7.4: Diseño de Motor Polifásico

Quizás el beneficio más importante de la alimentación de CA polifásica sobre la monofásica es el diseño y operación de motores de CA. Como estudiamos en el primer capítulo de este libro, algunos tipos de motores de CA son prácticamente idénticos en construcción a sus homólogos del alternador (generador), consistentes en devanados de alambre estacionario y un conjunto de imán giratorio. (Otros diseños de motores de CA no son tan simples, pero dejaremos esos detalles para otra lección).

Funcionamiento del motor de CA en sentido horario.

Si el imán giratorio es capaz de mantenerse al día con la frecuencia de la corriente alterna que energiza los devanados del electroimán (bobinas), continuará siendo tirado alrededor de las agujas del reloj. (Figura anterior) Sin embargo, en el sentido de las agujas del reloj no es la única dirección válida para que el eje de este motor gire. Podría alimentarse fácilmente en sentido contrario a las agujas del reloj por la misma forma de onda de voltaje de CA a en la Figura a continuación.

Funcionamiento del motor de CA en sentido antihorario.

Observe que con la misma secuencia exacta de ciclos de polaridad (voltaje, corriente y polos magnéticos producidos por las bobinas), el rotor magnético puede girar en cualquier dirección. Este es un rasgo común de todos los motores monofásicos de “inducción” y “síncronos” de CA: no tienen dirección de rotación normal o “correcta”. La pregunta natural debería surgir en este punto: ¿cómo puede arrancar el motor en la dirección prevista si puede funcionar de cualquier manera igual de bien? La respuesta es que estos motores necesitan un poco de ayuda para comenzar. Una vez ayudados a girar en una dirección particular. continuarán girando de esa manera siempre y cuando se mantenga la alimentación de CA a los devanados.

De dónde viene esa “ayuda” para que un motor de CA monofásico se ponga en marcha en una dirección puede variar. Por lo general, proviene de un conjunto adicional de devanados posicionados de manera diferente al conjunto principal, y energizados con un voltaje de CA que está desfasado con la alimentación principal. (Figura abajo)

Motor bifásico AC de arranque unidireccional.

Estas bobinas suplementarias se conectan típicamente en serie con un condensador para introducir un desplazamiento de fase en la corriente entre los dos conjuntos de devanados. (Figura abajo)

El desplazamiento de fase del condensador agrega una segunda fase.

Ese desplazamiento de fase crea campos magnéticos a partir de las bobinas 2a y 2b que están igualmente desfasados con los campos de las bobinas 1a y 1b. El resultado es un conjunto de campos magnéticos con una rotación de fase definida. Es esta rotación de fase la que tira del imán giratorio en una dirección definida.

Los motores de CA polifásicos no requieren tal artimaña para girar en una dirección definida. Debido a que sus formas de onda de voltaje de suministro ya tienen una secuencia de rotación definida, también lo hacen los respectivos campos magnéticos generados por los devanados estacionarios del motor. De hecho, la combinación de todos los conjuntos de devanados trifásicos que trabajan juntos crea lo que a menudo se llama un campo magnético giratorio. Fue este concepto de campo magnético giratorio lo que inspiró a Nikola Tesla a diseñar los primeros sistemas eléctricos polifásicos del mundo (simplemente para hacer motores más simples y eficientes). La corriente de línea y las ventajas de seguridad de la potencia polifásica sobre la potencia monofásica se descubrieron más tarde.

Lo que puede ser un concepto confuso se hace mucho más claro a través de la analogía. ¿Alguna vez has visto una fila de bombillas parpadeantes como las que se usan en las decoraciones navideñas? Algunas cuerdas parecen “moverse” en una dirección definida ya que las bombillas alternativamente brillan y se oscurecen en secuencia. Otras cuerdas simplemente parpadean dentro y fuera sin movimiento aparente. ¿Qué hace la diferencia entre los dos tipos de cuerdas de bombilla? Respuesta: ¡cambio de fase!

Examine una cadena de luces donde se encienden todas las demás bombillas en un momento dado como en (Figura a continuación)

Secuencia de fases 1-2-1-2: las lámparas parecen moverse.

Cuando todas las bombillas “1” están encendidas, las bombillas “2” son oscuras, y viceversa. Con esta secuencia parpadeante, no hay un “movimiento” definido a la luz de las bombillas. Tus ojos podrían seguir un “movimiento” de izquierda a derecha con la misma facilidad que de derecha a izquierda. Técnicamente, las secuencias de parpadeo de bombilla “1” y “2” están 180 ^o desfasadas (exactamente opuestas entre sí). Esto es análogo al motor de CA monofásico, que puede funcionar con la misma facilidad en cualquier dirección, pero que no puede arrancar por sí solo porque su alternancia de campo magnético carece de una “rotación” definida.

Ahora examinemos una cadena de luces donde hay tres juegos de bombillas a secuenciar en lugar de solo dos, y estos tres conjuntos están igualmente desfasados entre sí en la Figura siguiente.

Secuencia de fases: 1-2-3: las bombillas parecen moverse de izquierda a derecha.

Si la secuencia de iluminación es 1-2-3 (la secuencia que se muestra en (Figura anterior), las bombillas parecerán “moverse” de izquierda a derecha. Ahora imagina esta cadena parpadeante de bulbos dispuestos en un círculo como en la Figura a continuación.

Disposición circular; las bombillas parecen girar en sentido horario.

Ahora las luces de la Figura anterior parecen estar “moviéndose” en sentido horario porque se han dispuesto alrededor de un círculo en lugar de una línea recta. No debería sorprendernos que la aparición de movimiento se revertirá si se invierte la secuencia de fases de las bombillas.

El patrón parpadeante parecerá moverse en sentido horario o antihorario dependiendo de la secuencia de fases. Esto es análogo a un motor trifásico de CA con tres juegos de devanados energizados por fuentes de voltaje de tres desfases diferentes en la Figura siguiente.

Motor trifásico de CA: Una secuencia de fases de 1-2-3 hace girar el imán en sentido horario, 3-2-1 hace girar el imán en sentido antihorario.

Con desplazamientos de fase de menos de 180 ^o obtenemos una verdadera rotación del campo magnético. Con motores monofásicos, el campo magnético giratorio necesario para el arranque automático debe crearse mediante desplazamiento de fase capacitivo. Con los motores polifásicos, los desplazamientos de fase necesarios ya están ahí. Además, la dirección de rotación del eje para los motores polifásicos se invierte muy fácilmente: ¡simplemente intercambie dos cables “calientes” cualesquiera que vayan al motor, ¡y funcionará en la dirección opuesta!

Revisar

• Los motores de “inducción” y “síncrono” de CA funcionan teniendo un imán giratorio que sigue los campos magnéticos alternos producidos por los devanados de alambre estacionarios.
• Los motores monofásicos de CA de este tipo necesitan ayuda para comenzar a girar en una dirección particular.
• Al introducir un desplazamiento de fase de menos de 180 ^o en los campos magnéticos en dicho motor, se puede establecer una dirección definida de rotación del eje.
• Los motores de inducción monofásicos a menudo usan un devanado auxiliar conectado en serie con un condensador para crear el desplazamiento de fase necesario.
• Los motores polifásicos no necesitan tales medidas; su dirección de rotación está fijada por la secuencia de fases del voltaje por el que están alimentados.
• El intercambio de dos cables “calientes” cualesquiera en un motor de CA polifásico invertirá su secuencia de fases, invirtiendo así la rotación de su eje.