Contexto
La enorme importancia de la energía en el mundo actual no debe inducirte a pensar que su uso sea algo exclusivo de las economías modernas, pues desde tiempos remotos el hombre ha sabido utilizar, además de su propio esfuerzo físico, el de algunos animales domésticos para obtener energía mecánica.
El principio básico de los motores es la conversión de energía. Para poder realizar algún trabajo que resulte útil, es necesario convertir la energía eléctrica a energía mecánica. Es importante conocer el proceso mediante el cual un motor de inducción convierte la energía eléctrica entregada a energía mecánica en su flecha de salida para poder realizar algún trabajo, también su circuito equivalente y lo que representa cada uno de sus elementos.
Pregunta detonadora o de reflexión:
Explicación
En la Figura 1 que se muestra a continuación, podrás observar un típico motor de inducción como el que podrás encontrar realizando una infinidad de funciones en la industria de manufactura automotriz. En algunos autos eléctricos para la propulsión del vehículo se monta una máquina asincrónica trifásica que funciona como motor y también como alternador, la electrónica de potencia transforma la corriente continua de la batería de alto voltaje en una corriente alterna de tres fases para la alimentación del motor eléctrico.
Figura 1. Motor de Inducción
A simple vista, lo único que puedes observar es la carcasa del motor, y la flecha de salida. En base a esto no puedes hacer inferencias sobre su funcionamiento, así que analiza las partes internar del motor y observa cómo están relacionadas a su proceso de conversión de energía.
Figura 2. Estator y rotor
La figura muestra un motor de inducción desarmado. En la figura podrás observar la parte inmóvil del motor, la que está unida a la carcasa. Esta parte se conoce como estator. El estator es la parte del motor de inducción que recibe las conexiones eléctricas y donde se genera el campo magnético rotatorio que habrá de generar el movimiento. Podrás observar que hay un gran número de conductores de cobre en el estator. Estas tienen el nombre de bobinas o devanados. Estos conductores forman espiras alrededor del espacio circular central. La función del estator es generar un campo magnético rotatorio que, por el principio de inducción hará que el rotor empiece a girar.
En la parte derecha de la figura 2 observarás el segundo componente principal del motor de inducción, el rotor. Como su nombre sugiere, es la parte del motor que rota, es decir, tiene movimiento circular y está acoplada a la flecha de salida del motor. Podrás observar con más detalle la construcción del rotor en la figura 3.
Figura 3. Rotor
El rotor es la parte móvil del motor. Su construcción puede ser sólida, o puede ser también un devanado, como se muestra en la figura 3. En cualquier caso, su funcionamiento es igual. El campo magnético del estator, mediante el principio de Faraday, induce un potencial eléctrico (voltaje) en los conductores del rotor, que al estar en corto circuito, ocasiona una corriente en los mismos. Esta corriente a su vez, induce un campo magnético propio del rotor (de acuerdo a la ley de Ampere), y este campo magnético se acopla al campo magnético del estator. El campo magnético del rotor “persigue” al campo magnético del estator, y esto es lo que ocasiona que el rotor gire, y por tanto, se pueda obtener trabajo de la flecha del motor. Recuerda que la flecha del motor está inevitablemente acoplada al rotor, es parte del mismo.
Entre el estator y el rotor, es evidente que debe existir un espacio de aire para que el rotor pueda girar, si este espacio no existiera, el rotor y el estator serían una misma pieza y el motor no podría girar. Este espacio se conoce como entrehierro.
Esa es la totalidad de los componentes del motor de inducción. Es una máquina muy simple que no tiene partes móviles que se rocen, ni componentes mecánicos adicionales. Es por esto que el mantenimiento requerido es mínimo, y su probabilidad de fallo es poca. Esta es la principal razón de que su uso sea tan popular
Tanto el estator como el rotor no son de construcción sólida (una sola pieza) sino que están construidos de laminaciones muy delgadas para minimizar las pérdidas magnéticas asociadas a la histéresis y a las corrientes de Eddy. Esto permite que las máquinas operen con una mayor eficiencia y generando una menor cantidad de calor.
De acuerdo al principio de inducción de Faraday, un conductor que se encuentra dentro de un campo magnético cambiante, experimenta un potencial eléctrico inducido en sus terminales. Esta es la principal razón del nombre de esta máquina eléctrica, opera por el principio de inducción electromagnética. La magnitud de la tensión inducida depende de la magnitud del campo magnético, y de la frecuencia de cambio del mismo.
De acuerdo al principio de la ley de Ampere, un conductor por el cual circula corriente, tiene un campo magnético asociado. La magnitud de este campo magnético es proporcional a la corriente que circula a través de él.
De acuerdo a la ley de Lorentz, un conductor que porta corriente, y que se encuentra dentro de un campo magnético cambiante experimenta una fuerza sobre el mismo. La fuerza es entonces proporcional a la magnitud del campo magnético, a la magnitud de la corriente que circular por el conductor y a la longitud del conductor.
Una fuerza aplicada con un radio de giro, sobre un elemento que tiene libertad de giro alrededor de un eje, genera un par de torsión. El par torsional es proporcional a la fuerza aplicada y al radio sobre el cual se aplica la fuerza en relación al punto de giro.
Teniendo en cuenta todos estos principios, puedes deducir el funcionamiento del motor de inducción de manera sencilla.
Figura 4. Estator
La figura 4 muestra la construcción del estator de un motor de inducción. Estas máquinas pueden ser monofásicas o trifásicas. El principio de funcionamiento es el mismo en ambos casos. Al aplicarle una tensión senoidal a los devanados del estator, empezará a fluir por los mismos una corriente proporcional al voltaje aplicado. Esta corriente, de acuerdo a la ley de Ampere, ocasionará un campo magnético proporcional a la magnitud de la corriente. Debido a la distribución de los devanados alrededor del estator, el campo magnético resultante será rotacional. Una forma sencilla de visualizarlo, es imaginándose un imán de barra, con sus polos norte y sur, girando dentro del estator. Si tomas únicamente el estator de un motor de inducción, y alimentas una tensión senoidal en sus terminales y pones dentro una pequeña canica de acero esta empezará a girar dentro del estator.
Observando la figura 5, la construcción del rotor es muy parecida a la del estator, ya que son una serie de devanados que están en corto circuito.
Figura 5. Devanados de un motor de inducción
En esta figura puedes observar un corte transversal del rotor y del estator. El rotor está compuesto por una serie de devanados de cable que están dispuestos alrededor de la periferia del rotor y en sus terminales se encuentran unidos con un corto circuito. Esta construcción se parece a una de las jaulas donde se ejercitan los roedores, y por tanto se le conoce muy comúnmente como rotor de jaula de ardilla (squirrel cage rotor). El rotor también puede tener una construcción sólida y su principio de operación es exactamente el mismo.
Ahora, considerando que el rotor se encuentra dentro del estator, es un conductor que está dentro de un campo magnético cambiante. Según el principio de inducción de Faraday, el campo magnético induce un potencial en el conductor que está dentro del campo. Este potencial depende de la magnitud del campo y de la frecuencia de cambio del mismo. Como las terminales de estos conductores están cortocircuitadas, el potencial dará origen a una corriente. Esta corriente circula por los devanados del rotor.
Nuevamente, la corriente en los devanados del rotor dará origen a un campo magnético propio del rotor. Este campo magnético estará “persiguiendo” al campo magnético del estator pero siempre tendrá un ligero retraso con respecto al mismo. Si los dos campos magnéticos giraran a la misma velocidad, la inducción en el rotor sería cero y por tanto el motor no podría girar.
En los motores de inducción, el rotor tendrá una velocidad de giro ligeramente menor a la velocidad de giro del campo magnético producido por el estator. Esta diferencia en velocidades de giro se
De acuerdo a la ley de Lorentz, el rotor (conductor) que tiene una corriente circulando a través de él, y al estar inmerso en un campo magnético (del estator) experimentará una fuerza. Esta fuerza se produce tangencial a la circunferencia del rotor. Esta fuerza tangencial, aplicada en la periferia del rotor, ocasionará un par rotacional y por ende, el rotor empezará a girar. Si el par rotacional incrementa (la carga en la flecha incrementa) la corriente necesaria para inducir ese par será mayor, y por tanto el motor demandará una corriente mayor.
A mayor carga en la flecha del motor, mayor corriente en el estator.
Un circuito equivalente del motor de inducción es exactamente igual al circuito equivalente de un transformador, ya que la operación de ambas máquinas es idéntica en principio. La figura 6 muestra el dicho circuito.
Figura 6. Circuito equivalente de un motor
Imagen obtenida de http://homepages.engineering.auckland.ac.nz/~kacprzak/Image56.gif solo para fines educativos
La diferencia es que un transformador es una máquina estática, y el motor es una máquina rotacional. El transformador tiene como entrada potencia eléctrica, y su salida es potencia eléctrica. El motor tiene una entrada de potencia eléctrica y tiene una salida de potencia mecánica.
Es importante hacer notar que todos estos valores (excepto jXm) se busca que sean lo más pequeños posibles, para maximizar el flujo producido por el estator y el rotor y obtener un funcionamiento más eficiente y menores pérdidas.
Los valores de jXm y R están sujetos a otras consideraciones y forman parte del punto de operación deseado del motor.
¿Cómo se puede lograr esto?
Cierre
Cualquier aparato compuesto por un motor eléctrico transformará la energía eléctrica en energía mecánica. El motor eléctrico es la máquina eléctrica que transforma energía eléctrica en energía mecánica a través de interacciones electromagnéticas.
Revisa a continuación el Checkpoint:
Asegúrate de comprender
Revisa un glosario del curso aquí.
Referencias
Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill. Interamericana Editores S.A de C.V. ISBN: 9786071507242