laboratorio de Máquinas Eléctricas II
Resumen—El laboratorio presenta el resultado de la im-plementación de distintas formas de arranques de motores, a partir de la corriente consumida, así como la tensión y el par de arranque, y en el que se enfoca en las ventajas de cada configuración.
I. OBJETIVOS
Objetivo general
Estudiar los diferentes métodos de arranque de un motor de inducción monofásico así como algunas de sus curvas características.
Objetivos específicos
Analizar el comportamiento de la máquina de inducción monofásica en condiciones de arranque.
Examinar cómo la construcción del motor de inducción monofásico tiene un efecto en las capacidades de este. Obtener las curvas características de las diferentes má-quinas de inducción monofásicas utilizadas.
Tabla I: Equipo utilizado, laboratorio 2
Equipo Placa Fuente AC/DC 19150 Cables de conexión Banda Motor inducción monofásico arranque capacitor 163939 Motor inducción monofásico capacitor permanente 163941 Módulo de adquisición de datos 244814 Tacómetro de mano 248935 Amperímetro de Gancho 207396 Electrodinamómetro 214824
II. NOTATEÓRICA
El motor de inducción monofásica, es una máquina eléctrica compuesta por un rotor tipo jaula de ardilla y un estator devanado, alimentado por una corriente i monofásica. Una de sus principales características, es que cuenta con un torque de arranque nulo, por lo que son necesarios distintos métodos auxiliares para arrancar el motor. [1] Los MIM se han clasificado según su método de arranque. Los principales tipos de motores se enlistan a continuación.
Motor de fase partida
Este tipo de motor, utiliza como método de arranque, un devanado auxiliar, desplazado 90° mecánicos y co-nectado en paralelo al devanado principal del estator. El objetivo de dicho devanado, es crear un segundo campo magnético pulsante, pero desplazado con respecto al primero. La suma de ambos campos, tendrá como resultado un campo magnético giratorio que permitirá el arranque del motor. El devanado se desconecta cuando el motor alcanza un 80 % de la velocidad de operación nominal. [3] El desfase entre los campos magnéticos anteriormente mencionados, se basa en las diferencias que constructivas del devanado principal y el de auxiliar. El devanado de arranque es, en general, construido con cables más delgados y con menor número de vueltas, lo que ocasiona una resistencia más alta y una reactan-cia más baja. Las corrientes por cada devanado están desfasadas generalmente entre 20° y 30°. La figura 1, muestra la conexión de este tipo de motor.[3] La tabla II, muestra un resumen de las características del MIM de fase partida, y de los demás tipos que se discutirán más adelante.
Figura 1: Conexión del MIM de fase partida [3]
Motor de arranque por capacitor
El MIM de arranque con capacitor difiere de MIM de fase partida, en que ahora se agrega un capacitor en serie con el devanado auxiliar. [3] Se logra un par de arranque hasta 300 % mayor al nominal, ya que el capacitor desplaza las corrientes en cada devanado en 90°. La figura 2 muestra la conexión del MIM de arranque con capacitor. Y, en la tabla II, se muestra un resumen de sus principales características. [3]
Figura 2: Conexión del MIM de arranque con capacitor [2]
Motor con condensador permanente
En este tipo de motor monofásico, se tiene un devanado auxiliar en serie con una capacitor, conectados en para-lelo con el devanado principal. El devanado auxiliar es idéntico al devanado principal, y la conexión paralela se realiza de forma directa, pues permanece durante toda la operación del motor, por lo que un interruptor no es necesario. [3]
El diseño del capacitor se realiza, con el objetivo de eliminar la componente de secuencia negativa del campo, teniendo así un campo magnético uniforme. La figura 3 muestra la conexión de este método de arranque en particular y la tabla II, muestra un resumen de las características del mismo. [3].
Figura 3: Conexión del MIM con capacitor permanente [2] Motor con doble capacitor
El motor con doble capacitor, se diferencian del motor con capacitor permanente, en que se agrega un capacitor extra en paralelo a las ramas fijas, pero únicamente durante el arranque. Este tipo de motor, mejora las condiciones de operación nominal, en comparación con el MIM con capacitor de arranque. [3] La figura 4 muestra la conexión de el tipo de MIM en cuestión. Además, sus características principales se incluyen en la tabla II.
Figura 4: Conexión del MIM con doble capacitor [1]
Tabla II: Resumen de características de los tipos de MIM. FP:Fase partida, CA: capacitor de arranque, CP: capacitor permanente y DC: doble capacitor. [3]
Característica FP CATipos de MotorCP DC
Par de arranque moderado muy alto bajo moderado
Factor de potencia <70 % bajo alto alto
Eficiencia <0.7 baja alta alta
Vibración moderada moderada poca poca
Potencias pequeñas grandes grandes amplio rango
III. INVESTIGACIÓN SOBREAPLICACIONES
La máquina de inducción monofásica es altamente utili-zada en aplicaciones donde no esté disponible, o sea muy poco práctico alimentar una máquina trifásica. Debido a que
La aplicación del motor va a depender de la construcción del mismo, pues cada tipo de construcción varían entre sí los torques de trabajo y eficiencia de la máquina [4].
Motor de Fase Partida: Se caracteriza por ser de bajo torque de arranque y altas corrientes en el arranque, además que puede sufrir problemas de calentamiento en el arranque. Esto hace que este motor no se deba utilizar para aplicaciones de alta potencia. Por este motivo se suele aplicar a trabajos entre 1/22Hp − 1/3Hp, donde se encuentran sopladores, ventiladores pequeños, etc. Motor con Capacitor de Arranque: Este es el tipo de motor que también posee un capacitor en su devanado auxiliar. Esto lo ayuda a tener más torque en el arranque, con corrientes más pequeñas. Es más costoso que el motor de fase partida pero tiene más aplicaciones que llegan a nivel industrial. Por ejemplo, se utiliza para manejar sopladores y bombas, líneas transportadores, movimiento de engranajes, entre otros.
Motor de Capacitor Permanente: En este motor, el circuito del devanado auxiliar permanece conectado en todo momento, por lo que siempre trabaja el capacitor. Tienen un torque de arranque bajo, además de corrientes de arranque bajas. Son máquinas bastante eficientes y con un factor de potencia bastante grande. Entre los otros diseños discutidos, este tiene el mayor costo económico debido a las ventajas que le ofrece al usuario. Las aplicaciones de este tipo de motor incluyen manejo de bombas grandes de agua, compresores de aire, maquina-ría de construcción, y otras cuya potencia va desde los 1Hp − 10Hp.
Motor de Doble Capacitor: La MIM de doble capacitor tiene dos tipos de condensador. El primero es un capa-citor de arranque el cual se desconecta (por un switch centrífugo) una vez se llega a cierta velocidad mínima. En paralelo a este se encuentra un capacitor permanente, que se encarga de mejorar el factor de potencia y la eficiencia del motor en régimen permanente. Este tipo de motor puede utilizarse para variedad de cargas, pues su construcción permite un amplio rango de potencias, con pocas pérdidas y, además, casi no hay vibraciones en el motor. Por estos motivos se puede utilizar la MIM de doble capacitor para aplicaciones electrodomésticas, máquinas de construcción y variedad de herramientas.
100 100.48 2.71 1795 90 89.64 2.32 1795 80 80.6 1.99 1795 70 70.51 1.68 1795 60 60.35 1.38 1794 50 50.92 1.1 1790 40 39.31 0.84 1783
Tabla IV: Variación de la carga a un motor de fase partida
Carga aplicada (N·m) Corriente consumida (A) Potencia Activa (W) Potencia Aparente (VA) Velocidad (rpm) 0.05 3.6 145.91 583.54 1808.74 0.15 3.67 167.71 423.12 1783.55 0.25 3.74 189.35 431.32 1777.57 0.35 3.82 209.71 439.34 1768.13 0.45 3.92 230.12 448.5 1766 0.55 4.03 252.64 459.55 1741.33 0.65 4.15 274.6 472.07 1748.34 0.75 4.31 302.26 486.27 1744.27 0.85 4.46 325.12 504.67 1742.25 0.95 4.63 350.78 520.92 1730.77 1.05 4.81 377.29 539.76 1720.24 1.15 5.01 405.56 559.08 1705.73
Par de arranque: El resultado obtenido fue: Tarranque= 0, 73N m
Par nominal: El resultado obtenido fue, para un corrien-te máxima de 5 A y una corrien-tensión nominal de 120 V:
Tn= 1, 15N m IV-B. Motor de capacitor de arranque
Par de arranque: El resultado obtenido fue: Tarranque= 2, 44N m
Par nominal: El resultado obtenido fue, para un co-rriente máxima de 5 A y una tensión nominal de 117,48 V:
Tn= 1, 14N m IV-C. Motor de capacitor permanente
Par de arranque: El resultado obtenido fue: Tarranque= 0, 38N m
Par nominal: El resultado obtenido fue, para un corrien-te máxima de 3 A y corrien-tensión nominal de 117,27 V:
Tabla V: Disminución de la tensión aplicada a un motor de capacitor permanente Tensión de alimentación (V) Tensión aplicada (V) Corriente consumida (A) Velocidad del rotor (rpm) 120 116,8 0,85 1797 110 110,45 0,79 1797 100 100,57 0,74 1796 90 90,15 0,7 1794 80 80,01 0,67 1795 70 70,12 0,64 1793 60 60,09 0,62 1791 50 50,77 0,6 1789 40 40,3 0,57 1784
Tabla VI: Variación de la carga a un motor con capacitor permanente Carga aplicada (N·m) Corriente consumida (A) Potencia Activa (W) Potencia Aparente (VA) Velocidad (rpm) 0,05 1,3 144,07 151,62 1782 0,15 1,43 158,33 166,44 1773 0,25 1,56 174,22 181,92 1768 0,35 1,67 189,08 181,92 1761 0,45 1,78 204,69 207,91 1753 0,55 1,9 221,21 222,34 1749 0,65 2,03 237,6 237,71 1735 0,75 2,19 256,21 255,86 1722 0,85 2,38 277,92 277,89 1720 0,95 2,55 296,53 297,01 1711 1,05 2,55 320,45 321,56 1692 1,17 3,07 353,83 356,47 1672
Comportamiento de variables en función de la carga aplicada.
A partir de la tabla IV, se realizaron gráficas características de funcionamiento de la máquina de fase partida en régimen permanente. Estos resultados se presentan en las figuras 5, 6, 7 y 8 para el comportamiento de la corriente, potencia activa, potencia aparente y velocidad de giro, respectivamente.
Figura 5: Comportamiento de la corriente en función de la carga. MIM de fase partida
Figura 6: Comportamiento de la potencia activa en función de la carga. MIM de fase partida
Figura 7: Comportamiento de la potencia aparente en función de la carga. MIM de fase partida
Figura 8: Comportamiento de la velocidad del rotor en función de la carga. MIM de fase partida
A partir de la tabla VI se realizaron las gráficas de las variables más importantes del MIM con capacitor permanente, estas se observan en las figuras 9, 10, 11, 12. Las cuales mues-tran el comportamiento de la corriente de entrada, la potencia activa, potencia aparente y velocidad respectivamente.
V. ANÁLISIS DERESULTADOS
V-A. Análisis de: David Mejías
El experimento consistió en realizar pruebas con los distin-tos tipos de motores. La primera de ellas consistió en variar
Figura 9: Comportamiento de la corriente en función de la carga. MIM con capacitor permanente
Figura 10: Comportamiento de la potencia activa en función de la carga. MIM con capacitor permanente
Figura 11: Comportamiento de la potencia aparente en función de la carga. MIM con capacitor permanente
la tensión de entrada con el fin de observar la corriente y la velocidad de los motores. Como segundo punto se estableció una tensión de 120 Vacaplicando una carga variable al motor, se obtuvieron valores de corriente, potencia activa, potencia aparente y velocidad.
V-A1. MIM con fase partida: Para el caso de la primera prueba realizada con este motor se recopilaron los datos de la tabla III, se logra observar que ante una disminución de
Figura 12: Comportamiento de la velocidad del rotor en función de la carga. MIM con capacitor permanente
tensión se presenta una leve disminución de la velocidad del rotor lo cual es normal ya que a una tensión menor la corriente disminuirá, llevando al motor a generar una velocidad cada vez más pequeña.
Siguiente a esta prueba se procedió a colocar la carga respectiva al motor para observar los distintos parámetros, la tabla IV muestra todos los datos obtenidos para este motor. A fin de visualizar mejor el comportamiento de este ante una carga mecánica se realizaron las respectivas gráficas, la figura 5 muestra el comportamiento de la corriente de entrada al variar la carga donde al aumentar esta última, la corriente también lo hace, indicando que se necesita proporcionar una alta corriente para lograr mover la carga mecánica. Del mismo modo se realizó la gráfica mostrada en la figura 6 mostrando una tendencia lineal en aumento de la potencia activa ante un aumento de carga lo cual es normal ya que la fuerza de oposición en el rotor es aún mayor. Para el caso de la potencia aparente (S) la figura 7 muestra el comportamiento respectivo donde también se presenta un aumento lineal de la potencia, sin embargo, en las primeras mediciones tiene una S alta, esto se debe principalmente a condiciones de arranque o errores en las mediciones. Por último, la figura 8 muestra la velocidad del MIM ante el aumento de la carga donde se observa un disminución de esta, la cual es obvia debido a la par de oposición que genera la carga.
Ya que se tienen los valores de potencia activa y aparente se puede obtener el factor de potencia (f.p) del motor sabiendo que f.p = cos (θ) = P/S. Si se obtiene de los factores de potencia para cada medición se obtiene que f.pprom= 0,5495 indicando un valor común para este tipo de motores.
V-A2. MIM con capacitor de arranque: Con el fin de observar la relación de arranque de este tipo de motor, se obtuvo el par nominal y el par de arranque, estos se muestran en IV-B. Se obtiene que la relación τarranque/τnominal = 2,14 indicando un 214 % de diferencia. Esto se apega a la teoría para este tipo de motor donde el capacitor genera un desfase mayor para proporcionar un mayor par de arranque.
V-A3. MIM con capacitor permanente: Al igual que con el MIM de fase partida, se realizaron los mismos análisis con los parámetros de corriente, potencias y velocidad de este
motor. Para este caso no se muestran cambios significativos respecto al de fase partida. La figura 9, figura 10 y 11 muestran la tendencia de aumento ante el aumento de la carga dadas por las mismas razones descritas para el MIM de fase partida. El comportamiento de la velocidad también se muestra una tendencia similar, esta se muestra en la figura 12, a medida que el par aplicado aumenta la velocidad disminuye. Para el caso del factor de potencia, se obtiene que el promedio de este es f.pprom= 0,846 lo cual es de esperarse ya que el tipo de construcción de este le permite tener un valor más alto que los demás motores
V-B. Análisis de: José David Mora
Durante el primer procedimiento, se disminuyó la tensión aplicada a un motor de fase partida y de capacitor permanente en operación sin carga desde la tensión nominal hasta un 33.3 % de la misma (120V → 40V en pasos de 10 V). A esto se rescata que la ecuación de la velocidad de una MIM no depende de su tensión de entrada, por lo que la velocidad del motor no se ve afectada durante la mayoría de las mediciones. No obstante, la tensión sigue siendo necesaria para generar en los elementos eléctricos de la máquina las corrientes necesarias para producir el movimiento deseado, por lo que más abajo de los 50 V se comienza a notar una disminución en la capacidad rotativa de la máquina, probablemente debido a que no se produce el suficiente torque y las pérdidas comienzan a manifestarse en la velocidad del motor.
La variación de la carga sobre los distintos tipos de motor verifica varios comportamientos obtenidos de la teoría uti-lizada para explicar las MIM. Al aumentarse la carga, se obtiene que el motor comienza a consumir más corriente para poder acercarse a su velocidad sincrónica. Esta corriente se ve reflejada principalmente en la potencia real de la máquina, y dado que la potencia reactiva se mantiene muy estable a lo largo de las pruebas se tiene un factor de potencia que crece con respecto a la carga aplicada. De las tablas IV y VI se tiene:
Tabla VII: Factor de potencia contra carga en motores de fase partida y capacitor permanente
Carga aplicada (N·m)
Potencia Activa (W)
Potencia
Aparente (VA) Factor de Potencia Motor de fase partida
0,05 (Mínima) 145.91 583.54 0.25 1,17 (Máxima) 405.56 559.08 0.72 Motor de capacitor permanente
0,05 (Mínima) 144,07 151,62 0.95 1,17 (Máxima) 353,83 356,47 0.99
Agregado se tiene que el motor de fase partida logra mantener una velocidad de 1705 rpm con la máxima carga mientras que el de capacitor permanente baja hasta 1672 rpm. A todo esto, es fácil observar la gran mejoría en el factor de potencia obtenida con la utilización del capacitor permantente, aún cuando esto reduzca la capacidad de torque en la operación de la máquina.
De los experimentos realizados se obtiene también que el arranque con capacitor es mucho mejor en términos de torque de arranque y tiempo de levantamiento hasta la operación nominal (se explica dado que se aproxima mucho mejor a una máquina bifásica) mientras que la operación del capacitor permantente se vuelve mucho más silenciosa y además los números revelan que le produce menor consumo de reactivo a la red eléctrica
La corriente de arranque igualmente refleja que el motor de fase partida es una máquina más poderosa en términos de torque, pero menos eficiente en términos de factor de potencia y de las perturbaciones y estrés que su operación produce en la red a la que se conecta. Por otro lado, el motor de capacitor permanente resulta una máquina más eficiente y discreta en su operación pero con una capacidad de carga mucho menor. V-C. Análisis de: María José Parajeles
Primeramente, es importante mencionar que de los tipos de arranque estudiados en la nota teórica, sólo se realizaron 3 de ellos en el laboratorio. A continuación se realiza un análisis para cada uno de ellos.
V-C1. Motor fase partida: En la tabla III, se muestran los resultados obtenidos al disminuir la tensión aplicada al motor y medir, en cada paso, la corriente consumida y la velocidad. De dicha tabla se puede concluir, que debido a que el motor se encuentra en vacío, cuando la tensión disminuye, así lo hace también la corriente. Por otro lado, es posible notar que la velocidad del rotor no cambia significativamente con los cambios de tensión. Esto se puede justificar recordando la ecuación 1, donde se observa que dicha velocidad depende únicamente del deslizamiento s, la frecuencia f y el número de polos P; que en este caso, se mantienen constantes al cambio de tensión.
ωr= (1 − s)ωs (1)
Por otro lado, la tabla IV se observan los resultados obtenidos al variar la carga aplicada al motor. Como era de esperarse, la corriente aumenta significativamente con respecto al aumento de la carga, esto por que dada la misma tensión es necesario un aumento en la potencia activa de entrada, la cual se logra al aumentar la corriente; este comportamiento se observa también en la figura 5.
Como ya se mencionó en el párrafo anterior, un aumento en la carga se traduce en un aumento en la potencia demandada al motor. Las figuras 6 y 7 muestran la relación entre el consumo de potencia activa y aparente, respectivamente y, la carga aplicada. Se puede notar, que la potencia aparente se mantiene al rededor del valor de 500 V A, mientras que la potencia activa aumenta significativamente. Con esto, es posible concluir que a mayor carga, el factor de potencia aumenta, según la relación de la ecuación 2.
cos(θ) = P
V-C2. Motor de capacitor de arranque: Para este motor, se obtuvieron los valores del par de arranque y el par nominal mostrados en la sección IV-B. La relación par de arranque a par nominal fue de:
Tarranque Tnominal
≈ 214 %
La relación anterior, sigue lo expuesto en la teoría, ya que el capacitor de arranque propicia una diferencia angular de mayor dimensión entre las corrientes del principal y el auxiliar, lo que mejora significativamente el par de arranque. V-C3. Motor con capacitor permanente: En la tabla V, se observan los resultados obtenidos al disminuir la tensión de alimentación al motor. De manera análoga al motor de fase partida, ya que el motor se encuentra en vacío, al disminuir la tensión, disminuye también la corriente. Por otro lado, la velocidad se mantiene estable y al rededor de 1780 rpm, cuando la tensión disminuye, debido a que la tensión no figura entre las variables importantes en el cálculo de la velocidad del rotor en la ecuación 1.
La tabla VI, muestra los resultados obtenidos al variar la carga aplicada al motor con capacitor permanente. En la figura 9, se observa que cuando la carga aumenta, la corriente también lo hace, para poder suplir la nueva demanda de potencia activa. La figura 10, justifica también el comportamiento de la corriente consumida, pues se puede observar que entre mayor es la carga, mayor es la potencia activa consumida.
La figura 11, muestra que para el motor con capacitor permanente, la potencia aparente aumenta también, debido a la presencia del capacitor en la conexión. Siguiendo la relación de la ecuación 2, es posible concluir, que para el motor en análisis, el factor de potencia se mantiene en valores bastante altos, por lo que la presencia del capacitor permanente, mejora significativamente el factor de potencia, en comparación con el motor de fase partida.
Por último, la figura 12, muestra la relación de la velocidad con la carga. Haciendo referencia al análisis para el motor de fase partida, se concluye que la velocidad disminuye, debido a que el deslizamiento aumenta con el aumento de la carga. Lo anterior se confirma al analizar la ecuación 1.
V-D1. Motor de fase partida: El motor de fase partida logra su arranque a partir de la diferencia constructiva de sus devanados principal y auxiliar, además de su desfase mecánico de 90°. Al generar normalmente un desfase de 20 a 30° entre las corrientes se observa un bajo par de arranque de 0.73 Nm. También por sus mismas características presenta una alta corriente consumida que como podemos observar en la tabla IV se cumple al empezar con una corriente de 3.6 A y llegar hasta 5.01 A para el par nominal. Este par nominal viene siendo mayor que el de arranque y es de 1.15 Nm. Es importante señalar que la relación entre el par de arranque y el nominal es de 1:0,6 concluyendo que el par de arranque es moderado.
Variando la tensión aplicada podemos observar que al disminuirla la corriente consumida baja hasta niveles muy pequeños mientras que la velocidad del rotor se mantiene casi estable. Esta última tiene una variación del 0.72 % y se puede concluir que esta no va a variar ante una variación de la tensión dado que la velocidad solo depende de la frecuencia y el número de polos del motor.
Analizando el factor de potencia del motor tenemos las medidas de potencia activa y potencia aparente para distintos niveles de carga. Utilizando la ecuación mostrada a continua-ción podemos calcular el factor de potencia.
P = S cos(θ) (3)
Tomando un promedio de todos los valores tomados se calcula un f.p. = 0,54 el cual es relativamente bajo como lo define la teoría. Ahora también hay que señalar como se observan de las figuras 6 y 7 que la potencia activa demandada aumenta más que la potencia aparente por lo que a mayores cargas el factor de potencia aumenta dada la ecuación 3.
En términos de la velocidad podemos observar que a mayor carga aplicada menor velocidad se observa en el rotor. Desde el arranque hasta llegar a la carga nominal hay una disminución del 5.7 % y se da ya que al presentarse una mayor demanda al motor el deslizamiento aumenta por lo que ωr disminuye como se representa en la ecuación 4.
ωr= (1 − s)ωs (4)
V-D2. Motor de capacitor de arranque: La característica más importante del capacitor de arranque es que este propor-ciona al motor de inducción monofásico un par de arranque muy alto. A partir de los valores obtenidos en la sección de resultados para este motor tenemos un par de arranque
de 2,44 Nm y un par nominal de 1,15 Nm. Por lo tanto se tiene una relación aproximada del 212 % del par de arranque : par nominal. Se comprueba la teoría que plantea esto mismo y al hacer un análisis comparativo con los otros motores estudiados se concluye que es el que tiene un par de arranque mayor y por lo mismo su gran utilidad.
V-D3. Motor de capacitor permanente: Este motor du-rante la prueba arrancó con corrientes bajas empezando por 1,3 A y luego aumentando hasta trabajar a carga nominal a un valor de 3,07 A, comprobando los supuestos teóricos. Además por sus características presenta un par de arranque bajo que se observa en los resultados dando un valor de 0,38 Nm. El par a carga nominal se presenta con una corriente de 3 A y es de 1,17 Nm lo cual no varía significativamente con respecto a los otros tipos de motor.
Al estudiar el motor bajo un cambio en la tensión aplica-da podemos notar que al disminuir la tensión, la corriente también disminuye lo cual es de esperar para el sistema dado que se encuentra en vacío. La velocidad por su lado varía solamente en un 0.72 % que fue el mismo porcentaje que se observó para el motor de fase partida. Se concluye nuevamente que la variación en la tensión no tiene un efecto significativo sobre la velocidad del rotor.
Al igual que con el motor de fase partida podemos analizar el factor de potencia del motor de capacitor permanente por medio de la ecuación 3. Y obtenemos un resultado promedio de f.p. = 0,983 que muestra ser bastante alto y casi igual a la unidad. Esto corrobora la característica de este motor de tener un alto factor de potencia en su funcionamiento, esto provee un mejor rendimiento y mejor operación del motor.
Ahora en este caso la potencia activa en la figura 10 y aparente en la figura 11 se demandan en cantidades similares y esto es dado que la reactancia capacitiva agregada al motor va a demandar potencia aparente. Por lo tanto el factor de potencia se mantiene más estable.
Al igual que para el motor de fase partida es importante notar que a mayor carga aplicada mayor potencia se genera para suplir la demanda. Por otro lado tenemos la variación de la velocidad, desde una carga casi nula hasta la carga nominal, que es de un 6.17 % el cual es un porcentaje considerablemente bajo. Esta disminución se presenta igual por un aumento en el deslizamiento y por lo tanto una menor velocidad.
V-E. Análisis de: Sebastián Ramírez
La práctica de laboratorio estudio el comportamiento y condiciones de arranque de tres tipos de motores monofásicos, estos fueron el motor de fase partida, el motor de capacitor de arranque y el motor de capacitor permanente. Cabe mencionar que para el análisis de capacitor de arranque se utilizó el mismo motor que para el de fase partida, pero se hizo una conexión externa adicional que conectara el capacitor al devanado auxiliar. Por este motivo, las pruebas de variación de la tensión y variación de la carga en la MIM de capacitor de arranque son las mismas que para la MIM de fase partida.
V-E1. MIM de fase partida: La primera prueba realizada fue la disminución de tensión y su efecto en la velocidad de giro del rotor. Iniciando en condiciones de tensión nominal aproximadamente, se redujo la alimentación hasta un valor de 35 % su valor original. En esta prueba, que se resume en la tabla III, se muestra que la velocidad del rotor varía menos de un 1 % entre el primer valor de tensión y el último. Esto evidencia que la velocidad del rotor, en régimen permanente, no va a depender de la tensión aplicada, ya que solo va a depender de la frecuencia de la señal de alimentación, el deslizamiento y el número de polos del estator, ninguno de los cuales se cambió durante el transcurso de la prueba.
Después, la tabla IV muestra que, por otro lado, la carga aplicada al motor sí tiene un efecto en la velocidad de giro del rotor. Además, se puede notar que la corriente también tiene una relación directa con la carga aplicada (visto también en la figura 5). Una forma de explicar este fenómeno, es que la tensión de alimentación se mantuvo constante, al aumentar la carga mecánica significa que el motor debía entregar más potencia, lo cual se logra aumentando la corriente.
En esta misma prueba, se ejemplifica el efecto que tiene la carga sobre las potencias activa y aparente de la máquina. Se puede observar que la potencia aparente siempre es conside-rablemente más grande que la potencia activa, lo cual implica un bajo factor de potencia, como era de esperar. Además, se observa que el factor de potencia aumenta con cargas más grandes.
Como se discutió anteriormente, la carga aplicada sí tiene un efecto en la velocidad de giro del motor. Como se observa en la figura 8, a mayor velocidad se tiene menos par de giro. Mientras que a mayor par de giro se tiene menor velocidad en el rotor. Lo cual es de esperar pues se trabajó con una MIM asíncrona.
Por último, se puede analizar la relación entre el par de arranque y el par nominal. Se tiene que el par de arranque equivale a un 63 % del par nominal, lo cual es normal para un motor de fase partida.
V-E2. MIM de capacitor de arranque: Como se utilizó el mismo motor que con el análisis de la máquina de fase partida. Se concluye que en régimen permanente este motor se tiene el mismo comportamiento, esto porque en régimen permanente se desconecta el devanado auxiliar, junto con el capacitor.
Sin embargo, se nota que en condiciones de arranque la máquna de capacitor de arranque se comporta bastante diferente. Esto se observa pues el par de arranque de la máquina es considerablemente alto comparado al motor de fase partida. En este caso, el par de arranque equivale a 214 % el valor del par nominal. Este es un valor esperado para este tipo de construcción, pues la presencia del capacitor en el devanado auxiliar provee un mejor factor de potencia y aumenta la eficiencia de la máquina en el arranque.
V-E3. MIM de capacitor permanente: Después se repitió el proceso para la MIM de capacitor permanente. Nuevamente se realizaron las mismas pruebas que al motor de fase partida,
motor. Como era de esperar, la carga posee un efecto directo sobre el cambio en la corriente pues el motor demanda más potencia para continuar girando. Este resultado se observa además en la figura 9.
Además, se vuelve a observar que la potencia activa de la máquina aumenta a mayor demanda de la carga, lo cual es de esperar. Sin embargo, una diferencia significativa respecto al motor de fase partida, es que el factor de potencia es considerablemente mayor para la máquina de capacitor de arranque. Ya que realizando en promedio, el factor de potencia es aproximadamente de 0.98.
Por último, se observa en la relación inversa entre la velocidad del rotor y la carga aplicada, visto en la figura 12. Este comportamiento es el esperado, pues el deslizamiento de las máquinas asíncronas depende de la carga aplicada.
VI. CONCLUSIONES
VI-A. Conclusiones de: David Mejías
Los motores de fase partida y capacitor permanente no presentan mucha disminución de la velocidad al disminuir la tensión de entrada.
Los motores de fase partida son por lo general inefi-cientes y presentan un factor de potencia bajo (en este caso 0.5495) esto se debe a la alta impedancia real que presenta.
El MIM con capacitor de arranque genera un desfase alto en el la corriente del devanado auxiliar, proporcionando un alto par de arranque, en este un 214 % más.
El motor con capacitor permanente presenta un factor de potencia mucho más alto que los demás, mejorando la eficiencia. Además, se comprobó que es mucho más silencioso que los otros motores.
A medida que se aumenta la carga mecánica en los motores se va a tener una mayor demanda de corriente y por ende de potencia (activa y aparente), sin embargo, la velocidad disminuye debido a la oposición mecánica. VI-B. Conclusiones de: José David Mora
Los motores de inducción son construidos para muchos y diferentes propósitos, por lo que existen diversas técnicas de fabricación para optimizar su uso tales como: fase partida, capacitor de arranque, capacitor permanente, doble capacitor.
Los motores de fase partida producen entre su tipo la mayor capacidad de manejar carga mecánica, a costa de
fase partida por lo que es ideal para aplicaciones que requieren tanto una capacidad de carga amplia como un torque inicial considerable (compresores, bombas). El uso del capacitor permanente tiene los efectos más diferenciables entre los otros métodos de diseño sobre el funcionamiento de la máquina, dado que benefician mucho la eficiencia eléctrica en términos de factor de potencia y corriente de arranque, mejoran las carac-terísticas de ruido en operación dejando de lado una mayor amplitud en la capacidad de sostener cargas mecánicas elevadas. Su aplicación práctica consiste de tareas con cargas menores donde se prefiere un motor menos ruidoso o que se utilizan por períodos extensos. VI-C. Conclusiones de: María José Parajeles
El motor de fase partida tiene un par de arranque moderado, mayor al del motor de capacitor permanente, pero menor al del motor de capacitor de arranque. El factor de potencia en un motor de fase partida disminuye al aumentar la carga en el motor, por lo que son utilizados para únicamente en cargas pequeñas. El motor de capacitor de arranque presenta un torque de arranque notoriamente mejorado, debido al mayor desfase de corrientes ocasionado por el capacitor. El el motor con mayor torque de arranque.
El motor con capacitor permanente tiene un torque de arranque bajo. Sin embargo, su factor de potencia es alto inclusive en cargas mayores.
La velocidad del rotor en distintos tipos de MIM, se mantiene constante ante cambios en la tensión de alimen-tación, mientras la frecuencia se mantenga constante.
VI-D. Conclusiones de: Luisa Quesada
Las características constructivas de los distintos tipos de MIM permiten tener distintos pares de arranque en su operación. Concluyendo que el motor con capacitor de arranque tiene el mayor par de arranque mientras que el de fase partida tiene uno moderado y el de capacitor permanente uno menor.
El motor de fase partida demanda mayor corriente al arranque y en su operación que el motor de capacitor permanente
El motor de fase partida presenta un factor de potencia bajo que aumenta al aumentar la carga dado que este demanda mayor potencia activa que potencia aparente
El motor de capacitor permanente demanda potencia activa y potencia aparente constantemente por lo tanto mantiene un factor de potencia estable a distintos niveles de carga. Este factor de potencia es de valor alto y por lo tanto el motor tiene una alta eficiencia
La velocidad del rotor no depende de la tensión aplicada, solamente de la frecuencia de operación y de el número de polos del motor
La velocidad del rotor se ve afectada por la carga aplicada, a mayor carga mayor deslizamiento y por lo tanto menor valor de ωr
VI-E. Conclusiones de: Sebastián Ramírez
A partir de la investigación preliminar, de los resultados obtenidos y del análisis realizado se concluye que:
El tipo de construcción de la máquina de inducción mo-nofásica tiene un efecto significativo en las aplicaciones y eficiencia de la MIM, por lo que para efectos de diseño se necesita tener claro las especificaciones de la carga a fin de escoger el tipo de motor que mejor cumpla dichos requerimientos con menor costo.
El motor de fase partida posee un bajo par de arranque y su factor de potencia es relativamente bajo; sin embargo, la facilidad de su construcción y menor costo lo hace ideal para aplicaciones de baja potencia.
El motor de capacitor de arranque sirve para tener un alto par de arranque, mientras que en régimen permanente se comporta como un motor de fase partida. Esto hace que el motor sea bueno para aplicaciones de más alta potencia. Este par de arranque alto, significa también que el motor de capacitor de arranque sirve para ace-lerar cargas grandes desde el reposo, y mantenerlas a velocidad constante en régimen permanente.
El motor de capacitor permanente posee un par de arranque más bajo que el motor de capacitor de arranque. Sin embargo, su factor de potencia alto implica que la máquina tenga una eficiencia alta lo cual lo hace bastante efectivo para variedad de cargas. No obstante, este motor implica costos más grandes de construcción.
La velocidad de giro de los motores asíncronos dependen de la carga aplicada, la cual influye en el deslizamiento. Por otro lado, la tensión de alimentación no afecta en gran manera el
REFERENCIAS
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[2] Valverde, G (2016). Motor de Inducción Monofásico. Universidad de Costa Rica. San Pedro.
[3] Valverde, G; Quirós, J (2016) Folleto Máquinas Eléctricas II – Escuela Ingeniería Eléctrica, UCR. Universidad de Costa Rica. San Pedro. [4] Heinecke, K. (2000). Single-phase electric motors: characteristics
and applications. Machine Design. Consultado el 03/04/2016. Dispo-nible en: http://machinedesign.com/motorsdrives/single-phase-electric-motors-characteristics-applications
[5] Kuphaldt, T. (s.f). Single-phase Induction Motors. All About Circuits. Consultado el 03/04/2016. Disponible en:http://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-13/single-phase-induction-motors/
