Diseño de motores polifásicos

Motores de CA

Quizás el beneficio más importante de la energía CA polifásica sobre la monofásica es el diseño y operación de los motores CA.

Como estudiamos en el primer capítulo de este libro, algunos tipos de motores de CA son prácticamente idénticos en construcción a sus contrapartes de alternador (generador), que consisten en devanados de cables estacionarios 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 el sentido de las agujas del reloj.

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 girando en el sentido 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 gire el eje de este motor. Se podría alimentar con la misma facilidad en el sentido contrario a las agujas del reloj mediante la misma forma de onda de voltaje de CA que se muestra en la figura siguiente.

Funcionamiento del motor de CA en sentido antihorario.

Arranque de motores de CA

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 de “inducción” y “síncronos” de CA monofásicos:no tienen un sentido de rotación normal o “correcto”. La pregunta natural debería surgir en este punto:¿cómo puede el motor arrancar en la dirección prevista si puede funcionar en cualquier dirección igual de bien?

La respuesta es que estos motores necesitan un poco de ayuda para comenzar. Una vez ayudó a girar en una dirección particular. continuarán girando de esa manera siempre que se mantenga la alimentación de CA en los devanados.

El origen de esa "ayuda" para que un motor de CA monofásico funcione en una dirección puede variar.

Por lo general, proviene de un conjunto adicional de devanados colocados de manera diferente al conjunto principal y energizados con un voltaje de CA que está fuera de fase con la energía principal. (Figura siguiente)

Motor bifásico de CA de arranque unidireccional.

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

El cambio de fase del capacitor agrega la segunda fase.

Ese cambio de fase crea campos magnéticos 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.

Arranque de motores de CA polifásicos

Los motores de CA polifásicos no requieren tales trucos 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 la tienen los respectivos campos magnéticos generados por los devanados estacionarios del motor.

De hecho, la combinación de los conjuntos de devanados de tres fases 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).

Las ventajas de seguridad y corriente de línea de la energía polifásica sobre la energía monofásica se descubrieron más tarde.

Analogía de luces de cadena lineal

Lo que puede ser un concepto confuso se aclara mucho más a través de la analogía.

¿Alguna vez has visto una hilera de bombillas parpadeantes como las que se usan en las decoraciones navideñas? Algunas cuerdas parecen "moverse" en una dirección definida a medida que las bombillas brillan y oscurecen alternativamente en secuencia. Otras cuerdas simplemente parpadean sin movimiento aparente. ¿Qué marca la diferencia entre los dos tipos de hilos de bombillas?

Respuesta:¡cambio de fase!

Examine una cadena de luces donde se encienden todas las demás bombillas en un momento dado, como se muestra en la (Figura siguiente)

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

Cuando todas las bombillas "1" están encendidas, las bombillas "2" están oscuras y viceversa. Con esta secuencia de parpadeo, no hay un "movimiento" definido en la luz de las bombillas.

Sus ojos pueden seguir un "movimiento" de izquierda a derecha con la misma facilidad que de derecha a izquierda. Técnicamente, las secuencias de parpadeo de la bombilla "1" y "2" están desfasadas 180 ° (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 conjuntos de bombillas para 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 se muestra en la (Figura anterior)), las bombillas parecerán "moverse" de izquierda a derecha.

Analogía de luces de cadena circular

Ahora imagine esta hilera de bombillas parpadeantes dispuestas en un círculo como en la figura siguiente.

Disposición circular; las bombillas parecen girar en el sentido de las agujas del reloj.

Ahora, las luces de la figura anterior parecen "moverse" en el sentido de las agujas del reloj porque se han dispuesto alrededor de un círculo en lugar de una línea recta.

No debería sorprender que la apariencia del movimiento se invierta si se invierte la secuencia de fase de las bombillas.

El patrón parpadeante parecerá moverse en sentido horario o antihorario dependiendo de la secuencia de fase.

Esto es análogo a un motor de CA trifásico con tres conjuntos de devanados energizados por fuentes de voltaje de tres cambios de fase diferentes en la figura siguiente.

Motor de CA trifásico:una secuencia de fase de 1-2-3 hace girar el imán en el sentido de las agujas del reloj, 3-2-1 hace girar el imán en el sentido contrario a las agujas del reloj.

Con cambios de fase de menos de 180 °, obtenemos una verdadera rotación del campo magnético. Con motores monofásicos, el campo magnético giratorio necesario para el autoencendido debe crearse mediante un cambio de fase capacitivo. Con los motores polifásicos, los cambios de fase necesarios ya existen.

Además, la dirección de rotación del eje para motores polifásicos se invierte muy fácilmente:simplemente intercambie dos cables "calientes" que vayan al motor, ¡y funcionará en la dirección opuesta!

REVISAR:

• Los motores de "inducción" y "síncronos" de CA funcionan haciendo que un imán giratorio siga los campos magnéticos alternos producidos por los devanados de cables estacionarios.
• Los motores de CA monofásicos de este tipo necesitan ayuda para comenzar a girar en una dirección particular.
• Al introducir un cambio de fase de menos de 180 ° a 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 capacitor para crear el cambio de fase necesario.
• Los motores polifásicos no necesitan tales medidas; su dirección de rotación está fijada por la secuencia de fase del voltaje con el que están alimentados.
• Si se intercambian dos cables "activos" en un motor de CA polifásico, se invertirá su secuencia de fase y, por lo tanto, se invertirá la rotación del eje.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de la teoría del motor de CA
• Hoja de trabajo de sistemas eléctricos polifásicos