Los motores eléctricos de AC han impulsando la industria desde la sustitución de la máquina de vapor. Desde pequeños motores de histéresis que conducen relojes eléctricos hasta enormes motores síncronos que desarrollan más de 50,000 hp, el motor de corriente alterna (AC) se ha convertido en una parte indispensable de la vida cotidiana.
Estos dispositivos omnipresentes vienen en muchas variedades, pero generalmente se dividen en dos categorías: máquinas sincrónicas y de inducción. El término «máquina» enfatiza el hecho de que estos dispositivos pueden operar en dos modos diferentes. La energía eléctrica hace que el dispositivo produzca torque, convirtiéndolo en un motor. Pero cuando la misma máquina recibe energía de rotación de entrada, se produce electricidad y se convierte en un generador.
Todas las máquinas rotatorias tienen dos juegos principales de bobinados. Un juego de devanados está montado en un eje o rotor de rotación libre. El otro conjunto, llamado estator, está unido al bastidor del motor y permanece estacionario. En el caso de un motor, los devanados del estator se energizan con voltaje monofásico o polifásico. El voltaje monofásico es adecuado para máquinas pequeñas de hasta aproximadamente 5 hp, pero los voltajes polifásicos brindan características de torsión superiores y simplifican el proceso de arranque. Las máquinas más grandes comúnmente usan voltaje trifásico.
La corriente que fluye a través de los devanados del estator produce un campo magnético, cuya polaridad gira alrededor del eje central del estator. Cuando los devanados del rotor están magnetizados, se forman pares de polos magnéticos y el rotor gira para mantener los polos del rotor alineados con el campo del estator. El número de polos determina la velocidad del rotor, de acuerdo con la ecuación:
n = (120 xf) / p
donde (n) es la velocidad síncrona en revoluciones por minuto, (f) es la frecuencia eléctrica en hercios, y (p) es el número de polos. Cuando la máquina se utiliza como generador, el proceso de «motorización» básicamente se invierte.
Máquinas síncronas:
Muchos generadores y motores muy grandes se clasifican como máquinas sincrónicas, en las que el rotor gira a la misma velocidad que el campo del estator. Esto es deseable cuando la velocidad de rotación o la frecuencia generada debe controlarse con precisión. El diseño sincrónico también se presta a dispositivos grandes. Los generadores sincrónicos más grandes tienen una potencia superior a los 2 millones de HP. Pero se requiere un medio para aplicar voltaje a los devanados del rotor, generalmente utilizando escobillas de carbón y anillos deslizantes.
El anillo deslizante es una superficie conductora en el eje del rotor que está conectada eléctricamente a los devanados del rotor. Las escobillas son estacionarias y se mantienen apretadas contra los anillos colectores por presión de resorte. Estos componentes complican la construcción del motor, agregan costos al diseño del motor y requieren un mantenimiento considerable. Como resultado, la mayoría de las máquinas de CA en servicio, particularmente motores de tamaño pequeño a mediano, pertenecen a la otra categoría general: la máquina de inducción.
Máquinas de inducción:
La máquina de inducción usa inducción electromagnética para energizar el circuito del rotor. Para economizar aún más el diseño, la mayoría de los motores de inducción utilizan barras de rotor fundido en lugar de un rotor enrollado. Debido a su apariencia única, los motores que utilizan estas barras de rotor se denominan «jaulas de ardilla» (Foto superior).
La máquina de inducción es esencialmente un transformador con el bobinado secundario libre para girar. La velocidad de rotación, sin embargo, no es la misma que la del campo del estator giratorio. La diferencia se denomina deslizamiento y determina el par producido. Una curva de par de velocidad ilustra la relación entre la velocidad del rotor y el par, y es esencial cuando se especifica un motor para manejar una carga en particular.
Innumerables diseños de motores de CA han ido y venido a través de los años, pero los principios de operación son comunes a todos.