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BOLETÍN MENSUAL PREPARADO POR WWW.MOTORTICO.COM, COSTA RICA JULIO 2015

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

Principio del Campo Magnético Rotatorio en Máquinas Rotativas Trifásicas

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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 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

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:

�� =120 ∗ ��

���

NOTA: La constante 120 tiene que ver con el desfase de 120º.

Por ejemplo: Motor 2 Polos, 60 Hz, tendrá �� = 3600��.

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).

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:

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.

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