arranque motores monofasicos

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Caracterización de arranques monofásicos en sistemas de refrigeración Alfredo Ortiz (1) , Carlos Renedo (2) , Mario Mañana (3) (1) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria Tfno. 942 201376 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain) (2) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria Tfno. 942 201382 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain) (3) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria Tfno. 942 201378 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain) Resumen En este trabajo describiremos los sistemas de arranque más empleados con los motores eléctricos monofásicos que accionan los compresores herméticos de los pequeños equipos de aire acondicionado y refrigeración, caracterizando su funcionamiento según configuración de arranque, y determinando su ámbito de aplicación óptimo. Palabras clave: Ciclo frigorífico, arranque de motor monofásico, compresores herméticos. 1. Introducción Se sabe que los pequeños equipos frigoríficos, de aire acondicionado, deshumificadores, etc, emplean el ciclo frigorífico de compresión para producir frío, y prácticamente todos ellos tienen un motocompresor hermético, que además de ser la parte más cara del equipo es la que realiza sino todo, gran parte del consumo energético de la máquina. Tanto los compresores alternativos como los centrífugos se encuentran en el mercado formando equipos herméticos que incluyen el motor. Estos motores cerrados son de un tipo distinto al convencional porque están enfriados por el mismo líquido o vapor refrigerante, a temperaturas mucho más bajas que el aire empleado para enfriar los motores abiertos. Estos motores pueden trabajar con mayores temperaturas de régimen, pero sin llegar a superar la máxima temperatura admitida para los motores de jaula de ardilla por las normas. Como el trabajo de estos motores cerrados (frecuentes paradas y puestas en marcha) es distinto al normal, no suelen clasificarse por su potencia de régimen permanente, sino por las intensidades de arranque y de plena carga. El significado de esta clasificación se ve con claridad en el momento de seleccionar los controles.

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Page 1: Arranque Motores Monofasicos

Caracterización de arranques monofásicos en sistemas de refrigeración

Alfredo Ortiz (1), Carlos Renedo (2), Mario Mañana (3)

(1) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria

Tfno. 942 201376 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain)

(2) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria

Tfno. 942 201382 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain)

(3) Departamento de Ingeniería Eléctrica y Energética / Universidad de Cantabria

Tfno. 942 201378 / Fax. 942 201385 / E-mail. [email protected] Avda. de los Castros, s/n / 39005 Santander (Spain)

Resumen En este trabajo describiremos los sistemas de arranque más empleados con los motores eléctricos monofásicos que accionan los compresores herméticos de los pequeños equipos de aire acondicionado y refrigeración, caracterizando su funcionamiento según configuración de arranque, y determinando su ámbito de aplicación óptimo.

Palabras clave: Ciclo frigorífico, arranque de motor monofásico, compresores herméticos. 1. Introducción Se sabe que los pequeños equipos frigoríficos, de aire acondicionado, deshumificadores, etc, emplean el ciclo frigorífico de compresión para producir frío, y prácticamente todos ellos tienen un motocompresor hermético, que además de ser la parte más cara del equipo es la que realiza sino todo, gran parte del consumo energético de la máquina. Tanto los compresores alternativos como los centrífugos se encuentran en el mercado formando equipos herméticos que incluyen el motor. Estos motores cerrados son de un tipo distinto al convencional porque están enfriados por el mismo líquido o vapor refrigerante, a temperaturas mucho más bajas que el aire empleado para enfriar los motores abiertos. Estos motores pueden trabajar con mayores temperaturas de régimen, pero sin llegar a superar la máxima temperatura admitida para los motores de jaula de ardilla por las normas. Como el trabajo de estos motores cerrados (frecuentes paradas y puestas en marcha) es distinto al normal, no suelen clasificarse por su potencia de régimen permanente, sino por las intensidades de arranque y de plena carga. El significado de esta clasificación se ve con claridad en el momento de seleccionar los controles.

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Los fabricantes de motores destinados a equipos de refrigeración herméticos suministran sólo el motor de jaula sin el eje, cojinetes y elementos de la carcasa. Los fabricantes de estos compresores montan estos conjuntos de rotor y estator dentro de una carcasa común al compresor, y le adaptan los cojinetes adecuados. Los bobinados están perfectamente aislados y garantizados, especialmente en los motores de gran tamaño. Los motores pequeños suelen ser monofásicos y, como no pueden utilizarse contactos capaces de producir chispas, suelen ser de tipo de fase partida con condensador o resistencia, estando los interruptores y condensadores situados en el exterior del compresor. Los motores de estas unidades suelen ser motores asíncronos monofásicos (Single-Phase Induction Motors, SPIM), y debido a su nulo par de arranque, necesitan un sistema auxiliar para su puesta en marcha, que puede lograse con diferentes dispositivos. Cada uno de ellos le confiere al motor características de funcionamiento distintas. 2. Ciclo frigorífico de compresión El método de producción de frío en las máquinas de fluidos condensables está basado en los cambios de estado (líquido-gas y gas-líquido) de una sustancia (fluido refrigerante) en un circuito cerrado. Para ello se aprovecha la cualidad que presentan los fluidos por la que la temperatura a la que se producen este cambio de estado depende de la presión a la que estos se encuentren; a bajas presiones esta temperatura es baja, y si se eleva la presión, esta temperatura aumenta. El motivo de aprovechar los cambios de estado es porque los calores latentes (de cambio de estado) son mayores que los calores sensibles (de cambio de temperatura), con la consiguiente disminución de la cantidad de fluido refrigerante y de los equipos necesarios. El modo de obtención de frío [1] con este sistema describe un ciclo teórico que podemos resumir de la siguiente manera:

• Se comprime el refrigerante en estado gaseoso mediante un compresor, de modo que se eleva la presión y temperatura del gas.

• Se hace circular el fluido (gas) por un condensador, en él se condensa el refrigerante a presión constante (líquido), cediendo calor a al medio exterior, normalmente aire o agua.

• Se pasa el líquido refrigerante por una etapa de expansión donde pierde presión y temperatura evaporándose una pequeña fracción del líquido

• El refrigerante con bajas temperatura y presión se pasa por un evaporador en el que el refrigerante se evapora (gas), absorbiendo calor del medio exterior y logrando así el efecto frigorífico deseado.

• Finalmente se vuelve a comprimir el gas, reiniciando el ciclo. El compresor, normalmente está accionado por un motor eléctrico, y en equipos de pequeña potencia casi en exclusiva son motocompresores herméticos accionados por motores asíncronos monofásicos.

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Condensador y evaporador son intercambiadores de calor, y pueden llevar asociado un ventilador para forzar el paso de aire a través de ellos, aunque el consumo de electricidad de este elemento. La expansión puede realizarse en un tubo capilar o en una válvula de expansión, normalmente termostática, Fig. 1, éstas son dos cavidades separadas por un pequeño orificio, y mediante un juego de presiones entre ambas, se regula el tamaño de dicho orificio y con ello la pérdida de presión que en él se produce.

Fig 1.- Válvula de expansión termostática

Una diferencia fundamental que presentan las máquinas con válvula frente a las de capilar es que cuando la máquina para, en las primeras se produce un fuerte cierre, lo que hace que en la parada queden aisladas la alta y la baja presión, obligando a un mayor par de arranque al volver a poner en funcionamiento el compresor. 3. Motores asíncronos monofásicos (SPIM)

Constructivamente está formado por un rotor en jaula de ardilla, análogo al de los motores trifásicos, y un estator en el que se dispone un devanado alimentado con corriente alterna monofásica. Los motores asíncronos monofásicos respecto a los trifásicos presentan la ventaja de poder conectarse a la red básica de distribución de electricidad, lo que hace que sea adecuado para aplicaciones domésticas. Un problema que presentan es que generan un campo magnético pulsante, por lo que tienen un par de arranque nulo, motivo por el que no son capaces de ponerse en marcha por si mismos. Para provocar el arranque en estos motores se les dota de un devanado auxiliar de arranque (start, S) con un desfase respecto al principal (run, R), de modo que entre este devanado auxiliar y el principal se proporciona el par necesario en el arranque, y una vez producido éste, se puede desconectar el devanado auxiliar, bien automáticamente (por un interruptor centrífugo) o por medio de otros dispositivos como pueden ser relés. 4. Elementos comúnmente utilizados en los arranques de SPIM en sistemas de refrigeración.

Entre los diferentes elementos que pueden utilizarse para el arranque de un motor monofásico, se pueden destacar:

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Relé de corriente, es un dispositivo eléctrico con cuatro terminales, es un interruptor controlado por corriente. Dos terminales son de control, de manera que cuando por estos no circula corriente, o esta es inferior a un cierto valor, la conexión entre los otros dos terminales permanece abierta; y cuando la corriente que circula entre los terminales de control supera un cierto valor, se forma un corto entre los otros dos terminales. Relé de tensión, es un dispositivo eléctrico con tres terminales, es un interruptor controlado por tensión. Dos terminales son de control, de manera que cuando entre estos la tensión aplicada es inferior a un cierto valor, la conexión entre los terminales controlados es un corto; y cuando la tensión entre los terminales de control supera un cierto valor, se abre el contacto entre los dos terminales controlados. Relé semiconductor (de estado sólido), es una resistencia que se calienta con el paso de la corriente, motivo por el cual incrementa su valor desde cero (fría), hasta infinito (caliente). En un arranque se conecta en serie con el devanado de arranque, de modo que inicialmente conduce y se pone en marcha el motor, el efecto del paso de la corriente a través de él hace que incremente su temperatura y con ello su resistencia, desconectando el devanado de arranque. 5. Arranques de SPIM en sistemas de refrigeración. Ya que los devanados se conectan a la misma alimentación, el desfase de la corriente del devanado auxiliar se obtiene conectando en serie con éste una resistencia, una inductancia (estos dos artificios se hacen dimensionando adecuadamente los arrollamientos del devanado auxiliar, que tiene una mayor resistencia que el de marcha) o una capacidad. Los diferentes sistemas de arranque [2] confieren al funcionamiento del motor diferentes características: RSIR (Resistor Start Induction Run): Arranque resistivo-marcha inductiva con relé de corriente. El arrollamiento de arranque posee una resistencia elevada, y queda conectado temporalmente en paralelo con el arrollamiento de marcha. Para acoplarlo o desacoplarlo se usa un relé con bobina, conectado en serie con el arrollamiento de marcha. El par de arranque de estos motores es muy bajo, y se los usa acoplados a los compresores que se emplean en los sistemas de tubo capilar (fácil balanceo de las presiones de impulsión y aspiración, y bajas presiones de condensación).

Fig 2.- Arranque RSIR con relé de corriente.

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CSIR (Capacitor Start Induction Run): Arranque capacitivo-marcha inductiva con relé de corriente. En serie con el arrollamiento de arranque hay intercalado un condensador. Dicho arrollamiento se acopla y desacopla del mismo modo que en el caso anterior. El par de arranque de estos motores es muy elevado, y son particularmente indicados para accionar compresores herméticos en sistemas con válvula de expansión. Absorben una corriente de marcha aproximadamente la tercera parte menor que los RSIR de igual potencia. Además, sufren menos la influencia de los efectos debidos a las disminuciones de la tensión de la red.

Fig 3.- Arranque CSIR con relé de corriente.

PSC (Permanent Split Capacitor): Condensador siempre intercalado. El arrollamiento de arranque, en serie con el condensador, queda siempre conectado aún después que el motor se ponga en marcha. Por ello, el condensador, cuya capacidad es muy inferior a la de los que se usan en los motores CSIR. El esquema de conexiones es igual que el de los motores CSIR, pero sin el relé de arranque. Los motores poseen un par de arranque muy bajo y se emplean en sistemas de tubo capilar.

Fig 4.- Arranque PSC.

CSR (Capacitor Start Run) Arranque y marcha capacitivos con relé de tensión. Se obtiene a partir del sistema PSC conectado, en paralelo con el condensador de marcha, otro condensador de arranque mediante un relé cuya bobina se alimenta con la tensión presente en los extremos del arrollamiento de arranque. El par de arranque de los motores que adoptan este sistema es bastante más grande que el de los PSC, y se comporta mucho mejor en el caso de que disminuya la tensión de la red. Se utilizan para acoplarlos a compresores herméticos en los sistemas con válvula de expansión.

Fig 5.- Arranque CSR con relé de tensión.

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Las características de estos arranques se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1.- Características de diferentes arranques monofásicos.

RSIR CSIR PSC CSR

Característica mecánica

Dispositivo de arranque Relé de I Relé de I Ninguno Relé de V

Rango potencia (W) máx 2500 máx 2500 máx 8000 máx 8000

Velocidad nominal 2900 2900 2900 2900

Par con rotor bloqueado

(% del nominal) 125-150 % 200-350 % 25 % 150 %

La instrumentación utilizada en la clasificación de estos arranques fue el MEPERT [3]; herramienta desarrollada por el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Cantabria. Sus aplicaciones abarcan funciones de multímetro, medidor de perturbaciones conducidas y analizador de parámetros de red. 6. Conclusiones. Como podemos observar en la tabla resumen anterior en el rango de utilización de potencias, la marcha capacitiva nos permite alcanzar motores de potencia más alta, hasta los 8 kW. En cuanto al par obtenido; las configuraciones RSIR y PSC presentan valores relativamente pobres de par, mientras que en los casos de CSIR y CSR se encuentran valores más elevados. Como ya se ha comentado en sistemas de bajo par la tecnología de producción de frío va provista de tubo capilar. En cambio el uso de la válvula de expansión esta asociada con sistemas moto-compresor de par elevado. Actualmente la selección del relé correcto de entre los cientos de modelos existentes en el mercado, requiere un conocimiento detallado de la aplicación. Sería deseable que en el futuro las configuraciones estuviesen más estandarizadas, que las nuevas tecnologías de arranque tuvieran las ventajas de los relés de estado sólido y de electromecánicos, consiguiendo además la desconexión del devanado de arranque en el punto óptimo [4]. Referencias [1] Carrier. Aire Acondicionado, Ed Marcombo [2] ASHRAE. Handbook HVAC Systems and Equipment. [3] L. Eguíluz, M. Mañana, J. Lavandero, J.Falagán. “Implementación de un Sistema Experto en

la instrumentación MEPERT como herramienta de decisión para la conexión de cargas potencialmente perturbadoras.”. 5ª Jornadas Hispano-Lusas de Ingeniería Eléctrica. Salamanca. Julio 1997

[4] J.Borrelli, R.Burkhart. “New Phase-Sensitive Technology for Capacitor-Start Motor Simplifies Application”. IEEE Transactions on industry appplications. Vol. 34, No 2, 1998.