Principio de funcionamiento del motor de inducción

El motor de inducción es una máquina eléctrica de CA que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El motor de inducción se utiliza ampliamente en diversas aplicaciones, desde electrodomésticos básicos hasta industrias pesadas. La máquina tiene tantas aplicaciones que son difíciles de contar y se puede imaginar la escala sabiendo que casi el 30% de la energía eléctrica generada a nivel mundial es consumida por los propios motores de inducción. Esta asombrosa máquina fue inventada por el gran científico Nikola Tesla y esta invención ha alterado permanentemente el curso de la civilización humana.

Aquí hay algunas aplicaciones de motores de inducción monofásicos y trifásicos que podemos encontrar en la vida diaria.

Aplicaciones de los motores de inducción monofásicos:

• Ventiladores eléctricos en el hogar
• Maquinas perforadoras
• Zapatillas
• Muelas
• Juguetes
• aspiradora
• Ventiladores de escape
• Compresores y afeitadoras eléctricas

Aplicaciones de los motores de inducción trifásicos:

• Industrias de pequeña, mediana y gran escala.
• Ascensores
• Grúas
• Conducción de máquinas de torno
• Molinos de extracción de aceite
• Brazos robóticos
• Sistema de cinta transportadora
• Trituradoras pesadas

Los motores de inducción vienen en muchos tamaños y formas con características relativas y clasificaciones eléctricas. Varían de unos pocos centímetros a unos pocos metros de tamaño y tienen una potencia nominal de 0,5 a 10000 CV. El usuario puede elegir el más apropiado del océano de modelos para satisfacer su demanda.

Ya hemos discutido los fundamentos de los motores y su funcionamiento en el artículo anterior. Aquí discutiremos en detalle la construcción y el funcionamiento del motor de inducción.

Principio de funcionamiento del motor de inducción

Para comprender el principio de funcionamiento de un motor de inducción, consideremos primero una configuración simple como se muestra en la figura.

Aquí,

• Se toman dos núcleos de hierro o ferrita de igual tamaño y se suspenden en el aire a distancia.
• Un alambre de cobre esmaltado se enrolla en el núcleo superior seguido por el inferior y se toman dos extremos a un lado como se muestra en la figura.
• El núcleo aquí actúa como un medio para transportar y concentrar el flujo magnético generado por la bobina durante el funcionamiento.

Ahora, si conectamos una fuente de voltaje alterno en los dos extremos del cobre, tendremos algo como a continuación.

Durante el ciclo positivo de CA:

Aquí, durante el primer medio ciclo, el voltaje positivo en el punto 'A' pasará gradualmente de cero a máximo y luego volverá a cero. Durante este período, el flujo de corriente en el devanado se puede representar como.

Aquí,

• Durante el ciclo positivo de la fuente de alimentación de CA, la corriente en ambos devanados aumenta gradualmente de cero a máximo y luego regresa gradualmente de máximo a cero. Esto se debe a que, de acuerdo con la ley de Ohm, la corriente en un conductor es directamente proporcional al voltaje terminal, y lo discutimos muchas veces en artículos anteriores.
• Los devanados están enrollados de manera que la corriente en ambos devanados fluya en la misma dirección, y podemos ver lo mismo representado en el diagrama.

Ahora recordemos una ley llamada ley de Lenz que estudiamos antes antes de seguir adelante. Según la ley de Lenz, ' Un conductor que lleva una corriente generará un material magnético lleno alrededor de su superficie',

y si aplicamos esta ley en el ejemplo anterior, entonces cada bucle generará un campo magnético en ambas bobinas. Si sumamos el flujo magnético generado por toda la bobina, obtendrá un valor considerable. Todo este flujo aparecerá en el núcleo de hierro cuando la bobina se enrolle en el cuerpo del núcleo.

Por conveniencia, si dibujamos las líneas de flujo magnético concentradas en el núcleo de hierro en ambos extremos, tendremos algo como a continuación.

Aquí puede ver las líneas magnéticas concentrarse en los núcleos de hierro y su movimiento a través del espacio de aire.

Esta intensidad de flujo es directamente proporcional a la corriente que fluye en bobinas enrolladas en ambos cuerpos de hierro. Entonces, durante el semiciclo positivo, el flujo va de cero a máximo y luego se atenúa de máximo a cero. Una vez completado el ciclo positivo, la intensidad del campo en el entrehierro también llega a cero y después de esto, tendremos un ciclo negativo.

Durante el ciclo negativo de CA:

Durante este ciclo negativo de la tensión sinusoidal, la tensión positiva en el punto 'B' pasará gradualmente de cero a máximo y luego volverá a cero. Como es habitual, debido a este voltaje, habrá un flujo de corriente y podemos ver la dirección de este flujo de corriente en los devanados en la figura siguiente.

Dado que la corriente es linealmente proporcional al voltaje, su magnitud en ambos devanados aumenta gradualmente desde cero hasta el máximo y luego desciende desde el máximo hasta cero.

Si consideramos la ley de Lenz, entonces aparecerá un campo magnético alrededor de las bobinas debido al flujo de corriente similar al caso estudiado en el ciclo positivo. Este campo se concentrará en el centro de los núcleos de ferrita como se muestra en la figura. Dado que la intensidad del flujo es directamente proporcional a la corriente que fluye en las bobinas enrolladas en ambos cuerpos de hierro, este flujo también pasará de cero a máximo y luego se atenuará de máximo a cero siguiendo la magnitud de la corriente. Aunque esto es similar a un ciclo positivo, hay una diferencia y esa es la dirección de las líneas del campo magnético. Puede observar esta diferencia en la dirección del flujo en los diagramas.

Después de su ciclo negativo, viene un ciclo positivo seguido de otro ciclo negativo y continúa así hasta que se elimina el voltaje sinusoidal de CA. Y debido a este ciclo de intercambio de voltaje, el campo magnético en el centro de los núcleos de hierro sigue cambiando tanto en magnitud como en dirección.

En conclusión, al usar esta configuración,

• Hemos desarrollado un área concentrada de campo magnético en el centro de los núcleos de hierro.
• La intensidad del campo magnético en el espacio de aire sigue cambiando tanto en magnitud como en dirección.
• El campo sigue la forma de onda de voltaje sinusoidal de CA.

Ley de Faraday de inducción electromagnética

Esta configuración que hemos discutido hasta ahora es la más adecuada para realizar la ley de inducción electromagnética de Faraday. Esto se debe a que un campo magnético en constante cambio es el requisito más básico e importante para la inducción electromagnética.

Estamos estudiando esta ley aquí porque el motor de inducción funciona según el principio de la ley de inducción electromagnética de Faraday.

Ahora, para estudiar el fenómeno de la inducción electromagnética, consideremos la siguiente configuración.

• Se toma un conductor y se le da forma de cuadrado con ambos extremos en cortocircuito.
• Una varilla de metal está fijada en el centro del cuadrado conductor que actúa como eje de la instalación.
• Ahora el cuadrado del conductor puede girar libremente a lo largo del eje y se llama rotor.
• El rotor se coloca en el centro del entrehierro para que el circuito del conductor pueda experimentar el campo máximo generado por las bobinas del rotor.

Sabemos, de acuerdo con la ley de inducción electromagnética de Faraday, " cuando un campo magnético variable corta un conductor de metal, entonces se induce un EMF o voltaje en el conductor" .

Ahora, apliquemos esta ley para entender el funcionamiento de un motor de inducción:

• De acuerdo con esta ley de inducción electromagnética, un campo electromagnético debe inducirse en el conductor del rotor colocado en el centro debido al campo magnético cambiante que experimenta.
• Debido a que este EMF inducido y el conductor están en cortocircuito, fluye una corriente en todo el circuito como se muestra en la figura.
• Aquí viene la clave para el funcionamiento del motor de inducción. Sabemos que según la ley de Lenz un conductor portador de corriente genera un campo magnético a su alrededor cuya intensidad es proporcional a la magnitud de la corriente.
• Dado que la ley es universal, el circuito conductor del rotor también debe generar un campo magnético porque la corriente fluye a través de él debido a la inducción electromagnética.
• Si llamamos al campo magnético generado por los devanados del estator y la configuración del núcleo de hierro como flujo principal o flujo del estator. Entonces podemos llamar al campo magnético generado por el bucle conductor del rotor como flujo de rotor.
• Debido a la interacción entre el flujo principal y el flujo del rotor, el rotor experimenta una fuerza. Esta fuerza intenta oponerse a la inducción EMF en el rotor ajustando la posición del rotor. Por lo tanto, experimentaremos un movimiento en la posición del eje en este momento.
• Ahora el campo magnético sigue cambiando debido a la tensión alterna, la fuerza también sigue ajustando la posición del rotor continuamente sin parar.
• Entonces, el rotor sigue girando debido a la tensión alterna y, por lo tanto, tenemos una salida mecánica en el eje o en el eje del rotor.

Con eso, hemos visto cómo debido a la inducción electromagnética en el rotor tenemos una salida mecánica en el eje. Entonces, el nombre dado a esta configuración se llama Motor de inducción.

Hasta ahora, lo que hemos discutido es el principio de funcionamiento del motor de inducción, pero recuerde que tanto la teoría como la práctica son diferentes. Y para el funcionamiento del motor de inducción se necesita una configuración adicional que discutiremos a continuación.

Motor de inducción monofásico

El motor de inducción que funciona con corriente alterna monofásica se denomina motor de inducción monofásico.

La línea eléctrica disponible para nosotros en los hogares es una línea eléctrica monofásica de 240V / 50Hz AC y los motores de inducción que usamos en nuestro día a día en nuestros hogares se denominan motores de inducción monofásicos.

Para comprender mejor el principio de funcionamiento del motor de inducción monofásico, analicemos la construcción del motor de inducción monofásico.

Aquí,

• Tomaremos varios conductores y los montaremos en el eje que gira libremente como se muestra en la figura.
• Además, cortaremos los extremos de todos los conductores con un anillo de metal, creando así múltiples bucles de conductores que hemos estudiado anteriormente.
• Esta configuración del rotor se ve como una jaula de ardilla en un vistazo más de cerca y, por lo tanto, se llama motor de inducción de jaula de ardilla. Aquí echemos un vistazo a la estructura 3D del rotor de jaula de ardilla.

• El estator, que se consideró una pieza de hierro completa, es en realidad un grupo de láminas delgadas de hierro apiladas. Están tan juntos que literalmente no habrá aire entre ellos. Usamos una pila de láminas de hierro en lugar de una sola pieza de hierro por la misma razón que usamos láminas de hierro laminadas en el caso de un transformador de potencia que es para reducir las pérdidas de hierro. Al utilizar el método de apilamiento, reduciremos la pérdida de potencia considerablemente manteniendo el mismo rendimiento.

El funcionamiento de esta configuración es similar a la configuración utilizada para explicar el principio de funcionamiento del motor de inducción.

• Primero, proporcionaremos el voltaje de CA y, debido a este voltaje, la corriente fluye a través del devanado del estator enrollado en los segmentos superior e inferior.
• Debido a la corriente, se genera un campo magnético en los devanados superior e inferior.
• La mayor parte de las láminas de hierro actúa como un medio central para transportar el campo magnético generado por las bobinas.
• Este campo magnético alterno transportado por el núcleo de hierro se concentra en el espacio de aire central debido al diseño estructural intencional.
• Ahora que el rotor se coloca en este espacio de aire, los conductores en cortocircuito fijados en el rotor también experimentan este campo alterno.
• Debido al campo, se induce una corriente en los conductores del rotor.
• Dado que la corriente pasa a través de los conductores del rotor, también se generará un campo magnético alrededor del rotor.
• Tras la interacción entre el campo magnético del rotor generado y el campo magnético del estator, el rotor experimenta una fuerza.
• Esta fuerza mueve el rotor a lo largo del eje y así tendremos movimiento de rotación.
• Dado que el voltaje cambia continuamente el voltaje sinusoidal, el rotor también sigue girando continuamente a lo largo de su eje. Por lo tanto, tendremos una salida mecánica continua para un voltaje de entrada monofásico dado.

Aunque hemos asumido que el rotor girará automáticamente después de que se le dé energía al motor monofásico, ese no es el caso. Dado que el campo generado por un motor de inducción monofásico es un campo magnético alterno y no un campo magnético giratorio. Entonces, al arrancar el motor, el rotor se bloquea en su posición porque la fuerza que experimenta debido a la bobina inferior y la bobina superior será de la misma magnitud y de dirección opuesta. Entonces, al principio, la fuerza neta experimentada por el rotor es cero. Para evitar esto usaremos un devanado auxiliar para el motor de inducción para convertirlo en un motor de arranque automático. Este devanado auxiliar proporcionará el campo necesario para hacer que el rotor se mueva al inicio. El ejemplo de este caso es el ventilador eléctrico que vemos en nuestra vida diaria,que es un condensador de arranque y hace funcionar un motor de inducción con devanado auxiliar conectado en serie con el condensador.

Motor de inducción trifásico

El motor de inducción que funciona con energía eléctrica de CA trifásica se denomina motor de inducción trifásico. Por lo general, los motores de inducción trifásicos se utilizan en industrias y no son adecuados para aplicaciones domésticas.

La línea de energía disponible para las industrias es 400V / 50Hz de corriente alterna trifásica de cuatro líneas y los motores de inducción que trabajan con este suministro en las industrias se denominan motores de inducción trifásicos.

Para comprender mejor el principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico, analicemos la construcción del motor de inducción trifásico.

Aquí,

• El devanado de la fase A comienza desde el segmento superior seguido del segmento inferior como se muestra en la figura.
• En cuanto a los dos extremos de la fase, uno de los devanados está conectado a la línea de alimentación de la fase A de la fuente de alimentación trifásica, mientras que el otro extremo está conectado al neutro de la misma fuente de alimentación de tres fases de cuatro líneas. Esto es posible porque en una fuente de alimentación trifásica de cuatro líneas tenemos las primeras tres líneas que llevan tres voltajes de línea, mientras que la cuarta línea es neutra.
• Los otros devanados de dos fases siguen el mismo patrón que la fase A. En los dos extremos del devanado de la fase B, uno está conectado a la línea de alimentación de la fase B de la fuente de alimentación trifásica, mientras que el otro extremo está conectado al neutro de las mismas tres fases. Fuente de alimentación de cuatro líneas.
• La estructura del rotor es similar a una jaula de ardilla y es el mismo tipo de rotor que se utiliza en un motor de inducción monofásico.

Ahora bien, si proporcionamos la energía eléctrica a los devanados trifásicos del estator, la corriente comienza a fluir en los tres devanados. Debido a este flujo de corriente, las bobinas generarán un campo magnético y este campo fluirá a través de una ruta de resistividad magnética menor proporcionada por el núcleo laminado. Aquí la estructura del motor está diseñada de tal manera que el campo magnético transportado por el núcleo se concentra en el espacio de aire en el centro donde se coloca el rotor. Entonces, el campo magnético concentrado por el núcleo en el espacio central influye en los conductores en el rotor induciendo así una corriente en ellos.

En presencia de corriente conductora, el rotor también genera un campo magnético que interactúa con el campo del estator en cualquier momento. Y debido a esta interacción, el rotor experimenta una fuerza que conduce a la rotación del motor.

Aquí el campo magnético generado por el estator es de tipo giratorio debido a la potencia trifásica, a diferencia del tipo alterno que discutimos en un motor monofásico. Y debido a este campo magnético giratorio, el rotor comienza a girar por sí mismo incluso en ausencia de un empujón inicial. Esto hace que el motor Trifásico sea de autoarranque y no necesitamos ningún devanado auxiliar para este tipo de motor.