Fundamentos del Magnetismo y Operación de Motores Asíncronos de C.A.

Fundamentos del Magnetismo y Electromagnetismo

El magnetismo es un mecanismo fundamental por medio del cual la energía se convierte de una forma en otra en motores, generadores y transformadores.

Principios Fundamentales

1. Un alambre cargado de electricidad produce un campo magnético a su alrededor.
2. Un campo magnético variable induce un voltaje en una bobina si pasa a través de ella (principio del transformador).
3. Un alambre cargado de corriente en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él (principio del motor).
4. Un alambre en movimiento dentro de un campo magnético tiene un voltaje inducido en él (principio del generador).

Intensidad de Campo Magnético (H)

La intensidad de campo magnético (H) es una medida del esfuerzo que una corriente realiza para establecer un campo magnético. El aprovechamiento de esta H dependerá del material del que esté hecho el núcleo.

Inducción Magnética (B)

La inducción magnética (B), también conocida como densidad de flujo magnético, da una idea más precisa de la magnitud de un campo magnético. Depende de la intensidad H y, sobre todo, del material del núcleo.

La calidad del material viene dada por su permeabilidad magnética (µ), que se mide en Henrios por metro (H/m). La permeabilidad representa la facilidad con la que un material permite establecer un campo magnético.

La permeabilidad del aire o vacío (µ₀) tiene un valor fijo. Es habitual facilitar la permeabilidad de un material referida a la del aire (permeabilidad relativa, µᵣ).

El valor de la inducción B se podría comparar con la densidad del campo magnético obtenido, alcanzando su máximo típicamente entre 1,8 y 2 Teslas (T) en materiales ferromagnéticos comunes.

Curva de Magnetización

Para ilustrar el comportamiento de la permeabilidad, se utiliza la curva de magnetización (o curva B-H), que relaciona la inducción magnética B con la intensidad de campo magnético H. Para construirla, se aplica una corriente continua al núcleo, iniciando en 0 amperios y aumentándola lentamente.

En la zona no saturada (lineal), la permeabilidad es grande y relativamente constante, pero después, en la zona de saturación, cae a valores muy bajos.

Flujo Magnético (Φ)

El flujo magnético (Φ) considera el campo magnético completo a través de una superficie. La inducción B es una densidad de flujo (flujo por unidad de área), por lo que el flujo depende tanto de la inducción como de la superficie (A) perpendicular por la que circula: Φ = B * A.

Circuito Magnético

Es posible determinar un circuito magnético de comportamiento análogo al circuito eléctrico. Este concepto es muy utilizado en el diseño de máquinas eléctricas y transformadores.

Ejemplo (datos ilustrativos): Un núcleo magnético tiene una longitud media de 55 cm y una sección transversal de 250 cm².

Máquinas Eléctricas Rotativas de Corriente Alterna (C.A.)

Existen principalmente dos clases de máquinas de C.A.: las sincrónicas y las asincrónicas (o de inducción).

En las máquinas de C.A., el campo magnético giratorio originado en las bobinas de campo (o estator) induce un sistema trifásico de voltajes en las bobinas del inducido (generador). A la inversa, un conjunto trifásico de corrientes en el estator produce un campo magnético giratorio que interactúa con el campo del rotor, produciendo un momento o par motor en la máquina (motor).

Campo Magnético Giratorio

Un sistema trifásico de corrientes iguales, desfasadas 120º eléctricos entre sí, que circula por un devanado trifásico distribuido espacialmente, producirá un campo magnético giratorio de magnitud constante.

Este campo magnético giratorio puede representarse como un polo norte (donde el flujo sale del estator) y un polo sur (donde el flujo entra al estator). Estos polos completan una rotación magnética en el espacio por cada ciclo de la corriente eléctrica (para una máquina de 2 polos). La velocidad de rotación de este campo (velocidad de sincronismo) en revoluciones por segundo es igual a la frecuencia eléctrica dividida por el número de pares de polos.

Motores de Inducción o Asíncronos

Son el tipo más común de máquina de C.A. El rotor está constituido de forma especial. La configuración más habitual para motores de poca y mediana potencia es la de rotor de jaula de ardilla.

• Rotor de Jaula de Ardilla: Consiste en una serie de barras conductoras (generalmente de cobre o aluminio) alojadas en ranuras del núcleo del rotor y cortocircuitadas en sus extremos por anillos conductores.
• Rotor Devanado: Para mayores potencias o aplicaciones que requieren control de velocidad o alto par de arranque, se utiliza un rotor devanado. Este contiene un bobinado trifásico, usualmente conectado en estrella, cuyos terminales se conectan a anillos rozantes en el eje.

Deslizamiento (s)

La velocidad del eje del motor de inducción (n<0xE2><0x82><0x9B>) siempre es inferior a la velocidad del campo magnético giratorio (velocidad de sincronismo, n<0xE2><0x82><0x9B>). Si el rotor girara a la velocidad de sincronismo, no habría variación de flujo magnético respecto a las barras del rotor, y por tanto, no habría inducción de voltaje ni corriente en ellas, resultando en un par motor nulo.

Por ello, estos motores siempre giran a una velocidad ligeramente inferior a la de sincronismo. La diferencia entre ambas velocidades se denomina velocidad de deslizamiento.

El deslizamiento (s) se define como la diferencia relativa entre la velocidad de sincronismo y la velocidad del rotor, habitualmente expresado en porcentaje (%):

s = (n<0xE2><0x82><0x9B> - n<0xE2><0x82><0x9B>) / n<0xE2><0x82><0x9B>

El deslizamiento es un parámetro fundamental que determina el funcionamiento del motor de inducción (corrientes, par, rendimiento).