Simulación del campo magnético y relación par-velocidad de un motor de inducción monofásico de jaula de ardilla: un enfoque experimental y mediante el método de elementos finitos (FEM)

Abstract

Este estudio presenta una investigación detallada de las características par-velocidad de un motor de inducción monofásico con jaula de ardilla (SPSCIM) WEG de 1/2 hp, 110/220 V a 60 Hz. El objetivo principal fue obtener el circuito equivalente del motor y validar sus curvas de desempeño mediante análisis por elementos finitos (FEA), simulación con MATLAB®/Simulink® y pruebas experimentales. Las simulaciones por elementos finitos se realizaron utilizando el software FEMM (Finite Element Method Magnetics) para modelar la distribución del flujo magnético en el estator y el rotor del motor. Con base en las dimensiones y datos de placa del motor, estas simulaciones proporcionaron información esencial sobre el comportamiento electromagnético, incluida la densidad de flujo y los efectos de saturación, aspectos cruciales para predecir con precisión la curva par-velocidad. Para la validación experimental, se efectuaron pruebas en condiciones de circuito abierto y rotor bloqueado utilizando una máquina universal como emulador de carga. Las características par-velocidad se determinaron mediante el método de Suhr y el enfoque clásico, y las curvas resultantes se compararon con mediciones experimentales. El voltaje y la corriente se midieron con medidores AC PZEM-004T y DC PZEM-017, mientras que la velocidad del rotor se monitoreó con un sensor de efecto Hall (A3144). Los resultados mostraron una fuerte concordancia entre las simulaciones FEM, el método de Suhr y los datos experimentales, lo que demuestra la confiabilidad y precisión de los métodos analíticos y de simulación combinados para modelar el desempeño del motor. Las estimaciones mediante los métodos clásico y de Suhr, las simulaciones en Simulink y FEMM arrojaron porcentajes de error bajos, en su mayoría inferiores al 2%. Sin embargo, en la simulación FEMM, la resistencia del rotor presentó un error mayor, alrededor del 20%, debido a la falta de datos sobre el número exacto de espiras, un parámetro modificable que puede corregirse con ajustes posteriores en la simulación. Las curvas par-velocidad obtenidas a diferentes niveles de voltaje mostraron una excelente correlación, lo que confirma la efectividad del enfoque propuesto para caracterizar el comportamiento operativo del motor.