Motor asíncrono monofásico: cómo funciona

El mismo nombre de este dispositivo eléctrico indica que la energía eléctrica que se le suministra se convierte en movimiento de rotación del rotor. Además, el adjetivo "asíncrono" caracteriza el desajuste, el retraso de la velocidad de rotación de la armadura desde el campo magnético del estator.

La palabra "monofásica" provoca una definición ambigua. Esto se debe al hecho de que el término "fase" en electricidad define varios fenómenos:

• desplazamiento, diferencia de ángulos entre cantidades de vectores;

• conductor potencial de circuito eléctrico de CA de dos, tres o cuatro hilos;

• uno de los devanados del estator o rotor de un motor o generador trifásico.

Por lo tanto, aclaramos de inmediato que es habitual llamar a un motor eléctrico monofásico uno que funciona en una red de CA de dos hilos representada por un potencial de fase y cero. El número de devanados montados en varios diseños de estatores no afecta esta definición.

Diseño del motor

Según su dispositivo técnico, un motor de inducción consiste en:

1. un estator - una parte fija, estática, hecha por una carcasa con varios elementos eléctricos ubicados en ella;

2. un rotor girado por las fuerzas del campo electromagnético del estator.

La conexión mecánica de estas dos partes se realiza mediante cojinetes de rotación, cuyos anillos internos están montados en los receptáculos del eje del rotor, y los anillos externos están montados en cubiertas laterales protectoras fijadas al estator.

Rotor

Su dispositivo para estos modelos es el mismo que para todos los motores de inducción: un núcleo magnético de placas cargadas a base de aleaciones de hierro blando está montado en un eje de acero. En su superficie exterior, se hacen surcos en los que se montan las barras de bobinado de aluminio o cobre, en corto en los extremos a los anillos de cierre.

Se induce una corriente eléctrica en el devanado del rotor, que es inducida por el campo magnético del estator, y el circuito magnético sirve para el buen paso del flujo magnético creado aquí.

Los diseños de rotor separados para motores monofásicos pueden estar hechos de materiales no magnéticos o ferromagnéticos en forma de cilindro.

Estator

El diseño del estator también se presenta:

• cuerpo

• circuito magnético

• bobinado

Su objetivo principal es generar un campo electromagnético fijo o giratorio.

El devanado del estator generalmente consta de dos circuitos:

1. trabajador;

2. lanzador.

En los diseños más simples, diseñados para el giro manual del ancla, solo se puede hacer un devanado.

El principio de funcionamiento de un motor eléctrico monofásico asíncrono.

Para simplificar la presentación del material, imaginemos que el devanado del estator se realiza con un solo bucle. Sus cables dentro del estator se distribuyen en un círculo a 180 grados angulares. Una corriente sinusoidal alterna pasa a través de ella, con medias ondas positivas y negativas. No crea un campo magnético giratorio, sino pulsante.

Cómo ocurren las pulsaciones del campo magnético

Analicemos este proceso utilizando el ejemplo de una media onda de corriente positiva que fluye en los instantes de tiempo t1, t2, t3.

Pasa a lo largo de la parte superior del camino actual hacia nosotros, y a lo largo de la parte inferior, desde nosotros. En el plano perpendicular representado por el circuito magnético, aparecen flujos magnéticos alrededor del conductor.

Las corrientes que varían en amplitud en los instantes de tiempo considerados crean campos electromagnéticos F1, F2 y F3 de diferente magnitud. Como la corriente en la mitad superior e inferior es la misma, pero la bobina está doblada, los flujos magnéticos de cada parte se dirigen en la dirección opuesta y destruyen la acción de cada uno.Esto puede ser determinado por la regla de un gimlet o mano derecha

Como puede ver, con una media onda positiva, no se observa la rotación del campo magnético, sino que solo se produce su ondulación en las partes superior e inferior del cable, que también se equilibra mutuamente en el circuito magnético. El mismo proceso ocurre con una sección negativa de la sinusoide, cuando las corrientes invierten la dirección.

Como no hay campo magnético giratorio, el rotor también permanecerá estacionario, porque no se le aplicarán fuerzas para comenzar la rotación.

Cómo se crea la rotación del rotor en un campo pulsante

Si le da una rotación al rotor, incluso con la mano, continuará este movimiento. Para explicar este fenómeno, mostramos que el flujo magnético total varía en frecuencia de la sinusoide actual de cero al valor máximo en cada medio ciclo (con un cambio de dirección) y consta de dos partes formadas en las ramas superior e inferior, como se muestra en la figura.

El campo pulsante magnético del estator consiste en dos circulares con una amplitud de Fmax / 2 y que se mueven en direcciones opuestas con la misma frecuencia.

npr = nbr = f60 / p = 1.

En esta fórmula se indican:

• npr y nobr frecuencia de rotación del campo magnético del estator en las direcciones hacia adelante y hacia atrás;

• n1 es la velocidad del flujo magnético giratorio (r / min);

• p es el número de pares de polos;

• f es la frecuencia de la corriente en el devanado del estator.

Ahora con nuestra mano daremos la rotación del motor en una dirección, e inmediatamente recogerá el movimiento debido a la aparición de un par causado por el deslizamiento del rotor en relación con los diferentes flujos magnéticos de las direcciones hacia adelante y hacia atrás.

Suponemos que el flujo magnético de la dirección hacia adelante coincide con la rotación del rotor, y el reverso, respectivamente, será lo contrario. Si n2 es la frecuencia de rotación del ancla en rpm, entonces podemos escribir la expresión n2

En este caso, denotamos Spr = (n1-n2) / n1 = S.

Aquí, los índices S y Spr denotan el deslizamiento del motor asíncrono y el rotor del flujo magnético relativo de la dirección hacia adelante.

En el flujo inverso, el deslizamiento Sobr se expresa mediante una fórmula similar, pero con el cambio del signo n2.

Sobr = (n1 - (-n2)) / n1 = 2-Sbr.

De acuerdo con la ley de inducción electromagnética, bajo la influencia de los flujos magnéticos directos e inversos, una fuerza electromotriz actuará en el devanado del rotor, lo que creará corrientes de las mismas direcciones I2pr e I2obr en él.

Su frecuencia (en hercios) será directamente proporcional a la magnitud del deslizamiento.

f2pr = f1 ∙ Spr;

f2sample = f1 ∙ S

Además, la frecuencia f2obr formada por la corriente inducida I2obr excede significativamente la frecuencia f2pr.

Por ejemplo, un motor eléctrico funciona en una red de 50 Hz con n1 = 1500 y n2 = 1440 rpm. Su rotor tiene un deslizamiento relativo al flujo magnético de la dirección hacia adelante Spr = 0.04 y la frecuencia actual f2pr = 2 Hz. El deslizamiento inverso Sobr = 1.96, y la frecuencia actual f2obr = 98 Hz.

Según la ley de amperios, cuando la corriente I2pr y el campo magnético Фпр interactúan, aparece un torque Мпр.

Mpr = cM ∙ Fpr ∙ I2pr ∙ cosφ2pr.

Aquí, el coeficiente constante SM depende del diseño del motor.

En este caso, también actúa el flujo magnético inverso Mobr, que se calcula mediante la expresión:

Mobr = cM ∙ Phobr ∙ I2obr ∙ cosφ2obr.

Como resultado de la interacción de estas dos corrientes, aparecerá la resultante:

M = Mpr-Mobr.

Atencion Cuando el rotor gira, se inducen corrientes de diferentes frecuencias, lo que crea momentos de fuerzas en diferentes direcciones. Por lo tanto, la armadura del motor rotará bajo la acción de un campo magnético pulsante en la dirección desde la cual comenzó a rotar.

Durante la superación de la carga nominal por un motor monofásico, se crea un pequeño deslizamiento con la parte principal del par directo Mpr. La acción contraria del campo magnético inverso inhibidor MOBR tiene un efecto muy leve debido a la diferencia en las frecuencias de las corrientes de las direcciones directa e inversa.

f2obr de la corriente inversa excede significativamente f2pr, y la inductancia inducida X2obr excede en gran medida el componente activo y proporciona un gran efecto de desmagnetización del flujo magnético inverso Fobr, que finalmente disminuye.

Dado que el factor de potencia del motor bajo carga es pequeño, el flujo magnético inverso no puede tener un fuerte efecto en el rotor giratorio.

Cuando una fase de la red se aplica a un motor con un rotor fijo (n2 = 0), el deslizamiento, tanto hacia adelante como hacia atrás, es igual a la unidad, y los campos magnéticos y las fuerzas de los flujos hacia adelante y hacia atrás se equilibran y no se produce la rotación. Por lo tanto, del suministro de una fase es imposible desenrollar la armadura del motor.

Cómo determinar rápidamente la velocidad del motor:

Cómo se crea la rotación del rotor en un motor asíncrono monofásico

En toda la historia del funcionamiento de dichos dispositivos, se han desarrollado las siguientes soluciones de diseño:

1. desenrollado manual del eje con una mano o cable;

2. el uso de un devanado adicional conectado durante el arranque debido a la resistencia óhmica, capacitiva o inductiva;

3. división por una bobina magnética en cortocircuito del circuito magnético del estator.

El primer método se usó en el desarrollo inicial y no comenzó a aplicarse en el futuro debido a los posibles riesgos de lesiones en el inicio, aunque no requiere cadenas adicionales.

Aplicación de devanado de desplazamiento de fase en el estator

Para dar la rotación inicial del rotor al devanado del estator, en el momento del arranque, se conecta un auxiliar adicional, pero con un ángulo de solo 90 grados. Se realiza con un cable más grueso para pasar más corrientes que las que fluyen en el que funciona.

El diagrama de conexión de dicho motor se muestra en la figura a la derecha.

Aquí, el botón de tipo PNVS se usa para encender, que fue creado especialmente para tales motores y fue ampliamente utilizado en la operación de lavadoras fabricadas en la URSS. Este botón activa inmediatamente 3 contactos de tal manera que los dos extremos, después de presionarlos y soltarlos, permanecen fijos en el estado activado, y el medio se cierra brevemente, y luego vuelve a su posición original bajo la acción del resorte.

Los contactos extremos cerrados se pueden desconectar presionando el botón de detención adyacente.

Además del interruptor de botón, los siguientes se utilizan en modo automático para desactivar el devanado adicional:

1. interruptores centrífugos;

2. relés diferenciales o de corriente;

3. temporizadores mecánicos.

Para mejorar el arranque del motor bajo carga, se utilizan elementos adicionales en el devanado de cambio de fase.

Conexión de un motor monofásico con resistencia de arranque.

En dicho circuito, la resistencia óhmica se monta secuencialmente en el devanado adicional del estator. En este caso, el devanado de los giros se realiza de forma bifilar, proporcionando un coeficiente de autoinducción de la bobina muy cercano a cero.

Debido a la implementación de estos dos métodos, cuando las corrientes fluyen a través de diferentes devanados, se produce un cambio de fase de aproximadamente 30 grados entre ellos, lo cual es suficiente. La diferencia en ángulos se crea cambiando las resistencias complejas en cada circuito.

Con este método, todavía se puede encontrar un devanado de arranque con baja inductancia y mayor resistencia. Para esto, se utiliza un devanado con un pequeño número de vueltas de un cable de sección transversal baja.

Conexión de un motor monofásico con arranque por condensador

El cambio de corriente de fase capacitiva le permite crear una conexión a corto plazo del devanado con un condensador conectado en serie. Esta cadena solo funciona cuando el motor entra en modo y luego se apaga.

El inicio del capacitor crea el mayor torque y un factor de potencia más alto que con un método de inicio resistivo o inductivo. Puede alcanzar un valor de 45 ÷ 50% del valor nominal.

En circuitos separados, también se agrega una capacitancia a la cadena de bobinado en funcionamiento, que está constantemente encendida. Debido a esto, se logran desviaciones de las corrientes en los devanados en un ángulo del orden de π / 2. Al mismo tiempo, un cambio de amplitudes máximas es muy notable en el estator, lo que proporciona un buen par en el eje.

Debido a esta técnica, el motor es capaz de generar más potencia en el arranque. Sin embargo, este método se usa solo con unidades de arranque pesado, por ejemplo, para hacer girar un tambor de una lavadora llena de ropa con agua.

El disparador de condensador le permite cambiar la dirección de rotación de la armadura. Para hacer esto, simplemente cambie la polaridad de la conexión del devanado de arranque o de trabajo.

Conexión de motor monofásico de polo dividido

Los motores asíncronos con una pequeña potencia de aproximadamente 100 W utilizan la división del flujo magnético del estator debido a la inclusión de una bobina de cobre en cortocircuito en el polo del circuito magnético.

Cortado en dos partes, dicho polo crea un campo magnético adicional, que se desplaza en ángulo desde el principal y lo debilita en el lugar cubierto por la bobina. Debido a esto, se crea un campo giratorio elíptico, que forma un momento de rotación de una dirección constante.

En tales diseños, se pueden encontrar derivaciones magnéticas hechas de placas de acero que cierran los bordes de las puntas de los polos del estator.

Se pueden encontrar motores de diseños similares en dispositivos de ventilación para soplado de aire. No tienen la capacidad de revertir.