Guía definitiva del motor de inducción trifásico: Construcción y principio de funcionamiento

Los motores trifásicos de inducción realizan gran parte del trabajo duro en nuestro mundo actual. Puede encontrar estos potentes motores de inducción en muchos lugares. Están en las grandes máquinas de las fábricas. También están en las bombas que te dan agua. Este artículo es una guía sencilla que le ayudará a entenderlos. Explicaremos cómo se construye un motor de inducción trifásico y cómo funciona, mediante sencillos pasos. Cuando termines de leer, sabrás cómo funciona este gran motor eléctrico. También sabrá por qué se utiliza tanto.

¿Qué hace funcionar realmente un motor de inducción trifásico?

Un motor de inducción trifásico es un tipo de motor de corriente alterna. En este motor, la potencia se transmite a la parte del rotor mediante inducción electromagnética. Esta es la misma idea principal que utiliza un transformador. Por eso la gente a veces llama a estos motores de inducción "transformadores rotativos". Lo importante es saber que no hay ningún cable que se conecte directamente a la parte que se mueve, que es el rotor.

Este tipo de motor es famoso porque está construido de forma sencilla y resistente. No tiene piezas llamadas escobillas, que tienen otros motores. Por ello, no necesita muchos cuidados ni muchas reparaciones. Estos motores de inducción también arrancan solos. Esto es una gran ventaja si lo comparamos con un motor de inducción monofásico. Debido a que son tan simples y se puede contar con ellos, los motores de inducción trifásicos son el tipo más común de motor de corriente alterna que se encuentra en las fábricas. El trabajo principal de este motor de inducción trifásico es transformar la electricidad trifásica en movimiento.

¿Cuáles son las dos piezas principales de los motores de inducción?

Cada motor de inducción de fase tiene dos partes principales. Si comprende estas partes, podrá empezar a entender cómo funciona todo el motor. El motor de inducción consta de dos piezas importantes:

1. El estator: Es la parte del motor que permanece inmóvil. No se mueve en absoluto. Su función es crear un campo magnético cuando se conecta a una fuente de corriente alterna trifásica. El estator es una estructura de acero que contiene bobinas de alambre. Este grupo de bobinas se denomina devanado.
2. El rotor: Es la parte del motor que gira. Se encuentra dentro del estator. El rotor tiene su propio conjunto de barras o cables metálicos. Cuando el campo magnético del estator pasa por las barras del rotor, se crea una corriente en su interior. Esta corriente crea su propio campo magnético. Esto es lo que empuja el rotor y lo hace girar. Ésta es la magia de los motores de inducción.

Hay un espacio muy pequeño entre el estator y el rotor. Este espacio es el entrehierro. El entrehierro se hace lo más pequeño posible para que el motor funcione mejor. El funcionamiento conjunto de estas dos piezas principales es lo que hace que todos los motores de inducción giren un eje y realicen su trabajo.

¿Cómo está montado el estator de los motores de inducción trifásicos?

El estator de los motores de inducción trifásicos se construye con mucho cuidado. Tiene forma de tubo hueco y está fabricado con finas láminas de acero de alta calidad. Estas finas láminas de acero se apilan a presión. El uso de chapas finas ayuda a reducir la cantidad de energía que se desperdicia. En el interior del estator hay unos cortes llamados ranuras. En estas ranuras se introduce el bobinado del estator. El bobinado está hecho de alambre de cobre con un revestimiento especial para evitar que se filtre la electricidad.

Este bobinado no es sólo un gran bucle de alambre. En realidad, se trata de tres devanados diferentes. Cada bobinado es para una fase de la alimentación trifásica de CA. Los devanados se colocan en las ranuras siguiendo un patrón muy específico. Están colocados a 120 grados unos de otros. Cuando se conecta una fuente de corriente alterna trifásica a este bobinado trifásico, se crea un tipo especial de campo magnético. Este campo es la clave del funcionamiento de todos los motores de inducción. El estator está bobinado para un número determinado de polos. El número de polos ayuda a fijar la velocidad del motor. El motor consta de esta parte tan importante.

¿Qué es un rotor de jaula de ardilla y por qué lo utilizan tantos motores?

El tipo de rotor que se ve con más frecuencia es el rotor de jaula de ardilla. Su nombre se debe a su forma. Se parece un poco a la rueda de un animal pequeño. Este rotor está hecho de un núcleo de, chapas finas de acero. Tiene ranuras en su superficie exterior. Este rotor no tiene bobinado de alambre. En su lugar, utiliza barras gruesas de cobre o aluminio. Estas barras se introducen en las ranuras del rotor.

Todas las barras están unidas por los extremos. Están unidas por anillos metálicos gruesos llamados anillos terminales. De este modo se crea una trayectoria eléctrica completa. La barra de cobre y los anillos de los extremos parecen una jaula, de ahí el nombre de jaula de ardilla. Este diseño es muy resistente y nada complicado. No tiene escobillas ni anillos rozantes que puedan romperse o desgastarse. El motor de inducción de jaula de ardilla tiene una construcción muy robusta. Esto hace que sea una máquina en la que se puede confiar, y no es cara de fabricar. Esta es la razón por la que más de 9 de cada 10 motores de inducción utilizan este tipo de rotor. El rotor de un motor de inducción trifásico es casi siempre de este tipo de jaula de ardilla.

¿Existe otro tipo de rotor? Hablemos del rotor bobinado.

Sí, existe otro tipo de rotor. Se le llama rotor bobinado o motor de anillo colector. Este tipo de rotor no es como la versión de jaula de ardilla. Un rotor bobinado tiene un bobinado trifásico completo, muy parecido al bobinado del estator. No utiliza barras sólidas. El bobinado es de hilo de cobre revestido y se coloca en las ranuras del rotor. Por eso lo llamamos rotor bobinado.

Los extremos de este bobinado del rotor no están conectados entre sí como en una jaula de ardilla. En su lugar, están conectados a tres anillos metálicos especiales que se encuentran en el eje. Se denominan anillos rozantes. Unos pequeños bloques de carbono, llamados escobillas, presionan contra estos anillos deslizantes. Esto permite conectar piezas externas, como resistencias en el circuito del rotor. Al añadir resistencia, se consigue un mayor control sobre el funcionamiento del motor. Por ejemplo, proporciona al motor un par de arranque mucho mayor que el de un motor de jaula de ardilla. Un motor de inducción de anillo colector se utiliza para trabajos que necesitan mucha potencia para arrancar. Este motor bobinado es más difícil de construir y cuesta más dinero.

¿Cómo hace funcionar estos motores de inducción la idea principal de la inducción electromagnética?

El principio de funcionamiento de todos los motores de inducción se basa en una regla científica llamada inducción electromagnética. Esta regla dice que si se mueve un alambre (un conductor) a través de un campo magnético, se producirá una tensión (emf), o se inducirá, en el alambre. Lo mismo ocurre si el campo magnético se mueve y el hilo está quieto. Lo que importa es que uno se mueve en comparación con el otro. Esto se llama movimiento relativo.

En un motor de inducción trifásico, el bobinado del estator crea un campo magnético que gira. Este campo giratorio pasa por las barras metálicas del rotor. Las barras del rotor están todas conectadas, formando un círculo completo para la electricidad. La emf inducida hace que fluya una corriente a través de ellas. Esta corriente fluye en las barras del rotor. Ahora tenemos un conductor con corriente (el rotor) dentro de un campo magnético (del estator). Esto genera una fuerza de giro, o par, en el rotor. Este par es la fuerza que hace girar al rotor. La energía llega del estator al rotor mediante inducción electromagnética procedente del estator.

¿Qué es un campo magnético giratorio y por qué es tan importante?

Un campo magnético giratorio es el secreto que hace que los motores de inducción trifásicos funcionen tan bien. Cuando se conecta una buena fuente de alimentación trifásica al devanado del estator, ocurre algo genial. Cada uno de los tres bobinados crea su propio campo magnético. Este campo se hace más fuerte y más débil a medida que cambia la corriente alterna. Pero como los devanados están separados 120 grados entre sí, sus campos magnéticos se suman para crear un gran campo magnético.

Este nuevo campo magnético combinado no permanece en el mismo sitio. Gira alrededor del estator a una velocidad constante. A esta velocidad la llamamos velocidad síncrona. La velocidad síncrona depende de dos factores: la velocidad de los ciclos de la fuente de corriente alterna (su frecuencia) y el número de polos del estator. Es este campo magnético giratorio el que pasa por los conductores del rotor y lo pone en marcha todo. Si no tuviera este campo, el motor de inducción de fase no podría arrancar por sí solo. El campo magnético del estator tiene que girar.

¿Qué es el "deslizamiento" cuando hablamos de un motor de inducción?

El rotor de un motor de inducción siempre girará un poco más despacio que el campo magnético giratorio del estator. La diferencia de velocidad entre la velocidad síncrona del campo y la velocidad real del rotor es lo que llamamos deslizamiento. Normalmente hablamos del deslizamiento en porcentaje. Si el rotor pudiera girar exactamente a la misma velocidad que el campo magnético (a velocidad sincrónica), entonces el campo no se desplazaría más allá del rotor.

Si no hay movimiento entre ellos, el campo magnético no atravesaría los conductores del rotor. Esto significa que no se produciría ninguna emf y que no circularía corriente por el rotor. Si no hay corriente, no hay par. Sin par, el rotor se ralentizaría. Por lo tanto, para que el motor funcione, el rotor debe girar más despacio que el campo magnético. Esta es la única manera de generar par. Esta es también la razón por la que un motor de inducción se denomina a veces motor asíncrono (que significa que no está sincronizado). La cantidad de deslizamiento aumenta cuando se somete el motor a más trabajo. Un motor de inducción normal puede tener un deslizamiento de 3% a 5% cuando trabaja al máximo.

¿Cuál es la forma correcta de conectar un motor de inducción trifásico?

La mayoría de los motores de inducción trifásicos tienen una caja con seis puntos de conexión. Estos puntos son los extremos de los tres bobinados del interior del estator. Hay dos formas principales de conectarlos: Estrella (también llamada estrella) y triángulo. La forma de conectarlos cambia el funcionamiento del motor.

• Conexión en estrella (Y): Para esta conexión, se une un extremo de los tres devanados en un punto. A continuación, se conecta la alimentación trifásica a los otros tres extremos. A menudo se utiliza esta conexión para arrancar el motor. Reduce la tensión de cada bobinado. Esto hace que la corriente de arranque sea menor, lo que puede ser mejor para el sistema eléctrico del edificio. Pero también reduce el par de arranque.
• Conexión en triángulo (Δ): Para esta conexión, se conectan los bobinados de extremo a extremo. Esto hace que formen un triángulo. A continuación, se conecta la alimentación trifásica a los tres puntos de unión de los bobinados. En una conexión Delta, cada bobinado recibe toda la tensión de la línea eléctrica. Esto proporciona más par de arranque, pero también requiere mucha más corriente de arranque. Muchos motores de inducción grandes utilizan un "arrancador estrella-triángulo" especial. Este arrancador comienza en la conexión Estrella y luego cambia a Delta después de que el motor alcanza la velocidad.

¿Hay desventajas? Desventajas de los motores de inducción trifásicos.

Aunque los motores de inducción trifásicos son grandes máquinas, no son perfectos. Tienen algunos puntos débiles que debe conocer. Estas son las principales desventajas de la inducción trifásica.

• Factor de potencia malo con una carga ligera: El factor de potencia de un motor de inducción no es muy bueno cuando funciona sin mucho trabajo que hacer. Un factor de potencia bajo no es bueno para la compañía eléctrica.
• Velocidad difícil de controlar: No es fácil cambiar la velocidad de un motor de inducción de jaula de ardilla normal. Su velocidad está estrechamente ligada a la frecuencia de la potencia que recibe. Para controlar bien la velocidad de un motor de inducción trifásico se necesitan engranajes especiales y costosos (como un variador de frecuencia).
• Baja potencia de arranque (para el tipo de jaula de ardilla): Si lo comparamos con otros tipos de motores (como los motores de CC o los motores de anillos colectores), el motor de inducción de jaula de ardilla normal no tiene un par de arranque muy fuerte. Esto significa que no es una buena elección para trabajos que tienen que arrancar con una carga muy pesada.
• Alta corriente de arranque: Cuando un motor de inducción de fase arranca por primera vez, puede absorber una gran cantidad de electricidad. A menudo es entre 5 y 7 veces superior a su corriente de funcionamiento normal. Esto puede hacer que las luces se atenúen por un momento al caer la tensión en las líneas eléctricas.

Incluso con estos problemas, las ventajas de los motores de inducción, como el hecho de que son muy fiables y no cuestan mucho, los convierten en la mejor opción para muchísimos trabajos.

Aspectos clave

• Los motores de inducción utilizan la idea de inducción electromagnética. No hay cables que se conecten directamente al rotor giratorio.
• Las dos partes principales son el estator, que permanece inmóvil, y el rotor, que gira.
• El estator genera un campo magnético giratorio cuando se conecta a la corriente trifásica.
• El tipo de rotor más común es el de jaula de ardilla. Se utiliza tanto porque es sencillo, fuerte y no cuesta mucho.
• El rotor bobinado, también llamado motor de anillos rozantes, proporciona un par de arranque muy fuerte y más control. Pero es más complicado y cuesta más.
• El deslizamiento es la diferencia de velocidad entre el campo del estator y el rotor. Se necesita deslizamiento para generar par.
• Puede conectar motores de inducción en forma de estrella (Y) o de triángulo (Δ). Esto modifica la corriente de arranque y el par.