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13.1: Introducción a los motores de CA

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    Después de la introducción del sistema de distribución eléctrica de CC por parte de Edison en Estados Unidos, comenzó una transición gradual hacia el sistema de CA más económico. La iluminación funcionó tan bien en CA como en CC. La transmisión de energía eléctrica cubrió distancias más largas con menor pérdida con corriente alterna. Sin embargo, los motores eran un problema con la corriente alterna. Inicialmente, los motores de CA se construyeron como motores de CC. Se encontraron numerosos problemas debido a los campos magnéticos cambiantes, en comparación con los campos estáticos en las bobinas de campo de motor de CC.

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    Diagrama de familia de motores eléctricos de CA.

    Charles P. Steinmetz contribuyó a resolver estos problemas con su investigación de pérdidas por histéresis en armaduras de hierro. Nikola Tesla imaginó un tipo de motor completamente nuevo cuando visualizó una turbina giratoria, no girada por agua o vapor, sino por un campo magnético giratorio. Su nuevo tipo de motor, el motor de inducción de CA, es el caballo de batalla de la industria hasta el día de hoy. Su robustez y simplicidad (Figura anterior) permiten una larga vida útil, alta confiabilidad y bajo mantenimiento. Sin embargo, los pequeños motores de CA cepillados, similares a la variedad de CC, persisten en pequeños electrodomésticos junto con pequeños motores de inducción Tesla. Por encima de un caballo de fuerza (750 W), el motor Tesla reina supremo.

    Los modernos circuitos electrónicos de estado sólido impulsan motores de CC sin escobillas con formas de onda de CA generadas a partir de una fuente El motor de CC sin escobillas, en realidad un motor de CA, está reemplazando al motor de CC cepillado convencional en muchas aplicaciones. Y, el motor paso a paso, una versión digital del motor, es impulsado por ondas cuadradas de corriente alterna, nuevamente, generadas por circuitos de estado sólido La figura anterior muestra el árbol genealógico de los motores de CA descritos en este capítulo.

    Los cruceros y otras embarcaciones grandes reemplazan los ejes de transmisión con engranajes de reducción con grandes generadores y motores de megavatios múltiples. Tal ha sido el caso de locomotoras diesel-eléctricas a menor escala desde hace muchos años.

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    Diagrama de nivel del sistema de motor.

    A nivel del sistema, (Figura anterior) un motor toma energía eléctrica en términos de una diferencia de potencial y un flujo de corriente, convirtiéndola en trabajo mecánico. Ay, los motores eléctricos no son 100% eficientes. Parte de la energía eléctrica se pierde por calor, otra forma de energía, debido a las pérdidas de I 2 R en los devanados del motor. El calor es un subproducto indeseado de la conversión. Debe ser removido del motor y puede afectar negativamente la longevidad. Por lo tanto, un objetivo es maximizar la eficiencia del motor, reduciendo la pérdida de calor. Los motores de CA también tienen algunas pérdidas que no encuentran los motores de CC: histéresis y corrientes parásitas.

    Histéresis y Corrientes Focalidas

    Los primeros diseñadores de motores de CA encontraron problemas atribuidos a pérdidas exclusivas de los magnéticos de corriente alterna. Estos problemas se encontraron al adaptar motores de CC al funcionamiento de CA. Aunque hoy en día pocos motores de CA tienen algún parecido con los motores de CC, estos problemas tuvieron que resolverse antes de que los motores de CA de cualquier tipo pudieran diseñarse correctamente antes de que se construyeran.

    Tanto los núcleos del rotor como del estator de los motores de CA están compuestos por una pila de laminaciones aisladas. Las laminaciones se recubren con barniz aislante antes de apilar y atornillarse en la forma final. Las corrientes parásitas se minimizan al romper el bucle conductor potencial en segmentos más pequeños con menos pérdidas. (Figura abajo) Los bucles de corriente parecen giros secundarios del transformador cortocircuitado. Las delgadas laminaciones aisladas rompen estos bucles. Además, el silicio (un semiconductor) agregado a la aleación utilizada en las laminaciones aumenta la resistencia eléctrica lo que disminuye la magnitud de las corrientes parásitas.

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    Corrientes parásitas en núcleos de hierro.

    Si las laminaciones están hechas de acero orientado al grano de aleación de silicio, se minimizan las pérdidas por histéresis. La histéresis magnética es un retraso de la intensidad del campo magnético en comparación con la fuerza de magnetización. Si un clavo de hierro blando es magnetizado temporalmente por un solenoide, uno esperaría que el clavo pierda el campo magnético una vez que el solenoide esté desenergizado. Sin embargo, queda una pequeña cantidad de magnetización residual, B r debido a la histéresis. (Figura abajo) Una corriente alterna tiene que gastar energía, -H c la fuerza coercitiva, en la superación de esta magnetización residual antes de que pueda magnetizar el núcleo de nuevo a cero, y mucho menos en la dirección opuesta. La pérdida de histéresis se encuentra cada vez que la polaridad de la CA se invierte. La pérdida es proporcional al área encerrada por el bucle de histéresis en la curva B-H. Las aleaciones de hierro “blandas” tienen menores pérdidas que las aleaciones de acero con alto contenido de carbono “duras”. El acero orientado al grano de silicio, 4% de silicio, laminado para orientar preferencialmente el grano o la estructura cristalina, tiene aún menores pérdidas.

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    Curvas de histéresis para aleaciones de baja y alta pérdida. Una vez que las leyes de histéresis de Steinmetz pudieron predecir las pérdidas del núcleo de hierro, fue posible diseñar motores de CA que funcionaron como se diseñaron. Esto era similar a poder diseñar un puente antes de tiempo que no colapsaría una vez que realmente se construyera. Este conocimiento de la corriente parásita y la histéresis se aplicó primero a la construcción de motores de colector de CA similares a sus homólogos de CC. Hoy en día esto no es más que una categoría menor de motores de CA. Otros inventaron nuevos tipos de motores de CA que se parecen poco a sus parientes de CC.


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