Maquinas Asíncronas: Evolución
Carlos García CI:
21.513.609
Los motores de C.A de tipo asíncrono o de inducción,
en 1879 Walter Baily demostró ante la Physical Society de Londres, la
posibilidad de producir una rotación mediante las corrientes inducidas en un
disco de cobre. Ferraris en 1885 descubrió el campo magnético giratorio,
utilizando dos corrientes alternas independientes de igual frecuencia pero
diferente fase. El mismo descubrimiento fue hecho casi a la vez por Nicola
Tesla que fue el primero que construyo y patento este tipo de motores en
octubre de 1887 y por lo que se le considera como el inventor de los mismos.
En aquel tiempo, él presento un escrito ante el
American Institute of Electrical Engineers (AIEE, precursor del actual IEEE) en
el cual describía los principios básicos del motor de inducción de rotor
devanado, junto con las ideas para otros dos importantes motores de CA: el
motor de inducción síncrono y el motor de reluctancia.
Todos ellos
disponían de un estator en forma de anillo. El primer tipo tenia un rotor con
cuatro polos salientes, dando lugar a un motor de reluctancia que no poseía
cualidades de auto arranque, pero que giraba a la velocidad de sincronismo, el
segundo motor era un verdadero motor asíncrono, tenia el rotor devanado que
podía arrancar pero que giraba a una velocidad por debajo de la correspondiente
al sincronismo y el tercero era motor síncrono, que funcionaba suministrando
C.C al devanado del rotor. Aunque la idea básica del motor de inducción se
describió en 1888, el motor en sí mismo no hizo aparición, en forma madura,
sino posteriormente. Hubo un periodo inicial de rápido desarrollo, seguido de
una serie de lentos evolucionados progresos que de hoy en día, continúan.
Debe destacarse que los primeros motores asíncronos
eran bifásicos y con polos salientes en el estator, alimentados con dos
corrientes desfasadas 90º en el tiempo y utilizando dos devanados desfasados en
el espacio.
George
Westinghouse compró las patentes de Tesla y utilizó a este ingeniero como consultor
de su Empresa; con la ayuda de C.F. Scott y B.G. Lamme, la empresa Westinghouse
desarrolló un motor bifásico con devanados distribuidos tanto en el estator
como en el rotor, lográndose un motor práctico alrededor de 1892. En la Feria Mundial de Chicago de 1893,
la fábrica de Westinghouse presentó un motor bifásico de 300 CV, 12 polos a
220V, que era una gran hazaña para esa época; la alimentación de este motor se lograba
mediante dos alternadores monofásicos de 500 CV, 60 Hz, acoplados mecánicamente
en el mismo eje, pero que estaban desplazados 90° eléctricos en el espacio para
poder generar una tensión bifásica.
En l891
la Compañía americana Thomson Houston comenzó la construcción de motores de inducción trifásicos bajo la
dirección de H.G. Reist y W.J. Foster. Por otra parte en Europa, Dolivo Dobrowolsky,
ingeniero de la Empresa alemana AEG,
sugirió la utilización de circuitos trifásicos pero no independientes entre sí,
sino mutuamente conectados; la expresión
alemana Verkettung der Phasen (encadenamiento de fases ), traduce esta
dependencia mutua de las tres corrientes que constituyen un sistema trifásico.
Este sistema lo bautizó con el nombre Drehstrom (que significa corriente
giratoria ) alrededor de 1890. Para el año 1893 Dolivo Dobrowolsky había
construído motores asíncronos de doble jaula de ardilla que mejoraban las
cualidades de arranque de estos motores, también sugirió la construcción del
motor de inducción con rotor devanado o con anillos deslizantes, para regular la velocidad del mismo,
para ello es preciso conectar a los anillos un reóstato de arranque y
regulación de un modo equivalente al de los motores de C.C.
En EEUU,
se unieron las Compañías Westingh ouse y la Thomson Houston para fabricar motores asíncronos trifásicos, para
ello resultó de gran utilidad en aquel momento el invento del ingeniero C.F.
Scott de la Empresa Westingouse para transformar un sistema bifásico en
trifásico y poder alimentar estas máquinas. El rotor de jaula de ardilla construido mediante
barras de aluminio, fue patentado en 1916 por H.G. Reist y H.Maxwell de la
Compañía General Electric.
La supuestamente reconocida forma moderna del motor
de inducción se logró entre 1888 y 1895. Durante este periodo, se desarrollaron
fuentes de potencia de dos y tres fases para producir los campos magnéticos
giratorios dentro del motor, los estatores con embobinados distribuidos y se
introdujeron también los rotores de jaula de ardilla. Durante 1895 los motores
de inducción trifásicos, completamente funcionales y reconocidos, estuvieron
disponibles en el comercio.
Desde entonces, hasta los comienzos del año 1970,
continúo la mejora de la calidad del acero, las técnicas de fundición, los
aislamientos y las características de construcción de los motores de inducción.
Estas tendencias dieron como resultado motores más pequeños para una
determinada potencia de salida, rindiendo una considerable economía en los
costos de producción de hecho, un motor moderno de 100hp tiene el mismo tamaño
físico de un motor de 7.5hp de 1897.
Sin embargo, estos adelantos en el diseño de los
motores de inducción no llevan necesariamente a mejoras en la eficiencia de su
funcionamiento. El principal esfuerzo de diseño se dirigió hacia la reducción
de los costos iniciales de los materiales de las máquinas y no hacia el aumento
de su eficiencia. El esfuerzo de díselo se orientó en tal dirección porque la
electricidad era tan poco costosa que ello hizo que el costo primario de un
motor fuera el principal criterio de los compradores para la selección. Desde
que el precio del petróleo comenzó a subir en forma espectacular en 1973, el
costo de funcionamiento de vida en las maquinas se ha vuelto más y más
importantes y los costos iniciales de instalación se volvieron, relativamente,
menos importantes. Como resultado de estas tendencias se puso nuevo énfasis en
la eficiencia de los motores, tanto por parte de los diseñadores como de los
usuarios de las máquinas.
Hoy en día, los principales fabricantes están
produciendo nuevas líneas de motores de inducción de alta eficiencia, cura
participación en el mercado está en permanente crecimiento. Se están usando
varias técnicas para mejorar la eficiencia de estos motores, en comparación con
el dísela tradicional de eficiencia normalizada. Entre estas técnicas están:
ü
Se está
utilizando más cobre en los embobinados del estator, para reducir las pérdidas
en el cobre.
ü
La longitud del
núcleo del rotor y del estator se aumentan para reducir la densidad del flujo magnético
en el entrehierro de la máquina. Esto se reduce la saturación magnética
disminuyendo las perdidas en el núcleo.
ü
Se usa más acero
en el estator, permitiendo que se transmita una mayor cantidad de calor hacia
afuera del motor y se reduzca la temperatura de funcionamiento. El ventilador
del rotor se rediseña, entonces para reducir las pérdidas por vendaval.
ü
El acero que se
usa en el estator es un acero especial de calidad eléctrica, con pocas pérdidas
por hipótesis.
ü
El acero se hace
de un calibre especialmente delgado (es decir las láminas están muy compactas)
y tiene una resistencia especifica interna muy alta. Ambos efectos tienden a
reducir las pérdidas por corrientes parasitas en el motor.
ü
El rotor es
maquinado con sumo cuidado, para producir un entrehierro uniforme, reduciendo
así las perdidas diversas en el motor.
Además de las técnicas generales que acábanos de
describir, cada fabricante tiene sus propios procedimientos para mejorar la
eficiencia de los motores. En la figura 10-30 se muestra un típico motor de
inducción de alta eficiencia.
Imágenes de algunos motores de
inducción:
Uno de los primeros motores trifásicos,
comercializado por la empresa alemana A.E.G. (1891).
Almarian Decker finalmente en 1893, ideó el sistema
completo de generación de electricidad de Redlands en California.
Motor experimental de corriente alterna trifásica,
construido por Michael von Dolivo - Dobrowolsky (1889).
Referencias:
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