Principi de funcionament del motor d’inducció

El motor d’inducció és una màquina elèctrica de CA que converteix l’energia elèctrica en energia mecànica. El motor d’inducció s’utilitza àmpliament en diverses aplicacions, des d’aparells domèstics bàsics fins a indústries pesades. La màquina té tantes aplicacions difícils de comptar i us podeu imaginar l’escala sabent que gairebé el 30% de la potència elèctrica generada a nivell mundial es consumeix pels propis motors d’inducció. Aquesta màquina sorprenent va ser inventada pel gran científic Nikola Tesla i aquest invent ha alterat permanentment el curs de la civilització humana.

Aquí hi ha algunes aplicacions d’un motor d’inducció monofàsic i trifàsic que podem trobar a la vida diària.

Aplicacions dels motors d’inducció monofàsics:

• Ventiladors elèctrics a la llar
• Perforadores
• Bombes
• Trituradores
• Joguines
• Aspiradora
• Ventiladors d’escapament
• Compressors i afaitadores elèctriques

Aplicacions dels motors d’inducció trifàsics:

• Indústries a petita, mitjana i gran escala.
• Ascensors
• Grues
• Conducció de màquines de torn
• Molins d’extracció d’oli
• Braços robotitzats
• Sistema de cintes transportadores
• Trituradores pesades

Els motors d’inducció es presenten en moltes mides i formes amb característiques relatives i resistències elèctriques. Van de pocs centímetres a uns pocs metres i tenen una potència nominal de 0,5 CV a 10000 CV. L'usuari pot triar el més adequat de l'oceà de models per satisfer la seva demanda.

Ja hem comentat els fonaments dels motors i el seu funcionament a l'article anterior. Aquí parlarem detalladament de la construcció i treball del motor d’inducció.

Principi de funcionament del motor d’inducció

Per entendre el principi de funcionament d’un motor d’inducció, considerem primer una configuració senzilla com es mostra a la figura.

Aquí,

• Es prenen dos nuclis de ferro o ferrita de mides iguals i estan suspesos a l’aire a distància.
• Un filferro de coure esmaltat es fa enrotllat al nucli superior seguit del inferior i es prenen dos extrems cap a un costat, tal com es mostra a la figura.
• Aquí el nucli actua com a mitjà per transportar i concentrar el flux magnètic generat per la bobina durant el funcionament.

Ara, si connectem una font de tensió alterna als dos extrems del coure, tindrem una cosa semblant a sota.

Durant el cicle positiu de CA:

Aquí durant el primer semicicle, la tensió positiva al punt 'A' gradualment passarà de zero a màxim i tornarà a zero. Durant aquest període es pot representar el flux de corrent en el sinuós.

Aquí,

• Durant el cicle positiu de la font d'alimentació de corrent altern, el corrent en els dos bobinats augmenta gradualment de zero a màxim i després torna gradualment de màxim a zero. Això es deu al fet que segons la llei d'Ohms, el corrent en un conductor és directament proporcional a la tensió del terminal, i ho hem comentat moltes vegades en articles anteriors.
• Els bobinats s’enrotllen de manera que el corrent en ambdós bobinats flueix en la mateixa direcció i podem veure el mateix representat al diagrama.

Recordem ara una llei anomenada llei de Lenz que vam estudiar abans abans de seguir endavant. Segons la llei de Lenz, " Un conductor que transporta un corrent generarà un magnètic ple al voltant de la seva superfície",

i si apliquem aquesta llei a l'exemple anterior, llavors cada bucle generarà un camp magnètic a les dues bobines. Si afegim flux magnètic generat per tota la bobina, obtindrà un valor considerable. Tot aquest flux apareixerà al nucli de ferro mentre la bobina es va enrotllar al cos del nucli.

Per comoditat, si dibuixem les línies de flux magnètic concentrades al nucli de ferro pels dos extrems, tindrem una cosa semblant a sota.

Aquí podeu veure les línies magnètiques concentrades en els nuclis de ferro i el seu moviment a través de la bretxa.

Aquesta intensitat de flux és directament proporcional al corrent que circula en bobines enrotllades als dos cossos de ferro. Així doncs, durant el mig cicle positiu, el flux va de zero a màxim i després es va reduir de màxim a zero. Un cop finalitzat el cicle positiu, la intensitat del camp a la bretxa d'aire també arriba a zero i, després d'això, tindrem un cicle negatiu.

Durant el cicle negatiu de CA:

Durant aquest cicle negatiu de la tensió sinusoïdal, la tensió positiva en el punt 'B' gradualment passarà de zero a màxim i tornarà a zero. Com és habitual, a causa d’aquesta tensió, hi haurà un flux de corrent i podem veure la direcció d’aquest flux de corrent en els bobinatges de la figura següent.

Com que el corrent és linealment proporcional al voltatge, la seva magnitud en els dos bobinats augmenta gradualment de zero a màxim i després baixa de màxim a zero.

Si considerem la llei de Lenz, apareixerà un camp magnètic al voltant de les bobines a causa del flux de corrent similar al cas estudiat al cicle positiu. Aquest camp es concentrarà al centre dels nuclis de ferrita tal com es mostra a la figura. Atès que la intensitat del flux és directament proporcional al corrent que circula en bobines enrotllades als dos cossos de ferro, aquest flux també anirà de zero a màxim i es reduirà de màxim a zero seguint la magnitud del corrent. Tot i que és similar a un cicle positiu, hi ha una diferència i aquesta és la direcció de les línies del camp magnètic. Podeu observar aquesta diferència en la direcció de flux en els diagrames.

Després del seu cicle negatiu, arriba un cicle positiu seguit d’un altre cicle negatiu i continua així fins que s’elimina la tensió sinusoidal de corrent altern. I a causa d’aquest cicle de tensió intercanviador, el camp magnètic al centre dels nuclis de ferro continua canviant tant en magnitud com en direcció.

En conclusió, mitjançant aquesta configuració,

• Hem desenvolupat una àrea concentrada de camp magnètic al centre dels nuclis de ferro.
• La intensitat del camp magnètic a la bretxa d’aire continua canviant tant en magnitud com en direcció.
• El camp segueix la forma d'ona de tensió sinusoïdal de corrent altern.

Actualment Llei d’inducció electromagnètica

Aquesta configuració que hem comentat fins ara és la més adequada per realitzar la llei actual de la inducció electromagnètica. Això es deu al fet que un camp magnètic en constant canvi és el requisit més bàsic i important per a la inducció electromagnètica.

Estem estudiant aquesta llei aquí perquè el motor d’inducció funciona sobre el principi de la llei d’inducció electromagnètica de Faraday.

Ara per estudiar el fenomen de la inducció electromagnètica, considerem la configuració següent.

• Es pren un conductor i el forma en un quadrat amb els dos extrems curtcircuitats.
• Una vareta metàl·lica es fixa al centre del quadrat conductor que actua com a eix de la configuració.
• Ara el quadrat conductor pot girar lliurement al llarg de l’eix i s’anomena rotor.
• El rotor es col·loca al centre de la bretxa d’aire de manera que el bucle conductor pugui experimentar el màxim camp generat per les bobines del rotor.

Sabem segons la llei d’inducció electromagnètica de Faraday, “ quan un camp magnètic variable talla un conductor metàl·lic, aleshores s’indueix una CEM o tensió al conductor” .

Ara, apliquem aquesta llei per entendre el funcionament d’un motor d’inducció:

• Segons aquesta llei d’inducció electromagnètica, s’hauria d’induir una CEM al conductor del rotor situat al centre a causa del canvi del camp magnètic experimentat per aquest.
• A causa d'aquest curtcircuit provocat per la CEM i el conductor induït, es produeix un flux de corrent a tot el bucle, tal com es mostra a la figura.
• Aquí ve la clau del funcionament del motor d’inducció. Sabem, segons la llei de Lenz, que un conductor que transporta corrent genera al seu voltant un camp magnètic la intensitat del qual és proporcional a la magnitud del corrent.
• Com que la llei és universal, el bucle conductor del rotor també ha de generar un camp magnètic perquè el corrent hi circula a causa de la inducció electromagnètica.
• Si anomenem flux magnètic o flux d’estator el camp magnètic generat pels bobinatges de l’estator i la configuració del nucli de ferro. Aleshores podem anomenar flux magnètic al camp magnètic generat pel bucle conductor del rotor.
• A causa de la interacció entre el flux principal i el flux del rotor, el rotor experimenta una força. Aquesta força intenta oposar-se a la inducció de CEM al rotor ajustant la posició del rotor. Per tant, experimentarem un moviment en la posició de l’eix en aquest moment.
• Ara el camp magnètic continua canviant a causa del voltatge altern, la força també continua ajustant la posició del rotor contínuament sense parar.
• Per tant, el rotor continua girant a causa de la tensió alterna i, per tant, tenim sortida mecànica a l’eix o a l’eix del rotor.

Amb això, hem vist com a causa de la inducció electromagnètica al rotor tenim una sortida mecànica a l’eix. Per tant, el nom donat per a aquesta configuració s’anomena motor d’inducció.

Fins ara el que hem comentat és el principi de funcionament del motor d’inducció, però recordem que tant la teoria com la pràctica són diferents. I per treballar el motor d’inducció es necessita una configuració addicional que parlarem a continuació.

Motor d’inducció monofàsic

El motor d’inducció que funciona amb alimentació de CA monofàsica s’anomena motor d’inducció monofàsic .

La línia elèctrica disponible per a nosaltres a les llars és la línia elèctrica monofàsica de 240V / 50Hz CA i els motors d’inducció que fem servir en el nostre dia a dia a casa es denominen motors d’inducció monofàsics.

Per comprendre millor el principi de funcionament del motor d’inducció monofàsic, examinem la construcció del motor d’inducció monofàsic.

Aquí,

• Agafarem diversos conductors i els muntarem a l’eix que gira lliurement, tal com es mostra a la figura.
• A més, tallarem els extrems de tots els conductors amb un anell metàl·lic creant així múltiples bucles de conductors que hem estudiat anteriorment.
• Aquesta configuració del rotor té un aspecte més proper a una gàbia d’esquirols i, per tant, s’anomena motor d’inducció de gàbia d’esquirols. Aquí fem una ullada a l’estructura 3D del rotor de la gàbia d’esquirol.

• L’estator que es considerava una peça de ferro completa és en realitat un grup de fines làmines de ferro apilades. Estan tan estretament units que literalment no hi haurà aire entre ells. Utilitzem una pila de làmines de ferro en lloc d’una sola peça de ferro per la mateixa raó que fem servir làmines de ferro laminades en el cas d’un transformador de potència que redueix les pèrdues de ferro. En utilitzar el mètode d’apilament, reduirem considerablement les pèrdues d’energia, mantenint el mateix rendiment.

El funcionament d'aquesta configuració és similar a la configuració utilitzada per explicar el principi de funcionament del motor d'inducció.

• En primer lloc, proporcionarem la tensió de corrent altern i, a causa d’aquesta tensió, el corrent flueix a través del bobinat de l’estator en els segments superior i inferior.
• A causa del corrent, es genera un camp magnètic tant en els bobinatges superior com inferior.
• La major part de làmines de ferro actua com a mitjà bàsic per transportar el camp magnètic generat per les bobines.
• Aquest camp magnètic altern que transporta el nucli de ferro es concentra a la bretxa d'aire central a causa del disseny estructural intencionat.
• Ara, ja que el rotor es col·loca en aquest buit, els conductors en curtcircuit fixats al rotor també experimenten aquest camp altern.
• A causa del camp, s’indueix un corrent en els conductors del rotor.
• Com que el corrent passa pels conductors del rotor, també es generarà un camp magnètic al voltant del rotor.
• Després de la interacció entre el camp magnètic del rotor generat i el camp magnètic de l’estator, el rotor experimenta una força.
• Aquesta força mou el rotor al llarg de l'eix i, per tant, tindrem un moviment de rotació.
• Com que la tensió canvia contínuament de tensió sinusoïdal, el rotor també continua girant al llarg del seu eix. D’aquesta manera tindrem una sortida mecànica contínua per a una determinada tensió d’entrada monofàsica.

Tot i que hem assumit que el rotor girarà automàticament després que es doni la potència al motor monofàsic, cosa que no és així. Atès que el camp generat per un motor d’inducció monofàsic és un camp magnètic altern i no un camp magnètic giratori. Així, a l’arrencada del motor, el rotor queda bloquejat a la seva posició perquè la força que experimenta a causa de la bobina inferior i la bobina superior serà de la mateixa magnitud i de direcció oposada. Així doncs, al començament, la força neta experimentada pel rotor és nul·la. Per evitar-ho, farem servir bobinatge auxiliar per al motor d’inducció per convertir-lo en un motor d’arrencada automàtica. Aquest bobinat auxiliar proporcionarà el camp necessari per fer moure el rotor a l’inici. L’exemple d’aquest cas és el ventilador elèctric que veiem a la nostra vida diària,que és un arrencador de condensador i que fa funcionar un motor d’inducció amb bobinatge auxiliar connectat en sèrie amb el condensador.

Motor d’inducció trifàsic

El motor d’inducció que funciona amb energia elèctrica trifàsica s’anomena motor d’inducció trifàsic. Normalment, els motors d’inducció trifàsics s’utilitzen en indústries i no són adequats per a aplicacions domèstiques.

La línia elèctrica disponible per a les indústries és de 400V / 50Hz Trifàsica de quatre línies de corrent altern i els motors d’inducció que funcionen en aquest subministrament a les indústries s’anomenen motors d’inducció trifàsics.

Per comprendre millor el principi de funcionament del motor d’inducció trifàsic, examinem la construcció del motor d’inducció trifàsic.

Aquí,

• La liquidació de la fase A comença des del segment superior seguit del segment inferior tal com es mostra a la figura.
• Pel que fa als dos extrems de Phase, un de bobinat està connectat a la línia d’alimentació de fase A d’alimentació trifàsica, mentre que l’altre extrem està connectat al neutre de la mateixa font d’alimentació de quatre línies de tres fases. Això és possible perquè en una font d'alimentació trifàsica de quatre línies tenim les primeres tres línies que porten tres tensions de línia mentre que la quarta línia és neutra.
• Els altres bobinatges bifàsics segueixen el mateix patró que la fase A. Als dos extrems del bobinatge de la fase B, un està connectat a la línia elèctrica de fase B de la font d'alimentació trifàsica, mentre que l'altre extrem està connectat al neutre de les mateixes tres fases. font d'alimentació de quatre línies.
• L'estructura del rotor és similar a una gàbia d'esquirol i és el mateix tipus de rotor que s'utilitza en un motor d'inducció monofàsic.

Ara bé, si proporcionem l'energia elèctrica als bobinats trifàsics de l'estator, el corrent comença a fluir en els tres bobinats. A causa d’aquest flux de corrent, les bobines generaran un camp magnètic i aquest camp fluirà a través d’un recorregut de resistivitat magnètica menys proporcionat pel nucli laminat. Aquí l'estructura del motor està dissenyada de manera que el camp magnètic transportat pel nucli es concentra a la bretxa d'aire del centre on es col·loca el rotor. Així doncs, el camp magnètic concentrat pel nucli a la bretxa central influeix en els conductors del rotor induint així un corrent en ells.

En presència de corrent conductor, el rotor també genera un camp magnètic que interactua amb el camp de l’estator en cada moment. I a causa d’aquesta interacció, el rotor experimenta una força que condueix a la rotació del motor.

Aquí el camp magnètic generat per l’estator és de tipus rotatiu a causa de la potència trifàsica, a diferència del tipus alternatiu que hem comentat en un motor monofàsic. I a causa d’aquest camp magnètic en rotació, el rotor comença a girar per si mateix fins i tot en absència d’una empenta inicial. Això fa que el motor trifàsic sigui un tipus d’arrencada automàtica i no necessitem cap bobina auxiliar per a aquest tipus de motors.