Funcionamiento del capacitor en motores eléctricos monofásicos

Autor: Ing. Ernesto Sanguinetti R. – Gerente División de Ingeniería- COLD IMPORT S.A.

En este artículo trataremos los conceptos básicos de un componente eléctrico pequeño pero muy importante en los motores eléctricos monofásicos y en los moto-compresores monofásicos tanto herméticos como semi-herméticos, usados en aplicaciones de refrigeración y aire acondicionado.

Un condensador eléctrico más conocido como capacitor, es un dispositivo que almacena y descarga electrones. Todos los capacitores están compuestos por dos ó más placas metálicas (usualmente de aluminio) separadas por un material aislante llamado dieléctrico (películas de parafina, de polímeros o de óxidos no conductores), encerrados dentro de una envuelta cilíndrica o casi cilíndrica (de plástico o de cerámica o metálica como en gráficos que siguen).

CAPACITOR DE ARRANQUE

CAPACITORES DE MARCHA O TRABAJO

Para mejor entendimiento mostramos el esquema de un capacitor muy sencillo que se compone de dos placas separadas por un dieléctrico.

Primero, lo mostraremos conectado a una fuente de corriente continua o corriente directa (CC o CD) proporcionada por una batería. Los electrones salen de la placa 1 y se juntan en la placa 2, dejándola con una gran cantidad de electrones, es decir se “carga”. Puesto que la carga de una batería fluye en una sola dirección, la placa del capacitor permanece cargada, a menos que haya algo que produzca flujo de corriente. Si hiciéramos corto entre las placas con un desarmador, la chispa nos indicaría que hay un “puente” para que fluyan los electrones de la placa 2 a la placa 1, para igualarla. Al retirar el desarmador, la placa 2 vuelve a juntar la carga.

Segundo, mostramos el capacitor conectado a una fuente de corriente alterna (CA) y en serie con las bobinas de un motor eléctrico. Puesto que la corriente es alterna, primero se carga la placa 1; luego, a medida que se regresa la corriente, sale un flujo de electrones de la placa 1 a la placa 2 a través de las bobinas del motor. Cuando se alterna la corriente, los electrones regresan a la placa 1. Se notará que los electrones no pasan por el capacitor, sino que viajan para atrás y adelante de una placa a otra, por las bobinas del motor. Esta corriente de electrones, primero en un sentido y luego en otro, tiene un efecto positivo en los motores.

Precauciones y comportamiento del capacitor en el circuito

Por lo explicado, cuando un capacitor forma parte de un circuito se comporta en la práctica como un elemento capaz de almacenar la energía eléctrica (electrones) que recibe durante el período de carga, la misma energía que cede después durante el período de descarga. Además, es capaz de almacenar carga eléctrica luego de cargado y desconectado del circuito, por lo que se recomienda ser cuidadoso al manipular un capacitor, ya que podría haber quedado cargado desde su uso anterior. Por ello, se aconseja hacer un “puente” entre sus extremos mediante un elemento conductor por unos segundos antes de manipularlo, para descargarlo; como el “puente” que se mostró en gráfico anterior usando un desarmador o destornillador.

EFECTOS DEL CAPACITOR EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS

Motores simples de Fase Dividida:

Estos motores tienen dos bobinas: una de arranque y otra de marcha, como se muestra en el esquema que sigue. Las bobinas de arranque se utilizan para vencer la inercia y permitir al motor arrancar bajo carga. Estas se hacen con alambre más delgado y con muchas más vueltas que las bobinas de marcha. Esta mayor resistencia, comparada con la bobina de marcha, hace que la corriente de la bobina de marcha se quede atrás de la de arranque (se desfasa). El motor puede arrancar y cuando llega a aproximadamente ¾ de velocidad de trabajo, se abre el interruptor de arranque (un relay o relé) y hace que la bobina de arranque abandone al circuito. La condición de “fuera de fase” entre las bobinas de arranque y de marcha produce el torque necesario para arrancar el motor bajo carga. Como no tienen capacitor, se utilizan en aplicaciones que requieren “bajo torque de arranque”, como en muchos motores para ventiladores.

 BOBINA DE MARCHA

Motores con Capacitor de Arranque:

Cuando se requiere “alto par de arranque” se usan motores con un capacitor de arranque en serie con la bobina de arranque. El efecto deseado es lograr que la corriente que pase por la bobina de arranque llegue “más fuera de fase” de lo que puede lograrse con la resistencia sola de la bobina de arranque. El resultado es un mayor torque de arranque (el incremento logrado está en el orden de 300% a 500%). También reduce la corriente de arranque y aumenta el voltaje en la bobina de arranque del circuito. Al igual que en un motor simple de fase dividida, cuando aumenta la velocidad a ¾ de la velocidad total, el interruptor de arranque se abre, desconectando el capacitor y la bobina de arranque del circuito, quedando funcionando solo con la bobina de marcha (normalmente el interruptor es un “relay o relé”). Este tipo de motores es común en motocompresores herméticos.

El relay es importante porque las bobinas de arranque, al estar hechas de alambre delgado, producen alta resistencia y podrían quemarse si permanecieran en el circuito más del tiempo necesario que le toma al motor llegar a la velocidad adecuada. Si no se desconectan a tiempo, las bobinas de arranque se “queman”.

Motores con Capacitores de Arranque y de Marcha:

En éste tipo de motores, además del capacitor de arranque, se agrega un capacitor de marcha en serie con la bobina de arranque y en paralelo al capacitor de arranque. Durante el arranque, mientras el motor alcanza los ¾ de su velocidad antes que el capacitor de arranque se desconecte mediante el relay, el capacitor de marcha permanece en el circuito en paralelo con el capacitor de arranque. Su función es aumentar el factor de potencia del motor durante la operación y reducir el consumo de corriente. Los capacitores de marcha tienen una capacitancia (se mide en microfaradios) mucho más baja y una construcción y presentación muy diferente a los capacitores de arranque. Este tipo de motores se usan en moto-compresores herméticos y mayormente en los semi-herméticos. Mostramos esquema de éste tipo de motores (sirve también para los motores con capacitor de arranque descritos anteriormente, con la diferencia de que no existe en ellos el capacitor de marcha):

BOBINA DE MARCHA

Motores con Capacitor Permanente:

A estos motores muchos los conocen como PSC (por las siglas en inglés Permanent Split Capacitor). Tienen un capacitor de marcha en serie con la bobina de arranque. No se utiliza el interruptor de arranque, por lo que el capacitor y la bobina de arranque siempre están en el circuito.El motor está diseñado para evitar que la bobina de arranque se queme. Tiene un torque de arranque bajo, pero es muy efectivo en su operación. Para aumentar el torque de arranque, algunos de los motores PSC pueden incluir un “fuerte equipo de arranque”, que consiste en un relay de potencia y capacitor de arranque. Se usan mucho en motores que accionan ventiladores.

Desde hace algún tiempo, el desarrollo de materiales cerámicos o de resistores con coeficientes de temperatura positiva (PTCR, por sus siglas en inglés Positive Temperature Coefficient Resistors), ha permitido el uso de tecnología de estado sólido o “solid state” para aumentar el torque de arranque de los motores PSC, en lugar del “fuerte equipo de arranque”. Mostramos esquema de un motor PSC:

BOBINA DE MARCHA

Hay mucho más que tratar sobre los capacitores, pero en éste artículo solo estamos hablando sobre lo básico.