Motor bifásico frente a motor trifásico: comparación de par, cableado, eficiencia y costos

Se solicita presupuesto para un accionamiento de bomba de 2,2 kW y se devuelve como dos máquinas diferentes. Un proveedor propone un paquete de dos fases: un juego de bobinado en cuadratura de 90 grados, un amplificador adaptado y cuatro conductores de potencia en la lista de materiales. El otro propone un motor de inducción trifásico que se atornilla directamente al variador de frecuencia que ya se encuentra en el panel. Ambos harán girar la bomba. Sólo una de ellas seguirá pareciendo la decisión correcta cuando la máquina entre en producción en serie.

Parte de la confusión está en los nombres. "Bifásico" se utiliza para tres cosas diferentes en la mesa de dibujo: una verdadera máquina bifásica con dos devanados separados 90 grados, un servomotor o motor paso a paso bifásico con un devanado de referencia y un devanado de control, y el devanado auxiliar de lo que en realidad es un motor de inducción monofásico. Los proveedores utilizan la misma etiqueta para los tres, y ahí es donde comienzan los costosos errores de especificación.

Lo que realmente separa un motor bifásico de un motor trifásico

La diferencia comienza en el devanado, no en la placa de identificación. Un estator trifásico lleva tres devanados idénticos desplazados 120 grados eléctricos. Alimentada con corrientes equilibradas, la fuerza magnetomotriz resultante mantiene una magnitud constante y gira a velocidad sincrónica, razón por la cual el par trifásico se mantiene uniforme bajo carga. Un verdadero estator bifásico lleva dos devanados desplazados 90 grados, y cuando ambos son accionados con corrientes equilibradas también produce un campo giratorio constante.

Por lo tanto, el sistema bifásico no es automáticamente más rugoso que el trifásico. La rugosidad aparece cuando el suministro en cuadratura se desequilibra: el campo se vuelve elíptico, el flujo del entrehierro pulsa y el par se ondula al doble de la frecuencia de deslizamiento. Una red de condensadores mantiene la relación de 90 grados en un solo punto de operación, razón por la cual un motor bifásico necesita un servoaccionamiento una vez que varía la carga.

¿Qué cambia el recuento de fases en el hardware?

• Trifásico, tres hilos: tres conductores de línea transportan la carga del motor y no se necesita neutro, por lo que el cable, los terminales y los contactores siguen siendo más pequeños.
• Bifásico, cuatro hilos: cuatro conductores y cuatro terminales, con aproximadamente un 25% más de cobre en el cable de alimentación para la misma potencia.
• Potencia por conductor: con la misma sección transversal del conductor y el mismo voltaje entre líneas, un circuito trifásico de tres hilos mueve aproximadamente 1,2 veces la potencia de un circuito bifásico de cuatro hilos.
• Arranque: un motor trifásico arranca automáticamente con alimentación directa, mientras que un motor bifásico necesita una alimentación en cuadratura, una red de condensadores o un accionamiento electrónico.

Ambos diseños se asientan sobre la misma base: un estator laminado y un núcleo de rotor. El número de ranura, la inclinación, la longitud de la pila y el método de unión de laminación deciden la ondulación del par medido en el banco de pruebas, y la misma herramienta de prensa sirve para cualquier disposición de bobinado. Esa superposición es la razón por la que las especificaciones centrales suelen ser más importantes que la etiqueta de fase en las primeras revisiones de diseño.

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Motores bifásicos versus motores trifásicos: una comparación lado a lado

La siguiente comparación describe el suministro balanceado de dos fases y el suministro trifásico, respectivamente. El funcionamiento desequilibrado en dos fases degrada cada cifra de la columna de la derecha.

Métricas ocultas: dónde el recuento de fases realmente cuesta dinero

El poder de la placa de identificación oculta la mayor parte de la diferencia. Los cinco índices siguientes colocan un motor bifásico equilibrado junto a un motor trifásico de la misma potencia nominal en una escala compartida donde trifásico equivale a 100. Son puntos de referencia relativos de la práctica típica de laminación y bobinado, no medidas absolutas.

La disponibilidad de unidades es donde las dos fases pierden más terreno. Los variadores de frecuencia estándar, los arrancadores suaves y los contactores directos en línea suponen una salida trifásica, y un eje bifásico necesita un amplificador adaptado o una red de condensadores que mantenga la relación de 90 grados sólo cerca de la velocidad nominal. La compacidad del marco sigue la misma lógica: un devanado trifásico distribuye el cobre alrededor de toda la circunferencia del estator, por lo que un marco determinado transmite más torque antes de que los devanados se saturen.

La calidad del material mueve estos números tanto como lo hace el recuento de fases. La pérdida del núcleo, el espesor de la laminación y la calidad del recubrimiento cambian la pérdida de hierro en ambas topologías, y un acero con menores pérdidas a menudo recupera más eficiencia que un cambio de fase en el mismo tamaño de estructura. Las compensaciones materiales se establecen en esta guía para selección de bobina de acero al silicio .

El método de apilamiento es la segunda palanca. Los núcleos entrelazados, unidos con adhesivo y soldados difieren en el factor de apilamiento y en el riesgo de cortocircuitos entre laminaciones, lo que se manifiesta como una pérdida adicional por remolinos y, en ejes sensibles, como una ondulación del par medible a baja velocidad. Para trabajos de posicionamiento donde la ondulación es el factor limitante, una pila entrelazada proporciona una altura de construcción repetible sin tiempo de curado de la unión.

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Dónde aún se especifica cada topología

Una visión aproximada de lo que pasa hoy por las prensas de laminación y las líneas de soldadura de marcos se parece al cuadro siguiente. Trátelo como una combinación de pedidos de un proveedor de componentes en lugar de como una investigación de mercado.

La demanda de dos fases se concentra en el posicionamiento: servoejes, controladores paso a paso, instrumentos ópticos y médicos y gabinetes de control antiguos que nunca fueron recableados. La producción rara vez excede unos pocos kilovatios y el motor generalmente lo elige el proveedor del variador y no el fabricante de la máquina.

Trifásico toma todo lo que funciona de forma continua o a alta potencia. Los generadores de turbinas eólicas, la propulsión marina y los motores industriales de alto voltaje utilizan devanados trifásicos, y el lado mecánico es igualmente indiferente al recuento de fases: un marco tipo caja soldado con la ruta de enfriamiento adecuada, interfaz de montaje y protección contra la corrosión sirve a la máquina en ambos sentidos, como en estos bases de motor tipo caja soldadas industriales .

Guía de selección: cinco comprobaciones antes de comprometerse

Trabaje con estos en orden. Los tres primeros suelen liquidar el recuento de fases antes de que el precio entre en discusión.

Notas de mantenimiento, cumplimiento y suministro a largo plazo

El recuento de fases cambia el diseño eléctrico, pero las tareas de mantenimiento y cumplimiento que siguen a la puesta en servicio de una máquina son en gran medida compartidas:

• Desequilibrio de voltaje: los motores trifásicos toleran aproximadamente un desequilibrio de 1 a 2 por ciento antes de que la corriente de secuencia negativa caliente el rotor y fuerce la reducción de potencia. Desequilibrio de registros durante la puesta en servicio y después de cualquier modificación del panel.
• Aislamiento y clase térmica: verifique el aumento de temperatura con respecto a la clase de aislamiento, especialmente en marcos servo compactos de dos fases donde el devanado corre más cerca de su límite térmico.
• Voltaje del eje bajo PWM: las corrientes de modo común de los variadores de frecuencia pueden acanalar los rodamientos con el tiempo. Los cierres aislados de los extremos de los cojinetes en el extremo que no es de accionamiento son una solución estándar para motores servo de dos fases y motores de accionamiento trifásicos.
• Estructuras soldadas: los marcos producidos bajo un sistema de gestión de calidad de soldadura como ISO 3834 llevan un control de proceso documentado, lo cual es importante para aplicaciones marinas y eólicas donde se audita la integridad de la soldadura y la protección contra la corrosión.
• Sistemas de gestión: la cobertura de ISO 9001 e IATF 16949 le indica al equipo de adquisiciones que el material entrante, los parámetros del proceso y la inspección final siguen una ruta documentada. Solicite el alcance del certificado, no solo el certificado.

Cualquiera que sea la fase en la que se establezca un proyecto, la cadena de suministro mecánica y magnética apenas cambia. El acero al silicio, las laminaciones, los núcleos apilados, los marcos soldados y los cierres finales sirven a un eje de dos fases y a un tren de transmisión trifásico con la misma disciplina de proceso. Establecer esas especificaciones durante la revisión del diseño siempre es más barato que descubrirlas durante el ensamblaje del prototipo.