Motor de corriente alterna
Se
denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte
una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un
motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de
la acción mutua de los campos magnéticos.
Un generador
eléctrico, por otra
parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le
puede llamar una máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas son el
generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este
último más correctamente llamado alternador.
Todos
los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para
producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar
las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de
los motores y generadores es el alternador.
Motores universales
Los motores universales
trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal motor,
llamado universal, se utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de
cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se
requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeñas fuerzas. Estos motores
para corriente alterna y directa, incluyendo los universales se distinguen por
su conmutador devanado y las escobillas. Los componentes de este motor son: Los
campos (estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas
(las cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico es muy simple, tiene
solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está conectado
en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la
inercia cuando está en reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero
tiene una dificultad, y es que no está construido para uso continuo o
permanente.
Otra dificultad de los
motores universales son las emisiones electromagnéticas. Las chispas del
colector (chisporroteos) junto con su propio campo magnético generan
interferencias o ruido en el espacio radioeléctrico. Esto se puede reducir por
medio de los condensadores de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las
escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta a masa.Estos motores tienen
la ventaja de que alcanzan grandes velocidades pero con poca fuerza. Existen
también motores de corriente alterna trifásica que funcionan a 380 V y a otras
tensiones.
Motores asíncronos
El motor asíncrono trifásico
está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla;
b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras.
Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º en el espacio.
Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de
corrientes trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de
120º, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo
magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de
inducción de Faraday:
Entonces se da
el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una
corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que
lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó
efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo
magnético se induce una tensión. El campo magnético giratorio, a velocidad de
sincronismo, creado por el bobinado del estátor, corta los conductores del
rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción. La acción
mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del
rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor,
las cuales hacen girar el rotor del motor. La diferencia entre las velocidades
del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.
Motores síncronos
Implicando, se
puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se
excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina
del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del
rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo
completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo
en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La
máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.
Para generar el
campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se
realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un
pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él.
Se mencionó anteriormente que para obtener un par constante en un motor
eléctrico, es necesario mantener los campos magnéticos del rotor y del estator
constantes el uno con relación al otro. Esto significa que el campo que rota
electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el
rotor se deben alinear todo el tiempo.
La única condición
para que esto ocurra consiste en que ambos campos roten a la velocidad
sincrónica:
Es decir, son
motores de velocidad constante.
Para una máquina
sincrónica de polos no salientes (rotor cilíndrico), el par se puede escribir
en términos de la corriente alterna del estator, , y de la corriente continua del rotor, :
donde 
es el ángulo entre los campos del estator y del
rotor
es el ángulo entre los campos del estator y del
rotor
El rotor de un
alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo
de c-a. Debe girar 60 veces por segundo (si la frecuencia fuera de 60 Hz), o
3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600
rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un
motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuará
girando como un motor síncrono.
Su velocidad de
sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de
sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un
motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad. Si
la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad,
pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren
todos una excitación de c-c para el campo (o rotor), así como una excitación de
c-a para el estator.
Se puede
fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor
tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el
reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se
mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca el tiempo exacto. No
es importante la precisión en la amplitud de la tensión.
Motores de jaula de ardilla
La mayor parte
de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más
compactos y tienen un núcleo de hierro laminado.
Los conductores
longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas
terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto
conectado por las dos piezas circulares de los extremos. Cuando este rotor está
entre dos polos de campos electromagnéticos que han sido magnetizados por una
corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla,
una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que
contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos
estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así
permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo.
Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.
Cuando el campo
se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de
jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales
que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos
juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca
diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos de campo de fases
distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo
magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se
consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los
arrollamientos de fases distintas.
Con ello se
puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta
sobre el campo magnético del devanado principal.
Desplazamiento
real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente,
atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos,
haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.
El devanado de
fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de
un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una
velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el
devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase
partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la
que sería la velocidad de sincronismo.
Si la velocidad
de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta
carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor,
más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de
fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un
rendimiento aproximado del 75%.
Otro modo de
producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo
magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los
polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes
del polo.
Mientras la
corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el
campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre.
Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el
magnetismo en la parte del polo donde se halla él.
En este momento
se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo
en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el
campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre.
Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo. Mientras la
corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo
máximo en la parte sombreada del polo.
De esta forma el
campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de
los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del
máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el
rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de
polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100. Una de
las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla,
particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos
colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias
cuando se utilizan tales motores. Estos motores también son utilizados en la
industria. El mantenimiento que se hace a estos motores es fácil.
