Introducción a los motores de CA

Después de la introducción del sistema de distribución eléctrica de CC por Edison en los Estados Unidos, comenzó una transición gradual al 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 una pérdida menor con corriente alterna. Sin embargo, los motores eran un problema con la corriente alterna. Inicialmente, los motores de CA se construían como motores de CC, pero se encontraron numerosos problemas debido a los campos magnéticos cambiantes.

Diagrama de la familia de motores eléctricos de CA

Charles P. Steinmetz contribuyó a resolver estos problemas con su investigación de las pérdidas por histéresis en las armaduras de hierro. Nikola Tesla imaginó un tipo de motor completamente nuevo cuando visualizó una turbina girando, no movida 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 garantizan 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 los pequeños electrodomésticos junto con los pequeños motores de inducción Tesla. Por encima de un caballo de fuerza (750 W), el motor Tesla reina supremo.

Los circuitos electrónicos de estado sólido modernos impulsan motores de CC sin escobillas con formas de onda de CA generadas a partir de una fuente de CC. El motor de CC sin escobillas, en realidad un motor de CA, está reemplazando al motor de CC convencional con escobillas 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 reductores por generadores y motores grandes de varios megavatios. Tal ha sido el caso de las locomotoras diesel-eléctricas a menor escala durante muchos años.

Diagrama de nivel del sistema motor

A nivel del sistema, (Figura anterior) un motor absorbe energía eléctrica en términos de diferencia de potencial y flujo de corriente, convirtiéndola en trabajo mecánico. Desafortunadamente, los motores eléctricos no son 100% eficientes. Parte de la energía eléctrica se pierde en calor, otra forma de energía, debido a las pérdidas de I2R (también llamadas pérdidas de cobre) en los devanados del motor.

El calor es un subproducto no deseado de esta conversión. Debe retirarse del motor y puede afectar negativamente la longevidad. Por lo tanto, uno de los objetivos 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 de Foucault

Los primeros diseñadores de motores de CA encontraron problemas relacionados con pérdidas exclusivas de la corriente magnética alterna. Estos problemas se encontraron al adaptar los motores de CC a la operación de CA. Aunque hoy en día pocos motores de CA se parecen a los motores de CC, estos problemas debían resolverse antes de que los motores de CA de cualquier tipo pudieran diseñarse correctamente.

Tanto los núcleos del rotor como del estator de los motores de CA están compuestos por una pila de láminas aisladas. Las láminas se recubren con barniz aislante antes de apilarlas y atornillarlas en la forma final. Corrientes de Foucault se minimizan al romper el bucle conductor potencial en segmentos más pequeños con menos pérdidas. (Figura siguiente)

Los bucles de corriente parecen espiras secundarias de transformador en cortocircuito. Las láminas delgadas 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.

Corrientes de Foucault en núcleos de hierro

Si las laminaciones están hechas de acero de grano orientado de aleación de silicio, histéresis las pérdidas se minimizan. La histéresis magnética es un retraso de la fuerza del campo magnético en comparación con una fuerza magnetizante. Si un clavo de hierro dulce es magnetizado temporalmente por un solenoide, se esperaría que el clavo pierda el campo magnético una vez que el solenoide se desenergice. Sin embargo, una pequeña cantidad de magnetización residual , B _R , debido a que la histéresis permanece (Figura siguiente).

Una corriente alterna tiene que gastar energía, -H _C , la fuerza coercitiva , para superar 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 se invierte la polaridad de la CA. 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 con grano de silicio, 4% de silicio, laminado para orientar preferentemente el grano o la estructura cristalina, tiene pérdidas aún menores.

Curvas de histéresis para aleaciones de baja y alta pérdida

Una vez que la ley de histéresis de Steinmetz pudo predecir las pérdidas del núcleo de hierro, fue posible diseñar motores de CA que funcionaran según lo diseñado. Esto era similar a poder diseñar un puente con anticipación que no colapsaría una vez que estuviera realmente construido.

Este conocimiento de las corrientes parásitas e histéresis se aplicó por primera vez a la construcción de motores de conmutador de CA similares a sus homólogos de CC. Hoy en día, esto es solo una categoría menor de motores de CA. Otros inventaron nuevos tipos de motores de CA que se parecen poco a los de CC.