Motores Monofásicos y Trifásicos

Los motores son dispositivos electromecánicos esenciales en muchas aplicaciones industriales, comerciales y domésticas. Su función en términos físicos es transformar energía eléctrica, proveniente de una fuente de corriente alterna o corriente directa, en energía mecánica rotativa. Los motores pueden verse en electrodomésticos, maquinaria industrial y sistemas HVAC. Particularmente en los sistemas HVAC, los motores son elementos importantes de cualquier bomba centrífuga, y es de suma conveniencia el conocer el funcionamiento de estos dispositivos.

¿En qué consiste un motor?
Un motor, ya sea de corriente directa o alterna, generalmente consta de dos partes principales: El estator y el rotor. El estator es la parte del motor que se mantiene estática, y que genera el movimiento sobre el rotor, que es la parte del motor que gira. El estator genera un campo magnético (ya sea por bobinas o por medio de un imán), que induce una corriente en elementos conductivos del rotor. La inducción de corriente genera al mismo tiempo un campo electromagnético en el rotor, el cual se mueve gracias a la interacción magnética entre su campo magnético y el del estator. Por esto, este tipo de motores se llaman motores de inducción.

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Partes principales de un motor de inducción: Estator (izquierda) y rotor (derecha).

Corriente Alterna:

Para profundizar en el tema de los motores de corriente alterna, se puede explorar en cierta medida qué es la corriente alterna. Un sistema de corriente alterna genera un voltaje (y con esto, una corriente) variante en el tiempo, en forma de una señal de potencia senoidal. Esto se contrasta con un sistema de corriente directa, que proporciona un nivel de voltaje (o corriente) con una magnitud constante. La alimentación eléctrica en los hogares y muchos locales comerciales es generalmente una corriente alterna de 110VAC, aunque es posible contar con instalaciones de 220VAC. Los electrodomésticos y muchas máquinas generalmente están diseñadas para obtener energías de fuentes de corriente alterna.

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Señales de corriente directa (DC) y corriente alterna (AC).

Corriente monofásica y trifásica

En el ámbito de la corriente alterna se pueden considerar los sistemas de una fase (monofásicos) o de tres fases (trifásicos). Mientras que un sistema monofásico provee energía eléctrica por medio de una señal de voltaje (llamada Línea) y una señal constante de referencia (llamada Neutral), un sistema trifásico hace uso de tres señales senoidales llamadas Fases, y en ocasiones una señal constante de referencia, con un desfase de 120° entre sí. La alimentación monofásica generalmente tiene un valor de 110VAC o 220VAC, mientras que la alimentación trifásica se presenta en valores de 220VAC o 440VAC.

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Representación gráfica de corriente alterna monofásica (arriba) y corriente alterna trifásica (abajo).

Como se puede apreciar en la imagen anterior, la señal monofásica solo tiene una señal senoidal con respecto a un voltaje de referencia (omitida, pero que se encuentra en el eje central de la señal). La señal trifásica cuenta con tres señales de voltaje, cada una con su propia fase.

Los sistemas trifásicos surgieron de la necesidad de transmitir mayor potencia eléctrica, con la adversidad de tener que usar calibres considerablemente mayores de cables conductores para otorgar mayor corriente con una señal monofásica. Al usar tres líneas en lugar de dos, la corriente transmitida se distribuye en cada una, permitiendo usar un calibre de cable menor en cada una, generando en total un gasto menor en cobre (el cual es costoso) al usar múltiples cables de calibre menor en lugar de uno de calibre mucho mayor.

 

Funcionamiento del motor de inducción

Una vez comprendido los conceptos básicos referentes a la corriente alterna, y a los sistemas monofásicos y trifásicos, se puede explicar mejor el funcionamiento de los motores de corriente alterna.

El estator está conformado por un embobinado, el cual se conecta directamente con la corriente de alimentación. Este embobinado, al experimentar una corriente alterna, produce un campo magnético que gira alrededor del centro de la bobina, con una magnitud constante, y con frecuencia (giros por segundo) igual a la frecuencia de la alimentación (la cual es 60 Hz en una toma de corriente común).

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En el estator, al experimentar una corriente alterna, se presenta un campo magnético giratorio (representado por líneas doradas).

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En un motor trifásico, se puede simplificar el efecto magnético del estator usando solo tres cables (al usar embobinado, el campo magnético simplemente aumenta de intensidad). Las flechas azules representan la corriente en cada cable, y las líneas doradas la dirección del campo magnético.

El rotor se asemeja a una rueda de ratón, conformado por barras de material conductivo conectadas en sus extremos por anillos, y con discos de hierro colocados concéntricamente en su interior.

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Ejemplo de rotor de motor, llamado Rotor Caja de Ardilla o “Squirrel Cage”, por su semejanza a rueda para ratón.

Al introducir el rotor dentro del campo magnético generado por el estator, el material magnético experimenta una corriente y una fuerza electromotriz inducida magnéticamente por el estator. La corriente en el rotor genera en éste un campo magnético adicional, que interactúa con el del estator y provoca el giro. Se puede visualizar como si el estator fuera un imán que gira (ya que su campo magnético gira), y el rotor es un imán cilíndrico dentro del estator que trata de alcanzar la polaridad del estator por medio del giro.

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Interacción entre estator y rotor. Los colores rojo, amarillo y azul representan las fases de la corriente de alimentación. El campo magnético del estator (con polos N y S en negro) provocan el giro del campo magnético del rotor (café, con polos N y S en blanco).

Cabe mencionar que el motor solo experimenta giro cuando el rotor “persigue” al campo magnético del estator, y se detiene cuando sus polos están alineados. Cuando el rotor se alinea con el campo magnético del estator, éste se detiene, pero en poco tiempo se ve desalineado de nuevo por su falta de movimiento, por lo que reinicia su movimiento, hasta estabilizarse en una velocidad cercana, pero no igual, a la del campo magnético. En otras palabras, el rotor debe girar más lento que el campo magnético del estator, o de la frecuencia de la corriente de alimentación.

Motores monofásicos y trifásicos

Además de la diferencia de la corriente de alimentación en los motores, se tienen varias diferencias en funcionamiento y aplicaciones entre los motores monofásicos y trifásicos. Probablemente la diferencia más relevante, después de la alimentación, es el hecho de que los motores monofásicos, por sí solos, no se pueden encender automáticamente con la alimentación*. Requieren de algún mecanismo o circuito adicional que los auxilien en iniciar su giro. Los motores trifásicos, en cambio, no tienen este problema. Algo interesante respecto a este tema es que los motores trifásicos pueden alimentarse de una corriente monofásica, pero tendrán el mismo problema de los motores monofásicos de no poder “auto-encender”.

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Diferencias entre motores monofásicos y trifásicos

Se puede concluir que los factores más relevantes para la elección entre motores monofásicos y trifásicos es la corriente de alimentación disponible y la aplicación que se le dará (considerando las cargas que tendrá el motor). Para Sistemas HVAC, se puede tener una fuerte confianza en los motores trifásicos. Cualquier usuario interesado puede consultar con un agente de ventas de AQS Industrial para la compra de un motor que cumpla sus requisitos.

*Para profundizar de este fundamento científico, consultar el tema “Teoría de Doble Campo Giratorio”, o “Double Field Revolving Theory”.

 

Escrito por:
Julio Sanchez de la Vega Buenrostro
Practicante Nuevos Productos.

Fuentes consultadas

EETech Media, LLC. Three-phase Power Systems. Recuperado de https://www.allaboutcircuits.com/textbook/alternating-current/chpt-10/three-phase-power-systems/
Learn Engineering. (2013). How does an Induction Motor work? [Archivo de video]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=LtJoJBUSe28
Nilsson, J. W. (1995). Circuitos Eléctricos. Estados Unidos: Addison-Wesley
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