Siempre que algo gira o se mueve con solo presionar un botón, el elemento que genera el movimiento suele ser un Motor Eléctrico. Batidoras, lavadoras, persianas enrollables, puertas de garaje, cintas transportadoras, grúas, ascensores y un sin número de otros dispositivos y máquinas necesitan de un motor eléctrico, y en la mayoría de las ocasiones este motor es un motor de corriente alterna.
Funcionamiento del Motor de Corriente Alterna
El principio de funcionamiento de estos motores se basa en el campo magnético giratorio que crea una corriente alterna trifásica (3 fases) descubierto por Tesla.
Puedes ver si no sabes: Campo Magnético
Primero Oersted descubrió que por un conductor por el que circula una corriente eléctrica se crea alrededor del conductor un campo magnético.
Cuanto más corriente circula por el cable mayor será el campo creado a su alrededor.
Si la corriente es variable, como ocurre en corriente alterna, el campo que genera el cable a su alrededor será también variable.
Si no sabes visita: corriente continua y alterna
Nikola Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica genera un campo magnético giratorio al circular la corriente de cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán diferente (imán con bobina enrollada = electroimán).
Fíjate en la animación de más abajo.
Tenemos las 3 fases A, B y C conectadas a 3 bobinas diferentes, Verde, Roja y Azul y estas enrolladas cada una en un imán (electroimán)
En definitiva, tenemos el estator de un motor eléctrico trifásico.
Al ser corriente alterna la intensidad de la corriente que circulará por las bobinas al conectar las fases será variable en cada fase.
Veamos que sucede con el campo generado en las bobinas por circular por ellas corriente eléctrica.
Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va aumentando hasta llegar a su valor máximo y cada medio ciclo de la onda el campo cambia de sentido.
Si tenemos un campo magnético estático, un imán por ejemplo, dentro de otro campo magnético giratorio, el campo estático girará siguiendo al campo giratorio.
Es decir si metemos un imán que tiene un campo magnético estático dentro del estator anterior, este imán girará siguiendo al campo giratorio trifásico generado.
Imagina 2 imanes enfrentados, uno de ellos sujetándolo en nuestras manos y que giraremos y el otro con un eje que lo atraviese y que pueda girar.
Al enfrentarlos con sus polos opuestos los campos intentarán atraerse y el imán del eje gira.
Si movemos girando el que tenemos en nuestras manos (el campo giratorio), se moverá también el del eje (estático), siguiendo el campo del imán giratorio por su atracción.
Veamos esto con un ejemplo muy sencillo y un campo giratorio manual como el de la siguiente figura.
En la imagen puedes ver un campo externo que manualmente podemos hacer que gire (imán en forma de U invertida), y un imán estático en su interior.
El movimiento giratorio del externo provocará que gire el interno ya que intentará seguirle por la atracción de los polos diferentes que están enfrentados.
La velocidad de giro del campo externo giratorio será la misma que la de rotación del imán interno.
Velocidad de sincronismo se llama, y así son y giran los Motores Síncronos de Corriente Alterna.
El campo giratorio que se produce en el estator (inductor) gira a la misma velocidad que el rotor.
Estos motores tienen el rotor compuestos por imanes permanentes, por ese motivo son síncronos.
El estator es un bobinado de imanes formando electroimanes.
No estudiaremos mucho más este tipo de motores porque no se utilizan prácticamente, salvo en raras excepciones y sobre todo, como ya dijimos antes, como alternadores, pero no como motores.
Pero...¿Y si en lugar de un imán interno tuviéramos un campo magnético inducido?
Pues también girará siguiendo el campo giratorio, pero a menor velocidad.
Veamos por qué.
Recuerda que según Faraday, una espira moviéndose dentro de un campo magnético genera tensión en sus extremos, como si fuera una pila.
La tensión se produce porque corta las líneas del campo magnético, esta es la condición para que se genere tensión en los extremos de la espira, o como ahora veremos, corriente por la espira.
Si en esa espira conectamos una bombilla comenzará a circular corriente eléctrica por la bobina y se encendería la bombilla.
Imagina que la bobina es una pila, cuando no hay nada conectado a la pila en sus bornes tenemos tensión, al conectar la pila a un circuito como el de una bombilla, circula corriente.
Si ponemos en cortocircuito los 2 bornes de la pila se dice que está en cortocircuito y circulará una corriente muy grande.
En el caso de nuestra espira, la corriente que circulará por ella al cortar un campo magnético externo se llama corriente inducida, porque es producida debido al campo magnético que corta la espira al girar.
De igual modo que la pila, podemos poner en cortocircuito nuestra espira y también se generará una corriente por la propia bobina.
Ahora sigamos con nuestro motor.
Si el imán interno de nuestro motor fuera una espira, según Faraday al moverse dentro del campo giratorio producido por el imán externo, en la espira se produciría una tensión en sus extremos.
Si ahora esta espira la ponemos en cortocircuito, se produce una corriente inducida en la espira, y como ya sabemos por Oersted, al circular esta corriente inducida por la espira, en la espira se crea un campo magnético.
Ya tenemos nuestros dos campos magnéticos, uno giratorio (en este caso manual) y otro estático e inducido por la corriente inducida en la espira.
Mientras giremos el campo externo, la espira girará siguiendo al campo externo.
En este caso la espira girará un poco más lento que el campo giratorio externo, ya que si girasen a la misma velocidad la espira no cortaría las líneas del campo giratorio y no se produciría corriente inducida en ella.
Conclusión, si girase a la misma velocidad el motor se pararía.
Estos motores son los llamados Motores Asíncronos de Corriente Alterna, que estudiaremos más detalladamente a continuación y que son prácticamente todos los que se utilizan hoy en día.
Ya sabemos el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna.
Pero para tener nuestro motor definitivo el problema será como crear el campo giratorio con corriente alterna y no manualmente.
Eso será lo que veremos a continuación, pero antes veamos que tipos de motores de corriente alterna podemos encontrarnos.
Tipos de Motores de Corriente Alterna
En la siguiente imagen puedes ver una clasificación de los motores de corriente alterna.
Motores de Corriente Alterna Asíncronos
Todos los motores de corriente alterna asíncronos, ya sean monofásicos o trifásicos, tienen dos partes diferenciadas:
- El estator: Es la parte fija del motor.
Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras.
Los bobinados están dispuestos en dichas ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red a la que se conectará la máquina.
En los motores trifásicos 3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por bobina), pero en lo monofásicos necesitamos 2 en lugar de uno por el problema del arranque del motor como luego veremos.
Esta parte es la que creará el campo magnético giratorio, por eso se llama Inductor, ya que inducirá una corriente en la otra parte, o lo que es lo mismo inducirá el movimiento.
- El rotor: Es la parte móvil del motor.
Esta situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado eléctrico.
Los tipos más utilizados son: Rotor de jaula de ardilla y Rotor bobinado.
También se llama inducido porque es donde se inducirá las tensiones, corrientes y por lo tanto el movimiento de nuestro motor.
El rotor en jaula de ardilla es rotor con una serie de barras de aluminio o cobre (conductores) a su alrededor y unidas en cortocircuito por dos anillos en sus extremos.
El de rotor bobinado es un rotor con bobinas a su alrededor.
Fíjate en la imagen.
Motores Trifásicos
Son motores eléctricos alimentados por un sistema trifásico de corrientes (3 fases).
Son los motores más usados, ya que en estos motores no tenemos el problema del arranque como en los monofásicos.
Según lo estudiado al principio para los motores en alterna, si creamos un campo giratorio en el estator, y en el rotor creamos otro campo magnético, el campo magnético del rotor seguirá al campo giratorio del estator, girando el rotor y por lo tanto el motor.
Si tuviéramos un motor con un estator con solo 3 espiras y cada espira la alimentamos con una fase diferente, resulta que tendremos 3 campos generados diferentes en cada momento y variables con el tiempo.
Recuerda que las fases están desfasadas 120º, como muestra la imagen de más abajo.
La interacción de los 3 campos que producen las 3 fases crea un campo magnético giratorio en el estator del motor.
En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por L2 y L3 y uno positivo creado por L1 y que al tener la corriente el valor máximo será el campo máximo que puede crear L1.
La suma vectorial de los 3 campos nos da el vector de color negro dentro del motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos serán negativos.
La suma de los 3 dan como resultado el vector en esa posición. Se puede comprobar como ha girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos.
El vector del campo y el campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas.
Este campo giratorio, además cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una corriente inducida ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán otro campo magnético en el rotor.
El campo magnético creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator.
El campo del rotor es contrario al del estator, ya que según un físico llamado "Lenz" en su ley dice:
Ley de Lenz: las fuerzas electromotrices (tensiones) inducidas, como las que se inducen en el rotor y luego producen corrientes, tienen un sentido tal que sus efectos tienden a oponerse a la causa que las produce.
Es decir, se oponen a que les corte el campo giratorio y por eso le siguen, para intentar que no le corten líneas de este campo.
Además serán el campo giratorio externo tendrá los polos opuestos que el interno del rotor, por lo que se verá rechazado "empujado" y girará.
Gira el rotor porque es algo parecido a como anteriormente explicamos con dos imanes, uno en nuestras manos y otro con un eje que puede girar.
Recuerda que son 2 campos magnéticos, uno dentro de otro, uno giratorio y el otro creado fijo pero sobre un rotor que puede girar.
De hecho si el rotor solo fuera una chapa magnética o un imán con campo fijo, esta se vería atraída por el campo giratorio y también giraría.
Pero recuerda, en este caso sería un motor síncrono trifásico, como el de la figura de abajo.
Es mejor tener el rotor bobinado (espiras) para que se creen en el unas corrientes inducidas al cortar las líneas de campo del estator y el campo producido sea mayor y el motor tenga más fuerza.
Este sería el motor asíncrono trifásico.
Se llaman Motores Asíncronos porque la velocidad de giro del campo del estator es un poco mayor que la del campo generado en el rotor.
Tienen lo que se conoce por deslizamiento, debido a las pérdidas por rozamiento y que además, si las velocidades fueran iguales no se produciría corrientes inducidas en el rotor, ya que las líneas de campo magnético generadas en el estator no cortarían las bobinas del rotor.
Estos motores asíncronos arrancan sin ayuda, pero es necesario controlar la corriente y tensiones producidas en el rotor en el arranque ya que pueden ser muy elevadas.
Recuerda que están en cortocircuito, por eso suele hacerse el arranque con las conexiones estrella-triángulo.
Motor Monofásico
Los motores monofásicos son alimentados por una corriente alterna senoidal de una sola fase y el neutro, lo que provoca que el campo creado por la bobina del estator sea variable pero de una solo dirección.
Al no ser un campo giratorio el creado por una sola fase, el motor no gira al intentarlo arrancar.
Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico.
Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque y por tanto no podría vencer en vacío ni sus propios rozamientos.
Esto es lógico porque un devanado monofásico recorrido por una corriente alterna monofásica, no produce el campo giratorio necesario.
Para provocar un campo giratorio se crean unas corrientes bifásicas en el estator (dos fases) desfasadas 90º.
Esto se consigue añadiendo un devanado (bobinado) auxiliar alimentado con la misma fase, pero con un condensador en serie.
El condensador desfasa la fase 90º en el devanado auxiliar.
El devanado auxiliar se coloca en otro par de polos, con lo estos motores suelen tener 4 polos.
Ahora imagina que el motor esté ya girando a sus revoluciones por minuto (rpm) nominales, por ejemplo 1.000rpm.
Si desconectamos el devanado auxiliar y el condensador el motor sigue girando sin problemas a sus 1.000rpm y no se para.
Esto es porque el rotor, como está girando y por inercia, el campo creado le ayuda a seguir girando si pararse.
La desconexión del devanado auxiliar u el condensador se hace con un interruptor centrífugo.
Conclusión: los motores monofásicos de corriente alterna necesitan una ayuda para arrancar, pero una vez arrancado ya no necesita la ayuda inicial.
Fíjate en la curva par velocidad como aumenta el par en el motor cuando ponemos el devanado auxiliar con el condensador.
Este tipo de motores se llaman "Motores de Fase Partida".
Hay otro tipo de motores monofásicos llamados de Espira en Cortocircuito, Espira de Sombra o Espira de arranque.
Son motores para potencias inferiores a 300w y puede arrancarse directamente por si mismo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito.
El sistema consiste en dividir los polos en dos partes desiguales y en una de ellas colocar una espira en cortocircuito.
Fíjate en la siguiente imagen en la que puedes ver los 2 tipos de motores monofásicos.
