Principio del Campo Magnético Rotatorio en Máquinas

WWW.MOTORTICO.COM
Julio 2015
BOLETÍN MENSUAL PREPARADO POR WWW.MOTORTICO.COM, COSTA RICA
JULIO 2015
Principio del Campo Magnético Rotatorio en
Máquinas Rotativas Trifásicas
Los principios básicos que sustentan la operación de las máquinas
rotativas trifásicas son: i) la inducción electromagnética, y ii) el campo
magnético rotatorio (o Rotativo). En el presente boletín se revisa la
teoría del segundo principio, que clarifique conceptos fundamentales.
Breve Reseña Histórica
Se sabe que los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los
antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la
ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término
magnetismo. El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a
los imanes hasta que en 1820 Hans Christian Ørsted, profesor de la
Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el
que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su
alrededor. Muchos experimentos siguieron con André-Marie Ampère,
Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday, James Clerk Maxwell y otros
que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad.
Llevando este concepto a las
máquinas
eléctricas,
un
campo
magnético rotativo o campo magnético
giratorio es un campo magnético que rota
a una velocidad uniforme y es generado a
partir de una corriente eléctrica alterna
trifásica. Fue descubierto por Galileo
Ferraris en 1885. El primer prototipo de
motor eléctrico capaz de funcionar con
corriente alterna, basado en este
principio, fue desarrollado y construido
por el ingeniero Nikola Tesla y
presentado en el American Institute of
Electrical Engineers (actualmente IEEE)
en 1888. La Fig. 1 presenta la patente
original de Tesla.
Figura 1 Patente de Tesla
Campo Magnético Rotatorio
El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede
ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estator, en el
que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas
y están desfasadas entre sí 120º en el espacio. Según el Teorema de
Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes
trifásicas equilibradas, cuyo desfase en el tiempo es también de 120º,
se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este
campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la
Ley de inducción de Faraday. Es posible representar los 120º en escala
de tiempo, esto es: 5.56 ms en 60Hz y 6.67 ms en 50Hz. Es decir, el
desfase que tienen las fases en 60Hz es de 5.56 ms, lo que puede
interpretarse como la diferencia de tiempo que se alcanzan los
máximos, o el cruce por cero de las fases. Ver Fig. 2 para entender.
Figura 2 Desfase en Grados y Milisegundos
Esto está relacionado con los procesos de generación eléctrica,
basado en la Ley de Faraday, donde el arreglo de bobinas trifásico,
colocados en un generador con un desfase de 120º en el espacio
produce un voltaje como el mostrado en la Fig. 2. En el momento de
alimentar con este voltaje el arreglo de bobinas, esta vez colocadas en
WWW.MOTORTICO.COM
Julio 2015
el estator del MOTOR, el proceso se invierte, y ahora se produce el
campo magnético rotatorio. Para recordar el proceso de generación
ver Fig. 3 mostrándo el rotor como un imán permanente.
Figura 5 Paso de la Bobina
en 2 y 4 Polos
Sin embargo, no resulta tan intuitivo relacionar la cantidad de polos,
el paso de la bobina, y la velocidad de giro del campo magnético
rotatorio. A continuación se realiza una explicación detallada:
Figura 3 Generador Eléctrico Trifásico
El proceso que se presenta en el motor eléctrico se muestra en la
Fig. 4, indicando el campo magnético resultante en distintos tiempos
en un ciclo completo de la onda senoidal. Abajo
1. Considere un modelo simplificado de un estator trifásico con 3
bobinas
separadas
120°.
2. Este arreglo produce 2 polos.
3. Si se hace una barrida completa de la onda senoidal de corriente, la
onda viajera rotativa del campo magnético da una vuelta
completa.
4. Ahora considere un modelo de un estator trifásico con 12
bobinas,4
por
fase.
Figura 4 Campo Magnétito Rotatorio en Motor Trifásico 50 Hz
Cada fase produce un campo magnético pulsante, independiente
de las restantes, pero al sumar el efecto de las tres fases, la resultante
es un campo magnético rotatorio.
Polos, Frecuencia y Velocidad de Giro
La relación para la velocidad de giro del campo magnético
rotatorio, conocida como Velocidad Sincrónica, incluye la cantidad de
polos (Norte-Sur) producidos en el estator y la frecuencia de la red
eléctrica ݂௘ . La fórmula es la siguiente:
ܰ௦ =
120 ∗ ݂௘
ܲ‫ݏ݋݈݋‬
NOTA: La constante 120 tiene que ver con el desfase de 120º.
Por ejemplo: Motor 2 Polos, 60 Hz, tendrá ܰ௦ = 3600ܴܲ‫ܯ‬.
Los polos que produce el estator está relacionado con el paso de la
bobina de cada fase. La regla general es que el espacio del estator se
divide en las misma cantidad de partes del número de polos. Por
ejemplo, en la Fig. 5 se muestran dos casos: a la izquierda se producen
2 polos, ya que la bobina abarca la mitad del espacio (Se muestra una
sola bobina, cada fase tiene 2 bobinas). A la derecha se muestra un
estator que produce 4 polos, ya que el paso de la bobina abarca una
cuarta parte del espacio (en este caso se tienen 4 bobinas por fase).
Esperamos sus comentarios, escribanos a: onunezm@hotmail.com
5. Este arreglo produce 4 polos.
6. En cuatro polos, si se hace una barrida de la onda senoidal de
corriente, la onda viajera rotativa del campo magnético apenas da
la mitad de la vuelta del estator, por eso se hace más lento.
Insistimos, esto tiene que ver con el paso de la bobina.
Inversión de Giro
Para realizar el cambio de giro en un motor trifásico se deben
invertir dos fases, como lo muestra la Fig. 6. Al cambiar dos fases se
modifica el orden de cuál cada fase llega a su máximo positivo. El de la
izquierda llega en orden: U-V-W, con sentido de giro con relog (CW
por sus siglas en inglés). A la derecha el orden cambia a U-W-V en
alcanzar el máximo positivo.
Así el motor cambia de
sentido.
Figura 6 Cambio de sentido de
giro
Página 2