Motor de inducción de un ventilador de pie

El sol de algunos veranos hizo que se rompiera parte del plástico de un ventilador de pie. Así que, por más que funcionaba, no era seguro utilizarlo porque el motor y sus conexiones quedaban expuestos. Por lo tanto pasó a ser material de potencial uso en algún proyecto más interesante.

Estos ventiladores son esos de pie que tienen varias velocidades (tres en este caso) y que a su vez tienen la opción de girar mientras están en funcionamiento para poder compartir sus bondades.

Tipo de ventilador del que obtuve el motor - (fuente)

En mi caso no tenía ni idea qué tipo de motor tenía adentro ni mucho menos cómo lograba variar las velocidades. La idea de este post es intentar explicar un poco su funcionamiento.

Antes que nada dos advertencias:

1. No soy entendido ni mucho menos experto en este tipo de motores y
2. No me hago responsable por lo que les pueda pasar a ustedes o a sus ventiladores al utilizar la información que doy en este post así como en los videos del mismo.

Identificación del tipo de motor

Después de sacar todas las cubiertas del ventilador, desconectar la llave de control de velocidad y quedarme sólo con el motor, lo que se observa en este es:

• Unos 8 enrollados (con un cable muy fino) que están en la parte del motor que no se mueve (el estator)
• Cuatro cables (Rojo, Blanco, Negro y Gris) juntos en un mismo forro y que salen desde alguna parte del estator del motor
• Un capacitor de unos 3cmx2cm que está marcado con un valor de 1,5uF y 350V AC y conectado a dos cables (rojo y amarillo) que ingresan a alguna parte del estator del motor
• A su vez, al girar la hélice, esta mueve a un cilindro (el rotor) que está apenas separado del estator.

Vista del motor donde se aprecia el grupo de cuatro cables por un lado y otros dos cables conectados al capacitor

Para diferenciar el cable rojo que está conectado al capacitor del cable Rojo que está junto a los cables Blanco, Negro y Gris, le llamo rojo (con minúscula) al que se conecta al capacitor y Rojo (con mayúscula) al otro.

Vista de los enrollados del motor que se encuentran en el estator del mismo

Otra vista de los enrollados del motor

Comprobando la capacitancia del capacitor del motor

El hecho de encontrar un capacitor me resultó bastante raro porque tenía la idea de que los capacitores difícilmente aparecían en los circuitos relacionados con motores.

Pero luego estaba estudiando "motores de inducción monofásicos" y, al hablar de las distintas técnicas para el arranque de estos motores, se mencionaba el uso de un capacitor de arranque (junto a una "bobina auxiliar" o "bobina de arranque").

En el mismo texto hablaba de las técnicas para el control de velocidad en este tipo de motores y, entre ellas, describía una en la cual lo que se hacía era utilizar "tomas" de la "bobina principal". Se deducía de esta última explicación que, para tener tres velocidades, se requerían cuatro cables provenientes de la bobina principal; que era la cantidad de cables que estaban originalmente conectados a la llave de control de velocidad.

Todo esto me hizo concluir que el ventilador utilizaba:

• un motor de inducción monofásico (o asíncrono) con
• tipo de arranque por capacitor fijo y bobina auxiliar fija y
• control de velocidad mediante el uso de su devanado principal como auto-transformador

Una representación o esquema eléctrico del circuito del estator sería de la siguiente forma:

Esquema eléctrico del motor de inducción monofásico

En este se tiene por un lado la bobina principal junto con sus dos derivaciones o tomas intermedias y, en paralelo, la bobina auxiliar (o de arranque) en serie con el capacitor de arranque (o auxiliar). Todo lo anterior se encuentra en el estator del motor (la parte que no gira). Se representa también el rotor del motor (la parte que gira) como un círculo en el medio del esquema.

Tipo de rotor

Dentro de los motores de inducción se puede diferenciar entre los que tienen rotor tipo "bobinado" y los que tienen rotor tipo "jaula de ardilla". En el caso del motor del ventilador se podría decir que el rotor es de tipo jaula de ardilla ya que no se observan bobinados (como los que tiene en el estator) de ningún tipo en el mismo.

Si se abre el motor, se puede ver su rotor tipo "jaula de ardilla" a la derecha de los enrollados del estator

En la imagen anterior, además del tipo de rotor, se puede observar que el núcleo del estator (a la izquierda de la imagen) no es de un material sólido sino que está hecho a partir de varias "chapas" unidas entre sí. Esto es para lograr disminuir las pérdidas en el material ferromagnético del que está hecho el núcleo del estator.

Identificación de los cables

Una vez que se tiene el esquema anterior, resulta sencillo identificar los cables y basta con medir las resistencias entre estos.

(Atención: Se debe desconectar el motor del tomacorriente para medir las resistencias de los bobinados)

Antes de medir estas resistencias desconecté el capacitor de arranque y así el circuito quedó abierto.

Primero busqué un par de cables que estuviera formado:

• por uno de los cuatro que estaban juntos en el forro y
• uno de los dos que no estaban en el forro y
• que a su vez midieran la menor resistencia entre sí

Estos serían los cables que están más arriba en el esquema eléctrico anterior pues en dicho esquema aparecen como unidos entre sí sin ningún componente intermedio (resistencia entre ellos casi nula). Obtuve que $R_{Gris-rojo} = 0.002$ Ohms por lo que el Gris y el rojo eran los mencionados cables. Es decir que el esquema iba quedando así:

Esquema eléctrico inicial con dos cables identificados

Después medí la resistencia (asociada a los devanados) entre el cable Gris y los cables Rojo, Blanco y Negro y obtuve los siguientes valores:

• $R_{Gris-Negro} = 0.525$ Ohms
• $R_{Gris-Blanco} = 0.665$ Ohms
• $R_{Gris-Rojo} = 0.750$ Ohms

Como los tres enrollados (o bobinas) que conforman la bobina principal están en serie, la resistencia medida debe aumentar cuanto más lejos estemos del cable Gris en el esquema. Es decir que, ordenando de mayor a menor las tres resistencias medidas, se obtiene el color de cable correspondiente a cada una de las tomas. El esquema final es entonces:

Esquema eléctrico final

Nada más que por curiosidad, la resistencia medida entre Rojo y amarillo fue $R_{Rojo-amarillo} = 0.191$ Ohms.

Conexiones

El motor venía originalmente conectado a una llave de 3 posiciones (en realidad 4 pero 3 son las útiles) que permitía cambiar la velocidad de giro del mismo.

El botón blanco sirve para apagar el ventilador y los tres grises son para seleccionar entre las 3 velocidades

De este lado de la llave se observan los cables Rojo, Gris y Negro conectados a esta

Un esquema eléctrico de la llave junto con la forma en que esta se conecta a los terminales del motor es el siguiente:

Esquema del motor monofásico junto con la llave de tres velocidades (3 posiciones)

Se observa que el terminal Gris del motor no se conecta a la llave sino que se conecta directamente a uno de los dos terminales del toma-corriente. Los terminales que se conectan a la llave son el Rojo, Blanco y Negro. Según la velocidad deseada, se cierra una (y sólo una) de las tres llaves para seleccionar cual de los cables, Rojo, Blanco o Negro, se conectará al restante terminal del toma-corriente.

Lo anterior es muy importante pues, mirando el esquema, uno podría razonar que da lo mismo dejar el cable Rojo fijo y alternar los terminales Blanco, Negro y Gris para obtener las distintas velocidades. Esto último funciona dentro de la teoría pero lo que ocurre es que:

• Si dejamos fijo el Gris, nos aseguramos de que la resistencia mínima entre los dos terminales que elijamos será de $R_{min}=0.505$ Ohms
• Si dejamos fijo el Rojo, esa resistencia mínima es ahora de tan sólo $R_{min}=0.750-0.665=0.085$ Ohms

En el primer video a continuación, cometo el error de dejar fijo el Rojo y variar los cables Blanco, Gris y Negro para obtener las distintas velocidades. El resultado es que una de las bobinas del motor se quema.

Prueba práctica

Ahora sólo resta probar que todo funciona en la práctica. En el siguiente video muestro la prueba práctica del motor. El procedimiento llevado a cabo en el video contiene algunos errores en cuanto a cómo se realizaron las conexiones. De todas formas el circuito deducido anteriormente al parecer está bien.

No dejen de ver el final del video en el que se produce la "explosión" del motor debido a los errores mencionados.

En este otro video intento explicar los errores de conexión que cometí en el anterior video y por qué se quemó el motor.

Referencias

• Máquinas eléctricas - Stephen Chapman - Capítulo 10 - Motores monofásicos y de uso especial - Cuarta edición en español