El campo magnético giratorio: cómo las corrientes trifásicas hacen girar un motor

Un solo devanado crea un campo pulsante

Empiece con una sola bobina en el estator que lleva una corriente alterna i = I_m × sin(ωt). La bobina produce un campo magnético a lo largo de un eje fijo, y la intensidad de ese campo sigue a la corriente: crece, cae a cero, se invierte y vuelve a crecer, 100 veces por segundo con una red de 50 Hz.

Es un campo pulsante. No gira; simplemente respira a lo largo de una línea. Matemáticamente puede descomponerse en dos campos iguales que giran en sentidos opuestos, uno directo y otro inverso. Sus efectos de giro se anulan, de modo que un rotor en reposo no recibe empuje en ningún sentido. Por eso un motor puramente monofásico no tiene par de arranque.

Tres devanados, a 120° entre sí

Ahora coloque tres devanados idénticos, A, B y C, alrededor del estator de modo que sus ejes formen 120° en el espacio. Aliméntelos con tres corrientes de igual amplitud desfasadas 120° en el tiempo:

i_A = I_m × sin(ωt) i_B = I_m × sin(ωt − 120°) i_C = I_m × sin(ωt − 240°)

Cada devanado crea su propio campo pulsante a lo largo de su propio eje. El campo resultante en cada instante es la suma vectorial de los tres. Un resultado elegante de la trigonometría es que la suma tiene una magnitud constante igual a 1,5 veces el valor de pico del campo de una fase, y su dirección gira alrededor del estator a la frecuencia angular de la alimentación.

Puede comprobarlo en unos cuantos instantes. En ωt = 0, la fase A vale cero, B vale −0,866 I_m y C vale +0,866 I_m, de modo que el campo apunta en ángulo recto con el eje A. En ωt = 90°, A está en su pico, B y C valen cada una −0,5 I_m, y el campo apunta a lo largo del eje A. El campo se ha desplazado 90 grados eléctricos mientras su longitud se mantiene igual.

Velocidad síncrona: 120 × f / p

Durante un ciclo eléctrico, el campo avanza un par de polos. Una máquina con p polos tiene p / 2 pares de polos, así que el campo da 2 / p de vuelta por ciclo. Con f ciclos por segundo y 60 segundos por minuto, la velocidad en revoluciones por minuto es

N_s = 60 × f / (p / 2) = 120 × f / p

Esta es la velocidad síncrona.

• 2 polos a 50 Hz: 3000 rpm
• 4 polos a 50 Hz: 1500 rpm
• 6 polos a 50 Hz: 1000 rpm
• 8 polos a 50 Hz: 750 rpm
• 4 polos a 60 Hz: 1800 rpm

Por tanto, la velocidad del campo depende solo de la frecuencia y del número de polos, nunca de la carga ni de la tensión. Para cambiar la velocidad se cambia la frecuencia, que es exactamente lo que hace un variador de frecuencia, o se cambia el número de polos del devanado.

Inversión del sentido de giro

El campo gira en el orden en que las corrientes de fase alcanzan sus picos, lo que se llama secuencia de fases. Con la secuencia A–B–C el campo gira en un sentido; con A–C–B, en el contrario.

Así, para invertir un motor trifásico basta con intercambiar dos cualesquiera de los tres conductores de alimentación. No cambia nada en el propio motor. El rotor, ya sea una jaula de ardilla que persigue el campo o un imán enganchado a él, sigue al campo y gira en sentido contrario.

Lo mismo vale para un generador trifásico: conectarlo a una red con la secuencia de fases equivocada es un error clásico de puesta en servicio, y por eso existen los medidores de secuencia de fases.

Cómo sigue el rotor al campo

Un campo giratorio es solo la mitad de la historia; el rotor debe responder a él. La forma en que lo hace distingue las principales familias de motores.

• Motor de inducción: el campo barre las barras del rotor, induce corrientes en ellas, y la interacción de esas corrientes con el campo produce par. El rotor debe girar algo más lento que el campo para que esto funcione; esa diferencia se llama deslizamiento.
• Motor síncrono y PMSM: el rotor tiene sus propios polos magnéticos (imanes permanentes o un devanado alimentado con CC). Se enganchan al campo giratorio y giran exactamente a N_s, con un ángulo de carga que crece al aumentar la carga.
• Motor de CC sin escobillas: el inversor mueve el campo del estator en pasos discretos en lugar de forma continua, manteniéndolo siempre por delante del rotor de imanes.
• Motor paso a paso: el campo del estator salta de un polo al siguiente, y el rotor avanza un paso cada vez.
• Motores de reluctancia: el rotor no tiene imanes ni devanados, pero intenta alinear su camino de baja reluctancia con el campo.

La guía del deslizamiento trata el caso de inducción en detalle.

Motores monofásicos: simular un campo giratorio

Las redes domésticas suelen ser monofásicas, así que los motores de inducción monofásicos necesitan un truco para obtener un campo giratorio en el arranque. Se coloca un segundo devanado auxiliar a 90° del principal y se alimenta a través de un condensador, o con distinta resistencia, de modo que su corriente quede desfasada en el tiempo. Dos devanados a 90° con corrientes desfasadas unos 90° dan un campo aproximadamente giratorio, suficiente para arrancar el rotor.

Cuando el motor alcanza su velocidad, un interruptor centrífugo puede desconectar el devanado de arranque, y el propio movimiento del rotor hace que el campo pulsante del devanado principal actúe como uno giratorio. Un motor de polos sombreados hace una versión más tosca de lo mismo con un anillo de cobre alrededor de una parte de cada polo. Como el campo nunca es perfectamente circular, los motores monofásicos presentan una pulsación del par al doble de la frecuencia de red, y son menos eficientes que los trifásicos del mismo tamaño.

Pruébelo en los simuladores de Curvo Studio

Abra el simulador del motor de inducción trifásico. Mueva el control deslizante Frecuencia de suministro y vea cómo la lectura de Velocidad sincrónica sigue a 120 × f / p. Cambie el recuento de polos en la placa de características (de 2 a 12 polos) y compruebe cómo la misma frecuencia da una velocidad distinta. Cambie la Secuencia de fases entre ABC y ACB y observe que el sentido de giro del rotor se invierte. La leyenda de la escena marca las fases U, V y W, y puede activar la capa de Campo magnético en la vista en corte para ver el patrón del campo.

Después abra el simulador del motor de inducción monofásico y mire las lecturas de Devanado de arranque y Pulsación del par para ver en qué se diferencia una máquina monofásica. Por último, el simulador del motor síncrono de imanes permanentes muestra un rotor que se engancha al campo; compare sus lecturas de Velocidad sincrónica y Ángulo de carga con el Deslizar del motor de inducción.

Pruébalo en el simulador