Los motores de inducción han dominado el mundo industrial durante muchas décadas. En los motores de inducción utilizados en ascensores y polipastos, se puede ver un tipo de rotor llamado rotor de anillo colector, mientras que en la mayoría de las otras aplicaciones se puede ver un rotor de jaula de ardilla más simple. ¿Por qué existen dos diseños de construcción diferentes para los rotores de los motores de inducción? Exploraremos esto en este artículo.
Rotor de jaula de ardilla
Un motor de inducción de tipo jaula de ardilla produce un par de arranque muy bajo, lo cual puede causar problemas en algunas aplicaciones. Es en estas circunstancias que se utilizan los motores de inducción de tipo rotor de anillo colector, ya que producen un alto par de arranque. Veamos esto en detalle.
Primero, veamos cómo funciona un motor de inducción de jaula de ardilla. Cuando se conecta una alimentación de CA trifásica al devanado del estator, se produce un campo magnético rotativo en el espacio de aire entre el estator y el rotor. Este campo magnético corta las barras del rotor.
Según la ley de inducción electromagnética de Faraday, se induce una fuerza electromotriz (fem) en las barras del rotor. Debido a que las barras del rotor están cortocircuitadas por los anillos de extremo, esta fem inducida genera una corriente que fluye a través de las barras del rotor, según la ley de Lenz.
Cuando un conductor que lleva corriente se coloca en un campo magnético, experimenta una fuerza. Puedes ver la distribución de fuerza en las diferentes barras en un momento dado. Estas fuerzas colectivas hacen girar el rotor.
Esta explicación de cómo funciona un motor de inducción no estaría completa sin comprender el concepto de inductancia. Para entender qué es la inductancia, consideremos un circuito simple que consiste en una resistencia y un inductor conectados en serie y conectados a una tensión sinusoidal de CA.
Si conectamos un medidor de ángulo de fase al circuito, podemos medir la diferencia de fase entre la tensión aplicada y la corriente. Puedes notar que la corriente que fluye a través del circuito no está en fase con la tensión aplicada. Esto se debe a la presencia de una reactancia inductiva en el circuito. Cuanto mayor sea la frecuencia de la electricidad, mayor será la reactancia inductiva y la diferencia de fase.
Un valor de resistencia más alto reduce esta diferencia de fase. Lo mismo ocurre en el rotor. El rotor es una combinación de resistencia y reactancia inductiva. Debido al mismo fenómeno de desfase de fase, si la fem máxima se encuentra en una barra, la corriente máxima se encontrará en otra barra.
Aquí hay un hecho interesante sobre los motores de inducción: un motor de inducción produce el máximo par cuando la corriente máxima inducida en el rotor está cerca del flujo magnético máximo. Este hecho es evidente al comparar estas dos visualizaciones. Llamémoslo la condición de máximo par.
Durante todo este artículo, mantén esto en mente, ya que si la corriente inducida no cumple con la condición de máximo par, definitivamente se reducirá la cantidad de par producido por el motor de inducción. Esta diferencia de fase será alta al inicio del motor.
Rotor de anillo colector
El principio de funcionamiento y la construcción del estator del motor de inducción de anillo colector son exactamente iguales a los de un motor de jaula de ardilla. Sin embargo, la construcción del rotor del motor de anillo colector es bastante interesante. En lugar de barras, se utilizan tres bobinados en este motor. Esta construcción del rotor tiene como objetivo reducir la diferencia de fase. Veamos cómo lo hace el rotor de jaula de ardilla.
Para facilitar la comprensión, en lugar de un bobinado de 24 ranuras, utilizaremos un bobinado de 12 ranuras. Nuevamente, el campo magnético rotativo induce una fem en los terminales de los bobinados. Uniremos los extremos de los bobinados en una conexión en estrella y asumiremos que la reactancia inductiva es cero.
El flujo de corriente establecido en el bobinado será como se muestra. Sin embargo, en la práctica, el flujo de corriente está retrasado con respecto a la fem inducida. Nuevamente, la condición de máximo par no se cumple en el motor de inducción de jaula de ardilla.
En el motor de inducción de anillo colector, existe la opción de reducir esta diferencia de fase entre la fem y la corriente mediante el uso de una resistencia externa. Los otros extremos de las bobinas están conectados a una resistencia externa a través de los anillos colectores. Vimos en el circuito simple que al aumentar el valor de la resistencia, podemos disminuir la diferencia de fase.
A medida que un motor de inducción de anillo colector arranca, se aumenta el valor de la resistencia externa, lo que reduce el ángulo de diferencia de fase y la corriente inducida se acerca a la condición de máximo par. De esta manera, los motores de inducción de anillo colector pueden producir un alto par incluso al arrancar. Estas gráficas muestran claramente el mayor par de arranque producido por los motores de anillo colector en comparación con los motores de jaula de ardilla.
Además del alto par de arranque, los motores de anillo colector tienen otras ventajas, aunque también tienen algunas desventajas. Juegan un papel muy importante en los ascensores, grúas, polipastos y en aplicaciones industriales como las impresoras.
