Motores de inducción
El tipo más sencillo de motor de inducción se muestra en sección transversal en la figura. Un conjunto trifásico de devanados del estator se inserta en ranuras en el hierro del estator. Estos devanados pueden estar conectados en una configuración en estrella, normalmente sin conexión externa al punto neutro, o en una configuración en triángulo. El rotor consiste en un núcleo de hierro cilíndrico con conductores colocados en ranuras alrededor de la superficie. En la forma más habitual, estos conductores del rotor están conectados entre sí en cada extremo del mismo mediante un anillo final conductor.
Encyclopædia Britannica, Inc.
La base del funcionamiento del motor de inducción puede desarrollarse suponiendo primero que los devanados del estator están conectados a una alimentación eléctrica trifásica y que en los devanados del estator fluye un conjunto de tres corrientes sinusoidales de la forma mostrada en la figura. Esta figura muestra el efecto de estas corrientes en la producción de un campo magnético a través del entrehierro de la máquina durante seis instantes en un ciclo. Para simplificar, sólo se muestra el bucle conductor central de cada devanado de fase. En el instante t1 de la figura, la corriente en la fase a es máxima positiva, mientras que la de las fases b y c es la mitad de ese valor negativo. El resultado es un campo magnético con una distribución aproximadamente sinusoidal alrededor del entrehierro con un valor máximo hacia afuera en la parte superior y un valor máximo hacia adentro en la parte inferior. En el momento t2 de la figura (es decir, una sexta parte de un ciclo después), la corriente en la fase c es máxima negativa, mientras que la de la fase b y la de la fase a es la mitad de ese valor positivo. El resultado, como se muestra para t2 en la figura, es de nuevo un campo magnético distribuido sinusoidalmente pero girado 60° en sentido contrario a las agujas del reloj. El examen de la distribución de la corriente para t3, t4, t5 y t6 muestra que el campo magnético sigue girando a medida que avanza el tiempo. El campo completa una revolución en un ciclo de las corrientes del estator. Así, el efecto combinado de tres corrientes sinusoidales iguales, uniformemente desplazadas en el tiempo y que fluyen en tres devanados del estator uniformemente desplazados en posición angular, es producir un campo magnético giratorio con una magnitud constante y una velocidad angular mecánica que depende de la frecuencia de la alimentación eléctrica.
El movimiento de rotación del campo magnético con respecto a los conductores del rotor hace que se induzca un voltaje en cada uno, proporcional a la magnitud y a la velocidad del campo con respecto a los conductores. Dado que los conductores del rotor están cortocircuitados en cada extremo, el efecto será provocar el flujo de corrientes en estos conductores. En el modo de funcionamiento más sencillo, estas corrientes serán aproximadamente iguales a la tensión inducida dividida por la resistencia del conductor. En esta figura se muestra el patrón de corrientes del rotor para el instante t1 de la figura. Las corrientes se distribuyen de forma aproximadamente sinusoidal alrededor de la periferia del rotor y se sitúan de forma que producen un par de torsión en sentido contrario a las agujas del reloj en el rotor (es decir, un par de torsión en el mismo sentido que la rotación del campo). Este par actúa para acelerar el rotor y hacer girar la carga mecánica. A medida que aumenta la velocidad de rotación del rotor, disminuye su velocidad con respecto a la del campo giratorio. Así, la tensión inducida se reduce, lo que conlleva una reducción proporcional de la corriente del conductor del rotor y del par. La velocidad del rotor alcanza un valor estable cuando el par producido por las corrientes del rotor es igual al par requerido a esa velocidad por la carga, sin que haya un exceso de par disponible para acelerar la inercia combinada de la carga y el motor.
La potencia mecánica de salida debe ser proporcionada por una potencia eléctrica de entrada. Las corrientes originales del estator mostradas en la figura son apenas suficientes para producir el campo magnético giratorio. Para mantener este campo giratorio en presencia de las corrientes del rotor de la figura, es necesario que los devanados del estator lleven una componente adicional de corriente sinusoidal de una magnitud y fase tales que anulen el efecto del campo magnético que de otro modo producirían las corrientes del rotor de la figura. La corriente total del estator en cada devanado de fase es entonces la suma de una componente sinusoidal para producir el campo magnético y otra sinusoide, que adelanta a la primera un cuarto de ciclo, o 90°, para proporcionar la potencia eléctrica necesaria. La segunda componente, o de potencia, de la corriente está en fase con la tensión aplicada al estator, mientras que la primera componente, o de magnetización, va por detrás de la tensión aplicada en un cuarto de ciclo, o 90°. A carga nominal, esta componente magnetizante suele ser del orden de 0,4 a 0,6 de la magnitud de la componente de potencia.
La mayoría de los motores de inducción trifásicos funcionan con sus devanados de estator conectados directamente a una alimentación eléctrica trifásica de tensión y frecuencia constantes. Las tensiones de alimentación típicas van desde 230 voltios de línea a línea para motores de potencia relativamente baja (por ejemplo, de 0,5 a 50 kilovatios) hasta unos 15 kilovoltios de línea a línea para motores de alta potencia de hasta unos 10 megavatios.
Salvo una pequeña caída de tensión en la resistencia del devanado del estator, la tensión de alimentación se adapta a la tasa de cambio temporal del flujo magnético en el estator de la máquina. Por lo tanto, con una alimentación de frecuencia y tensión constantes, la magnitud del campo magnético giratorio se mantiene constante, y el par es aproximadamente proporcional al componente de potencia de la corriente de alimentación.
Con el motor de inducción mostrado en las figuras anteriores, el campo magnético gira una revolución por cada ciclo de la frecuencia de alimentación. Para una alimentación de 60 hercios, la velocidad del campo es entonces de 60 revoluciones por segundo, es decir, 3.600 por minuto. La velocidad del rotor es inferior a la del campo en una cantidad que es suficiente para inducir la tensión necesaria en los conductores del rotor para producir la corriente del rotor necesaria para el par de carga. A plena carga, la velocidad suele ser entre un 0,5 y un 5 por ciento inferior a la velocidad del campo (a menudo denominada velocidad sincrónica), siendo el porcentaje mayor el que se aplica a los motores más pequeños. Esta diferencia de velocidad se denomina frecuentemente deslizamiento.
Se pueden obtener otras velocidades síncronas con una alimentación de frecuencia constante construyendo una máquina con un mayor número de pares de polos magnéticos, a diferencia de la construcción de dos polos de la figura. Los valores posibles de la velocidad del campo magnético en revoluciones por minuto son 120 f/p, donde f es la frecuencia en hertzios (ciclos por segundo) y p es el número de polos (que debe ser un número par). Un bastidor de hierro dado puede enrollarse para cualquiera de los varios números posibles de pares de polos utilizando bobinas que abarcan un ángulo de aproximadamente (360/p)°. El par disponible en el bastidor de la máquina no cambiará, ya que es proporcional al producto del campo magnético y la corriente admisible de la bobina. Así, la potencia nominal del bastidor, que es el producto del par y la velocidad, será aproximadamente inversamente proporcional al número de pares de polos. Las velocidades síncronas más comunes para los motores de 60 hercios son 1.800 y 1.200 revoluciones por minuto.