GENERADORES ELÉCTRICOS: DINAMO Y ALTERNADOR
Vamos aprender qué es un motor eléctrico, cómo funcionan los diferentes tipos de motores, de corriente continua y alterna, síncronos y asíncronos, y las partes de un motor eléctrico.
Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica. Entonces solo seria necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico. Recuerda también se pueden llamar "motor electromagnético". Pero expliquemos todo esto mucho mejor y desde el principio.
Todo empezó gracias al científico Hans Christian Oersted que comprobó como colocando una espira (cable enrollado) alrededor de una brújula, si hacia pasar una corriente por la espira, la aguja de la brújula, que está unida a un imán giratorio, se movía. Lo que hacía la espira con corriente eléctrica era mover el imán de la brújula que estaba dentro de la espira.
De esta forma demostró la relación que había entre la electricidad y el magnetismo.
Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que atraen o repelen metales). Esta propiedad de atraer metales se llama magnetismo.
Un campo magnético lo puede generar un imán con dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos polos se encuentran en los extremos del campo que genera el imán.
Antes del descubrimiento de Oersted ya se sabía que un imán tiene un campo magnético y que cuando le atraviesa otro campo magnético, el de otro imán por ejemplo, los imanes se mueve por atracción o repulsión. Si acercas dos imanes, cuando se juntan los campos magnéticos generados por cada uno de ellas, se mueven. Polos iguales enfrentados se repelen, polos distintos se atraen.
Pero... ¿Qué demostró Oersted con su experimento?. Pues algo importantísimo para poder posteriormente crear un motor eléctrico.
El conductor con corriente eléctrica (la espira) se comportaba como un imán frente al imán de la brújula, creaba un campo magnético a su alrededor, por eso se movía la brújula al pasar corriente por el conductor.
No solo podemos crear un campo magnético con un imán, ahora según el descubrimiento de Oersted, podemos generar un campo magnético por medio de electricidad. Electricidad ==> Campo Magnético
Las dos fuerzas magnéticas, una por la corriente por el conductor y la otra la del propio imán, interactúan haciendo que la aguja de la brújula (imán) girase. En definitiva había creado un pequeño motor eléctrico. Mediante la electricidad podamos crear un giro de un eje = un motor eléctrico.
Electricidad ==> Rotación Mecánica.
También sucede al contrario, que es como se construyen los motores eléctricos de corriente continua.
Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de un campo magnético, el de un imán por ejemplo, el conductor se desplaza perpendicularmente al campo magnético, es decir se crea una fuerza en el conductor que hace que este se mueva. Una corriente + campo magnético = movimiento.
Realmente la corriente que circula por el conductor lo que hace es crear a su alrededor un campo magnético, como descubrió Oersted, y al interactuar el campo del imán con el campo creado en el conductor, se produce su movimiento al ser como dos imanes. Recuerda dos imanen enfrentados = fuerza de atracción o repulsión. Según el sentido de la corriente por el conductor el campo creado tendrá una polaridad o la contraria, por ese motivo, los campos se atraerán o repelerán, haciendo que el conductor se mueva un sentido o en otro.
Si el campo magnético es horizontal y el conductor está vertical, el conductor se desplazará saliendo o entrando del imán que provoca el campo magnético (depende del sentido de la corriente por el conductor).
En la imagen anterior el conductor se moverá en dirección de la fuerza que se crea sobre el cable o conductor (de color rojo). Pero... ¿Si el conductor o el campo magnético están en otra dirección? ¿cómo se mueve?
¿Cómo se Mueve el Conductor?
Es muy fácil averiguarlo con la regla de la mano izquierda. Si ponemos la mano izquierda en dirección del campo magnético creado por el imán B (de Norte a Sur) con el dedo índice, los otros 3 dedos, menos el pulgar, en la dirección de la corriente eléctrica por el conductor (ver en la imagen siguiente), la posición del pulgar nos dice la dirección del movimiento del conductor (en la imagen F, hacia arriba). Fíjate en la imagen siguiente:
Esta regla es válida para cualquier caso que se de. En el caso anterior el conductor sube (dirección de la fuerza generada sobre él).
Ahora ya podemos comenzar a construir y explicar el funcionamiento de un motor eléctrico.
Aunque el principio de funcionamiento sea el mismo, las causas que producen la rotación en los de c.c y los de c.a no son las mismas, por eso los estudiaremos por separado.
Al meter la corriente por la espira, es como si tenemos 2 conductores enfrentados (por uno entra la corriente y por el otro sale), un lado de la espira subirá y el otro bajará, ya que por un lado la corriente entra y por el otro lado de la espira la corriente sale. ¿Y esto que produce?. Pues produce un giro de la espira, un par de fuerzas con sentido contrario. Hemos conseguido hacer girar una espira por medio de la corriente eléctrica. ¡¡¡Ya tenemos nuestro motor!!!. Hemos convertido la energía eléctrica en energía mecánica en el movimiento del eje.
Veamos el dibujo, fíjate que el sentido de la corriente I a un lado y al otro de la espira es contrario, esto hace que se produzcan fuerzas opuestas a cada lado de la espira = Par de Fuerzas = Giro.
La entrada y salida de la corriente, si es corriente continua (motor de corriente continua), tiene siempre el mismo sentido, es por eso que debemos colocar lo que se llama el colector de delgas, un anillo cortado por el medio que es el encargado de recoger la corriente desde las escobillas y hacer que la corriente siempre entre y salga por el mismo lado.
Si te fijas esta partido en dos y gira con la espira, por eso al girar posibilita que siempre entre la corriente por el mismos sitio respecto a la espira. En el caso de la figura la corriente siempre entra por la parte de la espira que está a la izquierda (frente el polo sur del imán fijo) y siempre sale por la parte que está a la derecha (frente al polo Norte del imán fijo) independientemente de la posición de la espira. El par de fuerzas sobre la espira siempre hace que gire hacia el mismo lado.
Este sería el motor más sencillo, pero lógicamente para que tenga más par (fuerza) lo que haremos será colocar muchas espiras formando una bobina o bobinado o también llamado devanado.
Si sobre el imán fijo enrollamos unas bobina de cable eléctrico y hacemos pasar por la bobina una corriente eléctrica, entonces tenemos un electroimán que es capaz de generar un campo magnético mayor y por lo tanto mayor par en la espira o bobinado interior. Lo más común en los motores de c.c. es alimentar el electroimán con la misma corriente de la espira o bobina interna que gira.
Según lo explicado tenemos dos partes principales en nuestro motor:
- Parte Fija: Es un electroimán que produce un campo magnético que induce una fuerza sobre la espira o parte móvil. Se llama Estator (estático) o Inductor (induce la fuerza en la parte giratoria).
- Parte Móvil: Compuesto por muchas espiras de cable enrolladas o bobina. Se llama Rotor (rotación) o Inducido (se induce sobre el una fuerza).
Más adelante veremos todas las partes de un motor eléctrico.
Si ahora por el rotor la corriente que introducimos es corriente alterna, no será necesario poner colector de delgas ya que la corriente cambia de sentido cada ciclo o vuelta a la vez que gira el motor. Este tipo de motor no se utiliza en la vida real, aunque si se utiliza con el efecto contrario, como alternador eléctrico para obtener corriente alterna, como puedes ver si te interesa en el siguiente enlace: Generadores Eléctricos.
Los motores eléctricos de corriente alterna que se utilizan en la vida real son los asíncronos que estudiaremos a continuación. Si quieres puedes ver antes: corriente alterna.
Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético (imán) generaba una tensión o diferencial de potencial (d.d.p) entre sus dos extremos (igual que la pila tiene tensión entre sus dos extremos). También ocurre lo mismo si el imán se mueve y el conductor está fijo. En cualquier caso, si el conductor corta las líneas del campo magnético del imán se crea en el una tensión. Si unimos los extremos, por ejemplo en cortocircuito o con una bombilla, circulará una corriente por el conductor.
Si la que se mueve dentro del campo es una espira, si esa espira (los 2 conductores) cortan las líneas del campo magnético, es decir, se mueve dentro del campo, en los extremos de la espira se produce (induce) una tensión o diferencia de potencial inducida, de tal forma que si cuando está en movimiento conectamos un receptor en los extremos de la bobina, por ejemplo una bombilla, al cerrar el circuito con la bombilla, comenzará a circular por la espira una corriente eléctrica (intensidad) inducida y debido a esa tensión inducida, la bombilla luce.
Esta tensión generada en la espira al ser inducida se conoce como fuerza electromotriz inducida (fem), pero simplemente es una tensión entre dos punto. Si cortocircuitamos las espiras, se generará por la espira una corriente inducida (corriente de cortocircuito).
Nikola Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica genera un campo magnético giratorio al circular la corriente de cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán diferente (imán con bobina enrollada = electroimán). Fíjate en la siguiente animación:
Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va aumentando y cada medio ciclo de la onda el campo cambia de sentido.
Además, si tenemos un campo magnético estático dentro de otro campo magnético giratorio, el campo estático girará siguiendo al campo giratorio.
Imagina 2 imanes enfrentados, uno de ellos sujetándolo en nuestras manos y el otro con un eje que lo atraviese y que pueda girar. Al enfrentarlos con polos opuestos el del eje gira. Si movemos el que tenemos en nuestras manos (el giratorio), podemos seguir moviendo el del eje (estático), es decir podemos hacer que siga girando. Si los campos enfrentados son opuestos se repelen y por eso se mueve el campo estático. También si los polos enfrentados fueran distintos el que gira seguiría al giratorio externo girando por atracción.
Veamos esto con un ejemplo muy sencillo y un campo giratorio manual como el de la siguiente figura.
En la imagen puedes ver un campo giratorio manualmente externo, y un imán estático en su interior. El movimiento giratorio del externo provocará que gire el interno ya que intentará seguirle por la atracción de los polos diferentes que están enfrentados. La velocidad de giro del campo externo giratorio será la misma que la de rotación del imán interno. Velocidad de sincronismo se llama, y así son y giran los Motores Síncronos de Corriente Alterna. El campo giratorio del estator (inductor) gira a la misma velocidad que el rotor. Estos motores tienen el rotor compuestos por imanes permanentes, por ese motívo son asíncronos. El estator es un bobinado de imanes formando electroimanes. Estos motores no estudiaremos mucho más porque no se utilizan prácticamente, salvo en raras excepciones y sobre todo, como ya dijimos antes, como alternadores, pero no como motores.
Si el imán interno fuera una espira que está en movimiento, según Faraday al moverse el campo giratorio, en la espira se produciría una tensión en sus extremos. Recuerda que una espira moviéndose dentro de un campo genera tensión en sus extremos. Este caso es al revés pero lo mismo, se mueve el campo sobre la espira, pero la espira corta las líneas del campo giratorio igualmente y se genera en ella una tensión.
Si ahora esta espira la ponemos en cortocircuito, se produce una corriente inducida en la espira, y como ya sabemos por Oersted, al circular esta corriente inducida por la espira, en la espira se crea un campo magnético. Ya tenemos nuestros dos campos magnéticos, uno giratorio (en este caso manual) y otro estático e inducido por la corriente inducida en la espira.
En este caso la espira girará un poco más lento que el campo giratorio, ya que si girasen a la misma velocidad la espira no cortaría las líneas del campo giratorio y no se produciría corriente inducida. Conclusión, si girase a la misma velocidad el motor se pararía. Estos motores son los Motores Asíncronos de Corriente Alterna.
Ya sabemos el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna, pero el problema ahora es como crear un campo giratorio con corriente alterna y no manual para crear nuestro motor eléctrico. Eso será lo que veremos a continuación.
Motores de Corriente Alterna Asíncronos
Todos los motores de corriente alterna asíncronos, ya sean monofásicos o trifásicos, tienen dos partes diferenciadas:
- El estator: Es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras. Los bobinados están dispuestos en dichas ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red a la que se conectará la máquina. En los motores trifásicos 3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por bobina), pero en lo monofásicos necesitamos 2 en lugar de uno por el problema del arranque del motor como luego veremos. Esta parte es la que creará el campo magnético giratorio, por eso se llama Inductor, ya que inducirá una corriente en la otra parte, o lo que es lo mismo inducirá el movimiento.
- El rotor: Es la parte móvil del motor. Esta situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado eléctrico. Los tipos más utilizados son: Rotor de jaula de ardilla y Rotor bobinado. También se llama inducido porque es donde se inducirá las tensiones, corrientes y por lo tanto el movimiento de nuestro motor.
El rotor en jaula de ardilla es rotor con una serie de barras de aluminio o cobre (conductores) a su alrededor y unidas en cortocircuito por dos anillos en sus extremos. El de rotor bobinado es un rotor con bobinas a su alrededor. Fíjate en la imagen.
Motor Trifásico
Son motores eléctricos alimentados por un sistema trifásico de corrientes (3 fases). Son los motores más usados, ya que en estos motores no tenemos el problema del arranque como en los monofásicos.
Según lo estudiado al principio para los motores en alterna, si creamos un campo giratorio en el estator, y en el rotor creamos otro campo magnético, el campo magnético del rotor seguirá al campo giratorio del estator, girando el rotor y por lo tanto el motor.
Si tuviéramos un motor con un estator con solo 3 espiras y cada espira la alimentamos con una fase diferente, resulta que tendremos 3 campos generados diferentes en cada momento y variables con el tiempo. Recuerda que las fases están desfasadas 120º, como muestra la imagen de más abajo. La interacción de los 3 campos que producen las 3 fases crea un campo magnético giratorio en el estator del motor. Ver Animación del Campo Giratorio.
En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por L2 y L3 y uno positivo creado por L1 y que al tener la corriente el valor máximo será el campo máximo que puede crear L1. La suma vectorial de los 3 campos nos da el vector de color negro dentro del motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos serán negativos. La suma de los 3 dan como resultado el vector en esa posición. Se puede comprobar como ha girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos. El vector del campo y el campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas.
Este campo giratorio, además cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una corriente inducida ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán otro campo magnético en el rotor. El campo magnético creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator. El campo del rotor es contrario al del estator, ya que según un físico llamado "Lenz" en su ley dice:
Ley de Lenz: las fuerzas electromotrices (tensiones) inducidas, como las que se inducen en el rotor y luego producen corrientes, tienen un sentido tal que sus efectos tienden a oponerse a la causa que las produce, es decir se oponen a que les corte el campo giratorio, por eso le siguen, para intentar que no le corten líneas de este campo. Además serán el campo giratorio externo tendrá los polos opuestos que el interno del rotor, por lo que se verá rechazado "empujado" y girará.
Gira el rotor porque es algo parecido a como anteriormente explicamos con dos imanes, uno en nuestras manos y otro con un eje que puede girar. Recuerda que son 2 campos magnéticos, uno dentro de otro, uno giratorio y el otro creado fijo pero sobre un rotor que puede girar.
Ahora sería bueno que vieras el siguiente video, es de un motor monofásico, pero te servirá para comprender el efecto de inducción electromagnética y por qué giran los motores. Luego veremos el motor monofásico explicado.
¿Qué es un Motor Eléctrico?
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias. Transforman una energía eléctrica en energía mecánica de rotación en un eje. Tienen múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico a reemplazado en gran parte a otras fuentes de energia, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica. Entonces solo seria necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico. Recuerda también se pueden llamar "motor electromagnético". Pero expliquemos todo esto mucho mejor y desde el principio.
Todo empezó gracias al científico Hans Christian Oersted que comprobó como colocando una espira (cable enrollado) alrededor de una brújula, si hacia pasar una corriente por la espira, la aguja de la brújula, que está unida a un imán giratorio, se movía. Lo que hacía la espira con corriente eléctrica era mover el imán de la brújula que estaba dentro de la espira.
De esta forma demostró la relación que había entre la electricidad y el magnetismo.
Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que atraen o repelen metales). Esta propiedad de atraer metales se llama magnetismo.
Un campo magnético lo puede generar un imán con dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos polos se encuentran en los extremos del campo que genera el imán.
Antes del descubrimiento de Oersted ya se sabía que un imán tiene un campo magnético y que cuando le atraviesa otro campo magnético, el de otro imán por ejemplo, los imanes se mueve por atracción o repulsión. Si acercas dos imanes, cuando se juntan los campos magnéticos generados por cada uno de ellas, se mueven. Polos iguales enfrentados se repelen, polos distintos se atraen.
Pero... ¿Qué demostró Oersted con su experimento?. Pues algo importantísimo para poder posteriormente crear un motor eléctrico.
El conductor con corriente eléctrica (la espira) se comportaba como un imán frente al imán de la brújula, creaba un campo magnético a su alrededor, por eso se movía la brújula al pasar corriente por el conductor.
No solo podemos crear un campo magnético con un imán, ahora según el descubrimiento de Oersted, podemos generar un campo magnético por medio de electricidad. Electricidad ==> Campo Magnético
Las dos fuerzas magnéticas, una por la corriente por el conductor y la otra la del propio imán, interactúan haciendo que la aguja de la brújula (imán) girase. En definitiva había creado un pequeño motor eléctrico. Mediante la electricidad podamos crear un giro de un eje = un motor eléctrico.
Electricidad ==> Rotación Mecánica.
También sucede al contrario, que es como se construyen los motores eléctricos de corriente continua.
Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de un campo magnético, el de un imán por ejemplo, el conductor se desplaza perpendicularmente al campo magnético, es decir se crea una fuerza en el conductor que hace que este se mueva. Una corriente + campo magnético = movimiento.
Realmente la corriente que circula por el conductor lo que hace es crear a su alrededor un campo magnético, como descubrió Oersted, y al interactuar el campo del imán con el campo creado en el conductor, se produce su movimiento al ser como dos imanes. Recuerda dos imanen enfrentados = fuerza de atracción o repulsión. Según el sentido de la corriente por el conductor el campo creado tendrá una polaridad o la contraria, por ese motivo, los campos se atraerán o repelerán, haciendo que el conductor se mueva un sentido o en otro.
Si el campo magnético es horizontal y el conductor está vertical, el conductor se desplazará saliendo o entrando del imán que provoca el campo magnético (depende del sentido de la corriente por el conductor).
En la imagen anterior el conductor se moverá en dirección de la fuerza que se crea sobre el cable o conductor (de color rojo). Pero... ¿Si el conductor o el campo magnético están en otra dirección? ¿cómo se mueve?
¿Cómo se Mueve el Conductor?
Es muy fácil averiguarlo con la regla de la mano izquierda. Si ponemos la mano izquierda en dirección del campo magnético creado por el imán B (de Norte a Sur) con el dedo índice, los otros 3 dedos, menos el pulgar, en la dirección de la corriente eléctrica por el conductor (ver en la imagen siguiente), la posición del pulgar nos dice la dirección del movimiento del conductor (en la imagen F, hacia arriba). Fíjate en la imagen siguiente:
Esta regla es válida para cualquier caso que se de. En el caso anterior el conductor sube (dirección de la fuerza generada sobre él).
Ahora ya podemos comenzar a construir y explicar el funcionamiento de un motor eléctrico.
¿Cómo Funciona un Motor Eléctrico?
Tanto los motores de corriente continua (c.c) como los de corriente alterna (c.a) funcionan por inducción electromagnética, o lo que es lo mismo, un campo magnético induce o produce una fuerza rotatoria por un conductor que lleva corriente eléctrica.Aunque el principio de funcionamiento sea el mismo, las causas que producen la rotación en los de c.c y los de c.a no son las mismas, por eso los estudiaremos por separado.
Motor de Corriente Continua
Para crear nuestro primer motor de corriente continua, el cable con corriente eléctrica que anteriormente se movía dentro de un campo lo vamos a convertir en una espira (cable enrollado, ver imagen de más abajo).Al meter la corriente por la espira, es como si tenemos 2 conductores enfrentados (por uno entra la corriente y por el otro sale), un lado de la espira subirá y el otro bajará, ya que por un lado la corriente entra y por el otro lado de la espira la corriente sale. ¿Y esto que produce?. Pues produce un giro de la espira, un par de fuerzas con sentido contrario. Hemos conseguido hacer girar una espira por medio de la corriente eléctrica. ¡¡¡Ya tenemos nuestro motor!!!. Hemos convertido la energía eléctrica en energía mecánica en el movimiento del eje.
Veamos el dibujo, fíjate que el sentido de la corriente I a un lado y al otro de la espira es contrario, esto hace que se produzcan fuerzas opuestas a cada lado de la espira = Par de Fuerzas = Giro.
La entrada y salida de la corriente, si es corriente continua (motor de corriente continua), tiene siempre el mismo sentido, es por eso que debemos colocar lo que se llama el colector de delgas, un anillo cortado por el medio que es el encargado de recoger la corriente desde las escobillas y hacer que la corriente siempre entre y salga por el mismo lado.
Si te fijas esta partido en dos y gira con la espira, por eso al girar posibilita que siempre entre la corriente por el mismos sitio respecto a la espira. En el caso de la figura la corriente siempre entra por la parte de la espira que está a la izquierda (frente el polo sur del imán fijo) y siempre sale por la parte que está a la derecha (frente al polo Norte del imán fijo) independientemente de la posición de la espira. El par de fuerzas sobre la espira siempre hace que gire hacia el mismo lado.
Este sería el motor más sencillo, pero lógicamente para que tenga más par (fuerza) lo que haremos será colocar muchas espiras formando una bobina o bobinado o también llamado devanado.
Si sobre el imán fijo enrollamos unas bobina de cable eléctrico y hacemos pasar por la bobina una corriente eléctrica, entonces tenemos un electroimán que es capaz de generar un campo magnético mayor y por lo tanto mayor par en la espira o bobinado interior. Lo más común en los motores de c.c. es alimentar el electroimán con la misma corriente de la espira o bobina interna que gira.
Según lo explicado tenemos dos partes principales en nuestro motor:
- Parte Fija: Es un electroimán que produce un campo magnético que induce una fuerza sobre la espira o parte móvil. Se llama Estator (estático) o Inductor (induce la fuerza en la parte giratoria).
- Parte Móvil: Compuesto por muchas espiras de cable enrolladas o bobina. Se llama Rotor (rotación) o Inducido (se induce sobre el una fuerza).
Más adelante veremos todas las partes de un motor eléctrico.
Si ahora por el rotor la corriente que introducimos es corriente alterna, no será necesario poner colector de delgas ya que la corriente cambia de sentido cada ciclo o vuelta a la vez que gira el motor. Este tipo de motor no se utiliza en la vida real, aunque si se utiliza con el efecto contrario, como alternador eléctrico para obtener corriente alterna, como puedes ver si te interesa en el siguiente enlace: Generadores Eléctricos.
Los motores eléctricos de corriente alterna que se utilizan en la vida real son los asíncronos que estudiaremos a continuación. Si quieres puedes ver antes: corriente alterna.
Motores de Corriente Alterna
El principio de funcionamiento de estos motores se basa en el campo magnético giratorio que crea una corriente alterna trifásica (3 fases) descubierto por Tesla y en el descubrimiento de las corrientes inducida de Faraday.Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético (imán) generaba una tensión o diferencial de potencial (d.d.p) entre sus dos extremos (igual que la pila tiene tensión entre sus dos extremos). También ocurre lo mismo si el imán se mueve y el conductor está fijo. En cualquier caso, si el conductor corta las líneas del campo magnético del imán se crea en el una tensión. Si unimos los extremos, por ejemplo en cortocircuito o con una bombilla, circulará una corriente por el conductor.
Si la que se mueve dentro del campo es una espira, si esa espira (los 2 conductores) cortan las líneas del campo magnético, es decir, se mueve dentro del campo, en los extremos de la espira se produce (induce) una tensión o diferencia de potencial inducida, de tal forma que si cuando está en movimiento conectamos un receptor en los extremos de la bobina, por ejemplo una bombilla, al cerrar el circuito con la bombilla, comenzará a circular por la espira una corriente eléctrica (intensidad) inducida y debido a esa tensión inducida, la bombilla luce.
Esta tensión generada en la espira al ser inducida se conoce como fuerza electromotriz inducida (fem), pero simplemente es una tensión entre dos punto. Si cortocircuitamos las espiras, se generará por la espira una corriente inducida (corriente de cortocircuito).
Nikola Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica genera un campo magnético giratorio al circular la corriente de cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán diferente (imán con bobina enrollada = electroimán). Fíjate en la siguiente animación:
Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va aumentando y cada medio ciclo de la onda el campo cambia de sentido.
Además, si tenemos un campo magnético estático dentro de otro campo magnético giratorio, el campo estático girará siguiendo al campo giratorio.
Imagina 2 imanes enfrentados, uno de ellos sujetándolo en nuestras manos y el otro con un eje que lo atraviese y que pueda girar. Al enfrentarlos con polos opuestos el del eje gira. Si movemos el que tenemos en nuestras manos (el giratorio), podemos seguir moviendo el del eje (estático), es decir podemos hacer que siga girando. Si los campos enfrentados son opuestos se repelen y por eso se mueve el campo estático. También si los polos enfrentados fueran distintos el que gira seguiría al giratorio externo girando por atracción.
Veamos esto con un ejemplo muy sencillo y un campo giratorio manual como el de la siguiente figura.
En la imagen puedes ver un campo giratorio manualmente externo, y un imán estático en su interior. El movimiento giratorio del externo provocará que gire el interno ya que intentará seguirle por la atracción de los polos diferentes que están enfrentados. La velocidad de giro del campo externo giratorio será la misma que la de rotación del imán interno. Velocidad de sincronismo se llama, y así son y giran los Motores Síncronos de Corriente Alterna. El campo giratorio del estator (inductor) gira a la misma velocidad que el rotor. Estos motores tienen el rotor compuestos por imanes permanentes, por ese motívo son asíncronos. El estator es un bobinado de imanes formando electroimanes. Estos motores no estudiaremos mucho más porque no se utilizan prácticamente, salvo en raras excepciones y sobre todo, como ya dijimos antes, como alternadores, pero no como motores.
Si el imán interno fuera una espira que está en movimiento, según Faraday al moverse el campo giratorio, en la espira se produciría una tensión en sus extremos. Recuerda que una espira moviéndose dentro de un campo genera tensión en sus extremos. Este caso es al revés pero lo mismo, se mueve el campo sobre la espira, pero la espira corta las líneas del campo giratorio igualmente y se genera en ella una tensión.
Si ahora esta espira la ponemos en cortocircuito, se produce una corriente inducida en la espira, y como ya sabemos por Oersted, al circular esta corriente inducida por la espira, en la espira se crea un campo magnético. Ya tenemos nuestros dos campos magnéticos, uno giratorio (en este caso manual) y otro estático e inducido por la corriente inducida en la espira.
En este caso la espira girará un poco más lento que el campo giratorio, ya que si girasen a la misma velocidad la espira no cortaría las líneas del campo giratorio y no se produciría corriente inducida. Conclusión, si girase a la misma velocidad el motor se pararía. Estos motores son los Motores Asíncronos de Corriente Alterna.
Ya sabemos el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna, pero el problema ahora es como crear un campo giratorio con corriente alterna y no manual para crear nuestro motor eléctrico. Eso será lo que veremos a continuación.
Motores de Corriente Alterna Asíncronos
Todos los motores de corriente alterna asíncronos, ya sean monofásicos o trifásicos, tienen dos partes diferenciadas:
- El estator: Es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras. Los bobinados están dispuestos en dichas ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red a la que se conectará la máquina. En los motores trifásicos 3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por bobina), pero en lo monofásicos necesitamos 2 en lugar de uno por el problema del arranque del motor como luego veremos. Esta parte es la que creará el campo magnético giratorio, por eso se llama Inductor, ya que inducirá una corriente en la otra parte, o lo que es lo mismo inducirá el movimiento.
- El rotor: Es la parte móvil del motor. Esta situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado eléctrico. Los tipos más utilizados son: Rotor de jaula de ardilla y Rotor bobinado. También se llama inducido porque es donde se inducirá las tensiones, corrientes y por lo tanto el movimiento de nuestro motor.
El rotor en jaula de ardilla es rotor con una serie de barras de aluminio o cobre (conductores) a su alrededor y unidas en cortocircuito por dos anillos en sus extremos. El de rotor bobinado es un rotor con bobinas a su alrededor. Fíjate en la imagen.
Motor Trifásico
Son motores eléctricos alimentados por un sistema trifásico de corrientes (3 fases). Son los motores más usados, ya que en estos motores no tenemos el problema del arranque como en los monofásicos.
Según lo estudiado al principio para los motores en alterna, si creamos un campo giratorio en el estator, y en el rotor creamos otro campo magnético, el campo magnético del rotor seguirá al campo giratorio del estator, girando el rotor y por lo tanto el motor.
Si tuviéramos un motor con un estator con solo 3 espiras y cada espira la alimentamos con una fase diferente, resulta que tendremos 3 campos generados diferentes en cada momento y variables con el tiempo. Recuerda que las fases están desfasadas 120º, como muestra la imagen de más abajo. La interacción de los 3 campos que producen las 3 fases crea un campo magnético giratorio en el estator del motor. Ver Animación del Campo Giratorio.
En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por L2 y L3 y uno positivo creado por L1 y que al tener la corriente el valor máximo será el campo máximo que puede crear L1. La suma vectorial de los 3 campos nos da el vector de color negro dentro del motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos serán negativos. La suma de los 3 dan como resultado el vector en esa posición. Se puede comprobar como ha girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos. El vector del campo y el campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas.
Este campo giratorio, además cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una corriente inducida ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán otro campo magnético en el rotor. El campo magnético creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator. El campo del rotor es contrario al del estator, ya que según un físico llamado "Lenz" en su ley dice:
Ley de Lenz: las fuerzas electromotrices (tensiones) inducidas, como las que se inducen en el rotor y luego producen corrientes, tienen un sentido tal que sus efectos tienden a oponerse a la causa que las produce, es decir se oponen a que les corte el campo giratorio, por eso le siguen, para intentar que no le corten líneas de este campo. Además serán el campo giratorio externo tendrá los polos opuestos que el interno del rotor, por lo que se verá rechazado "empujado" y girará.
Gira el rotor porque es algo parecido a como anteriormente explicamos con dos imanes, uno en nuestras manos y otro con un eje que puede girar. Recuerda que son 2 campos magnéticos, uno dentro de otro, uno giratorio y el otro creado fijo pero sobre un rotor que puede girar.
Ahora sería bueno que vieras el siguiente video, es de un motor monofásico, pero te servirá para comprender el efecto de inducción electromagnética y por qué giran los motores. Luego veremos el motor monofásico explicado.