Fundamentos y Avances de la Tecnología de Motores de CA

Tras el despliegue de Thomas Edison de una red de distribución de CC en Estados Unidos, la industria fue cambiando gradualmente hacia el sistema de CA, más rentable, cuyo rendimiento en iluminación igualaba al de la corriente continua.

La CA demostró ser superior para la transmisión de energía a larga distancia, reduciendo las pérdidas. Sin embargo, los primeros intentos de adaptar diseños de motores de CC para CA encontraron dificultades causadas por campos magnéticos variables en el tiempo.

Diagrama de la familia de motores eléctricos de CA

Charles P. Steinmetz abordó estos desafíos cuantificando las pérdidas por histéresis en armaduras de hierro, mientras que Nikola Tesla concibió el primer motor verdaderamente impulsado por CA: una turbina alimentada por un campo magnético rotatorio en lugar de vapor o agua.

El motor de inducción de CA de Tesla se convirtió en el caballo de batalla de la industria, valorado por su robustez, simplicidad, larga vida útil y mantenimiento mínimo.

Los motores de CA con escobillas —espejo de sus homólogos de CC— siguen utilizándose en pequeños electrodomésticos, mientras que los motores de inducción de Tesla dominan aplicaciones superiores a 1 HP (≈750 W).

Hoy en día, la electrónica de estado sólido convierte la CC en formas de onda de CA que impulsan motores de CC sin escobillas —esencialmente motores de CA—, reemplazando los diseños convencionales con escobillas en numerosos contextos. De igual modo, los motores paso a paso, una derivada digital, se alimentan con ondas cuadradas de CA generadas por control electrónico.

El diagrama anterior traza la evolución de las familias de motores de CA discutidas en este capítulo.

Grandes buques marinos, como cruceros, y locomotoras diésel-eléctricas llevan tiempo sustituyendo ejes de transmisión engranados por generadores y motores multimégawatt masivos.

Diagrama de sistema de motor

A nivel de sistema, un motor convierte energía eléctrica —proporcionada por voltaje y corriente— en trabajo mecánico. Las ineficiencias surgen porque los motores eléctricos nunca alcanzan el 100 % de eficiencia; una parte de la potencia de entrada se disipa como calor mediante pérdidas I²R (cobre) en los devanados.

Este calor debe eliminarse eficazmente; una acumulación térmica excesiva puede acortar la vida del motor. Por consiguiente, optimizar la eficiencia —minimizar la pérdida de calor— es primordial. Los motores de CA también lidian con pérdidas únicas como histéresis y corrientes de Foucault, ausentes en máquinas de CC.

Histéresis y Corrientes de Foucault

Los primeros diseñadores de motores de CA lucharon contra las pérdidas inherentes a los campos magnéticos alternantes —problemas que surgieron al aplicar conceptos de motores de CC a la CA. Aunque los motores de CA modernos difieren notablemente de sus contrapartes de CC, resolver estos desafíos fue esencial para su desarrollo.

Los núcleos de los motores de CA, tanto rotor como estator, consisten en láminas de acero aisladas con barniz. Esta construcción interrumpe los bucles conductores, suprimiendo así las corrientes de Foucault (ver figura).

Estas láminas finas y aisladas se asemejan a espiras secundarias de transformador aisladas, impidiendo grandes corrientes de Foucault. La incorporación de silicio en la aleación aumenta aún más la resistividad, reduciendo la magnitud de las corrientes de Foucault.

Corrientes de Foucault en núcleos de hierro

El uso de láminas de acero de grano orientado con silicio reduce aún más las pérdidas por histéresis. La histéresis magnética se manifiesta como un retraso entre la intensidad del campo magnético y la fuerza magnetizante aplicada; incluso tras desenergizar un núcleo de hierro blando, persiste una magnetización residual B_R (ilustrada a continuación).

Cuando el ciclo de CA se invierte, el campo magnético debe gastar energía —fuerza coercitiva H_C— para vencer esta magnetización residual antes de que el núcleo pueda desmagnetizarse o magnetizarse en la dirección opuesta.

La pérdida por histéresis ocurre en cada inversión de polaridad de CA y escala con el área del ciclo de histéresis B-H. Las aleaciones de hierro blando exhiben menores pérdidas que los aceros duros de alto carbono; el acero de grano orientado con silicio (≈4 % Si) laminado para alinear los granos ofrece las menores pérdidas.

Curvas de histéresis para aleaciones de baja y alta pérdida

La ley de histéresis de Steinmetz permitió la predicción precisa de pérdidas en el núcleo, facilitando a los ingenieros el diseño de motores de CA que cumplían expectativas de rendimiento —muy parecido a un puente preconstruido que soporta carga de forma fiable.

Armados con conocimientos sobre corrientes de Foucault e histéresis, los primeros diseñadores crearon motores de conmutador de CA similares a máquinas de CC. Hoy, tales diseños son un nicho, mientras que la mayoría de motores de CA —inductores, síncronos y sin escobillas— difieren marcadamente de los análogos de CC.