Un motor trifásico es un motor eléctrico diseñado para ser alimentado desde una red de CA trifásica.
Es una máquina de CA que consta de un estator con tres devanados, cuyos campos magnéticos se desplazan en el espacio 120 ° y, cuando se aplica un voltaje trifásico, forman un campo magnético giratorio en el circuito magnético de la máquina, y de un rotor, de varios diseños, que gira estrictamente a la velocidad del campo del estator ( motor síncrono ) o algo más lento que él ( motor asíncrono ).
El más utilizado en ingeniería e industria es un motor eléctrico asíncrono trifásico con devanado de rotor en jaula de ardilla , también llamado "rueda de ardilla". La expresión "motor trifásico" suele hacer referencia a este tipo de motor, y es él quien se describe más adelante en el artículo.
El principio de funcionamiento de los motores bifásicos y polifásicos fue desarrollado por Nikola Tesla y patentado. Dolivo-Dobrovolsky mejoró el diseño del motor eléctrico y sugirió utilizar tres fases en lugar de las dos utilizadas por N. Tesla . La mejora se basa en el hecho de que la suma de dos sinusoides de igual frecuencia que difieren en la fase da una sinusoide en total, esto permite utilizar tres cables (en el cuarto cable "cero" la corriente es cercana a cero) en un sistema trifásico contra los cuatro cables requeridos en un sistema de corriente bifásico. Durante algún tiempo, la mejora de Dolivo-Dobrovolsky estuvo limitada por la patente de motores multifásicos de Tesla, que para ese momento había logrado vendérsela a D. Westinghouse .
Un motor asíncrono, según el principio de reversibilidad de las máquinas eléctricas , puede funcionar tanto en modo motor como generador. Para operar un motor de inducción en cualquier modo, se requiere una fuente de potencia reactiva .
En el modo de motor , cuando el motor está conectado a una red de CA trifásica, se forma un campo magnético giratorio en el devanado del estator , bajo cuya influencia se inducen corrientes en el devanado del rotor en cortocircuito, formando un par electromagnético, tendiendo para girar el rotor alrededor de su eje. El rotor vence el momento de carga sobre el eje y comienza a girar, alcanzando la velocidad subsíncrona (también será nominal, teniendo en cuenta el momento de carga sobre el eje del motor).
En modo generador , en presencia de una fuente de potencia reactiva que crea un flujo de excitación, una máquina asíncrona es capaz de generar potencia activa. Un condensador puede servir como fuente de potencia reactiva.
Inicio : el vector del campo magnético del estator resultante gira uniformemente con la frecuencia de la red dividida por el número de devanados individuales de cada fase (en el caso más simple, uno a la vez). Así, por cualquier sección del rotor pasa un flujo magnético que varía en el tiempo a lo largo del seno. Un cambio en el flujo magnético en el rotor genera un EMF en sus devanados. Dado que los devanados están cortocircuitados y están hechos de un conductor de gran sección ("rueda de ardilla"), la corriente en los devanados del rotor alcanza valores significativos y, a su vez, crea un campo magnético. Dado que la EMF en los devanados es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético (es decir, la derivada del tiempo de la dependencia del seno - coseno), la EMF inducida de la rueda de ardilla y, en consecuencia, el campo magnético resultante (vector) del rotor en 90 grados "adelanta" el vector del estator (si observa los vectores de dirección y la dirección de su rotación). La interacción de los campos magnéticos crea un par del rotor.
La energía eléctrica suministrada al motor eléctrico en el modo de arranque y frenado completo se gasta en la inversión de la magnetización del rotor y el estator, así como en la resistencia activa a la corriente en el devanado del rotor. (Equivalente al funcionamiento de un transformador reductor con cortocircuito en el devanado secundario).
Ralentí : después del inicio del movimiento, con un aumento en la velocidad del rotor, disminuirá su velocidad en relación con el vector del campo magnético del estator. En consecuencia, la tasa de cambio del flujo magnético a través de (cualquier) sección del rotor también disminuirá, respectivamente, la FEM inducida y el momento magnético resultante del rotor disminuirán. En ausencia de fuerzas de resistencia (ralentí ideal), la velocidad angular del rotor será igual a la velocidad angular del campo magnético del estator, respectivamente, la diferencia de velocidades, la FEM inducida y el campo magnético resultante del rotor serán igual a cero.
La electricidad suministrada al motor en modo inactivo no se consume (carga inductiva). Equivalente a la operación del transformador reductor sin carga (o devanados secundarios en cortocircuito ubicados a lo largo del núcleo)
Modo motor : el promedio entre el frenado total y el ralentí. La carga útil y las pérdidas mecánicas no permiten que el rotor alcance la velocidad del campo magnético del estator, su deslizamiento relativo induce algo de FEM y el correspondiente campo magnético del rotor, que, por su interacción con el campo del estator, compensa el par de frenado. en el eje
La característica mecánica de un motor de inducción es "dura", es decir, con una ligera disminución de la velocidad, el par motor aumenta mucho, "trata de mantener la velocidad nominal". Esta es una buena propiedad para transmisiones que requieren mantener una velocidad determinada independientemente de la carga (transportadores, cargadores, montacargas, ventiladores).
La energía eléctrica suministrada al motor eléctrico en modo motor se consume (la parte denotada por "cos phi") para realizar un trabajo útil y calentar el motor, el resto se devuelve a la red como carga inductiva. El "coseno phi" depende de la carga del motor, en ralentí es cercano a cero. La característica del motor indica "coseno phi" para la carga nominal. La diferencia de este valor con la unidad está determinada principalmente por la resistencia magnética del entrehierro entre el estator y el rotor, que es equivalente a la inductancia de fuga en el transformador, por lo que se intenta reducir el entrehierro; por otra parte, este desfase limita las corrientes de los devanados cuando la velocidad del rotor supera los límites de funcionamiento, por ejemplo, durante el arranque del motor.
El modo de generador se produce cuando se produce un aumento forzado de la velocidad por encima del "ralentí ideal". En presencia de una fuente de potencia reactiva que crea un flujo de excitación, el campo magnético del rotor induce una FEM en los devanados del estator y el motor se convierte en una fuente de potencia activa (eléctrica).
Los circuitos no tienen ninguna ventaja especial entre sí, sin embargo, la "estrella" requiere más voltaje lineal que el "triángulo" (para operar en modo nominal), y cuando el "triángulo" se enciende en modo generador, un anillo se produce una corriente parásita. Un mismo motor se utiliza fácilmente con ambas conexiones, por lo tanto, en la característica de un motor trifásico, se indican dos voltajes nominales a través de una fracción, por ejemplo, 127/220, 230/400 (220/380) o 400/690 (380/660) V.
Una de las formas de reducir las corrientes de arranque del motor es arrancar el motor de acuerdo con el esquema "estrella", seguido de cambiar al "triángulo". En este caso, es necesario que la tensión de alimentación nominal en el circuito "triángulo" sea igual a la tensión de red. En redes comunes de 400 (380) V se debe utilizar un motor con tensión nominal de 400/690 V (380/660) V.
Los inicios y finales de los devanados de los motores trifásicos se llevan al bloque de terminales de 2 × 3, de modo que:
Para invertir cualquier motor trifásico, se conmutan dos cualesquiera de las tres fases que alimentan el motor.
Un motor trifásico se puede utilizar en una red monofásica, pero dicha operación tiene una serie de limitaciones. En este caso, el par y la potencia se reducen en un 50 % de la potencia nominal [1] . El funcionamiento del motor en este modo es similar al funcionamiento de un motor monofásico : en él se crea un campo magnético pulsante. Tal campo no puede crear un par en un motor parado, por lo tanto, para arrancarlo, es necesario darle una rotación inicial. En el caso más simple, esto se puede hacer manualmente girando el rotor. Después de girar el rotor, el motor funciona de forma independiente.
Para que el motor arranque, necesita un circuito de cambio de fase, que puede construirse a partir de una capacitancia, inductancia o resistencia. El uso más efectivo de un condensador: en este caso, el motor funciona como un condensador . El uso de un condensador le permite reducir la pérdida de potencia y acercar sus características a las nominales.
Un motor en una conexión monofásica se puede ensamblar tanto en "estrella" como en "triángulo", pero funciona de manera más eficiente cuando el voltaje de la red es igual al voltaje nominal de la línea. Así, un motor de 230/400 (220/380) V, cuando se conecta a una red doméstica monofásica de 230 V, debe montarse en forma de triángulo.
Mayor rendimiento en una red monofásica tiene motores bifásicos de condensadores especialmente diseñados para este modo de operación.
Una forma alternativa de conectar un motor trifásico a una red monofásica es utilizar un convertidor de frecuencia con entrada monofásica, a cuya salida se genera una tensión trifásica. Una ventaja adicional de este método es la posibilidad de organizar el control de frecuencia de la velocidad del motor.
El arranque automático de un motor conectado en triángulo no es posible en el caso de una falla de energía en una fase. Un motor conectado en estrella, en el caso de una falla de energía en una fase o una ruptura del devanado, puede arrancar solo si el punto neutro está conectado al conductor neutro, pero tal conexión no se lleva a cabo en la práctica.
Si el motor ya está girando, seguirá funcionando, pero el par y la potencia se reducen considerablemente en este modo. Si la carga no permite que el motor arranque y desarrolle la velocidad nominal, el motor consumirá más corriente y se enfriará peor (cuando se usa autoventilación). En caso de configuración incorrecta o ausencia de un relé térmico o un sistema de protección electrónico, el motor fallará (sobrecalentamiento, daños en el aislamiento, cortocircuito en la bobina). La falla de fase es una de las causas más comunes de falla prematura de las máquinas trifásicas.
Para proteger el motor de sobrecargas, atascos y protección brusca contra fallas de fase, se utilizan dispositivos especializados: relés térmicos , disyuntores trifásicos diseñados para motores. [2] Estos dispositivos cuentan con un mecanismo de ajuste de la característica tiempo-corriente de disparo, instalado y configurado para cada motor individualmente. Apagan el motor cuando se supera durante mucho tiempo la corriente nominal en cualquiera de las fases. [2] . En algunos casos, se utilizan dispositivos de protección electrónicos para proteger el motor, midiendo la corriente de cada fase.
Para proteger los motores de pérdida y distorsión (diferencia de tensión) de las fases de la tensión de alimentación , se utilizan relés de control de fase , que en estos casos cortan completamente la alimentación (con activación posterior automática o manual) [2] . Es posible instalar un relé por grupo de motores. La función de un relé de control de fase puede ser realizada por controladores electrónicos de mecanismos en los que se utiliza el motor.