El motor de inducción trifásico gira porque el estator crea un campo giratorio que induce corrientes en el rotor. El rotor siempre gira un poco por debajo de la velocidad síncrona; esa diferencia, el deslizamiento, es lo que genera el par. De ahí salen la velocidad según el número de polos, la corriente de arranque elevada y la forma de la curva par-velocidad.
Qué es y por qué domina la industria
El motor de inducción trifásico convierte energía eléctrica de corriente alterna en energía mecánica sin conexión eléctrica directa al rotor. Es sencillo de construir, resistente, de bajo mantenimiento y se alimenta directamente de la red trifásica. Por eso mueve la mayor parte de las bombas, ventiladores, compresores, bandas y molinos de una planta industrial.
Entender su funcionamiento no es un tema académico: de él salen decisiones prácticas como el método de arranque, el ajuste de la protección térmica, la selección del variador o el diagnóstico de un motor que se calienta. Esta guía recorre el principio, las ecuaciones básicas y lo que significan en una instalación.
Las dos partes: estator y rotor
- Estator. Es la parte fija. Lleva un núcleo de láminas de acero con ranuras y tres devanados desfasados 120° en el espacio. Al alimentarlos con corrientes trifásicas se produce el campo magnético giratorio.
- Rotor. Es la parte móvil. En el rotor jaula de ardilla hay barras de aluminio o cobre unidas en sus extremos por anillos, formando un conjunto en cortocircuito. En el rotor bobinado hay devanados que salen a tres anillos rozantes.
Entre ambos queda un entrehierro muy pequeño. Cuanto menor es, menor es la corriente magnetizante y mejor el factor de potencia, pero más exigente es la tolerancia mecánica de rodamientos y alineación.
El campo giratorio
Tres bobinas desfasadas 120° en el espacio, alimentadas por tres corrientes desfasadas 120° en el tiempo, producen un campo magnético de magnitud constante que rota alrededor del eje. Su velocidad depende de la frecuencia de la red y del número de polos del devanado:
n_s = 120 · f / p
donde n_s está en revoluciones por minuto, f en hercios y p es el número de polos (no de pares de polos).
| Polos | n_s a 50 Hz | n_s a 60 Hz |
|---|---|---|
| 2 | 3.000 rpm | 3.600 rpm |
| 4 | 1.500 rpm | 1.800 rpm |
| 6 | 1.000 rpm | 1.200 rpm |
| 8 | 750 rpm | 900 rpm |
En Colombia la red es de 60 Hz, de modo que los motores de cuatro polos giran cerca de 1.800 rpm sin carga. El sentido de giro del campo depende de la secuencia de fases. Por eso intercambiar dos conductores invierte el giro del motor (vea el caso de la inversión de giro más adelante en esta serie).
Cómo se produce el par
- El campo giratorio corta las barras del rotor y, por la ley de inducción de Faraday, induce una tensión en ellas.
- Como las barras están en cortocircuito, esa tensión hace circular corriente por el rotor.
- La corriente del rotor, dentro del campo del estator, produce una fuerza sobre cada barra. La suma de esas fuerzas es el par que hace girar el eje.
Si el rotor girara exactamente a la velocidad del campo, las barras no cortarían líneas de flujo, no se induciría tensión y el par sería cero. Por eso el rotor siempre gira un poco más lento que el campo: de ahí el nombre de motor asíncrono.
Deslizamiento
El deslizamiento mide cuánto se atrasa el rotor respecto del campo:
s = (n_s − n) / n_s
Se expresa en porcentaje. Un motor de potencia media en régimen nominal trabaja con un deslizamiento de unos pocos puntos porcentuales; los motores pequeños tienen más deslizamiento que los grandes. En vacío es cercano a cero y con el rotor detenido es 1 (100 %).
Una consecuencia práctica: la velocidad de placa (por ejemplo 1.750 rpm) ya incluye el deslizamiento a plena carga. Dos motores de cuatro polos de fabricantes distintos pueden diferir unas decenas de rpm. Esto importa cuando dos motores deben repartir carga en la misma banda o en bombas en paralelo.
Ejemplo numérico (ilustrativo)
Motor de 15 kW, 4 polos, 400 V, 60 Hz, rendimiento 91 %, factor de potencia 0,85, velocidad de placa 1.750 rpm. Los datos son supuestos para el ejemplo y no corresponden a una referencia comercial.
| Magnitud | Cálculo | Resultado |
|---|---|---|
| Velocidad síncrona | 120 · 60 / 4 | 1.800 rpm |
| Deslizamiento | (1.800 − 1.750) / 1.800 | 2,8 % |
| Corriente nominal | 15.000 / (√3 · 400 · 0,91 · 0,85) | 28 A |
| Par nominal | 9,55 · 15.000 / 1.750 | 82 N·m |
| Corriente de arranque directo (supuesta 7 × In) | 7 · 28 | 196 A |
La fórmula de corriente parte de que la potencia de placa es la mecánica en el eje. La eléctrica absorbida es mayor por las pérdidas, y de ahí el rendimiento en el denominador. El factor 9,55 sale de convertir rpm a radianes por segundo.
La curva par-velocidad
La curva muestra el par que entrega el motor en cada velocidad, desde el rotor detenido hasta la velocidad síncrona. Tiene puntos característicos que conviene reconocer:
- Par de arranque (rotor bloqueado): el par con el motor detenido y tensión nominal.
- Par mínimo (o de aceleración): el punto más bajo durante la aceleración. Si la carga lo supera en algún tramo, el motor se queda atascado a baja velocidad.
- Par máximo (o de desprendimiento): el mayor par que el motor puede dar. Más allá, el motor se cala.
- Par nominal: el par a velocidad de placa, muy cerca de la síncrona.
En la zona estable de trabajo, entre el par máximo y la velocidad síncrona, la curva es casi una recta: si la carga aumenta, el motor baja un poco la velocidad y produce más par. La zona a la izquierda del par máximo es inestable.
El par varía aproximadamente con el cuadrado de la tensión. Con 90 % de la tensión nominal el par disponible cae a cerca del 81 %. Es una de las razones por las que una red débil o un cable largo hacen que un motor no logre arrancar una carga pesada.
Corriente, factor de potencia y rendimiento
- En vacío, la corriente es pequeña y casi toda magnetizante, con factor de potencia bajo.
- A plena carga, el factor de potencia sube a valores típicos de 0,8 a 0,9 en motores de potencia media.
- En el arranque, la corriente es varias veces la nominal (el rango depende del diseño del motor) y con un factor de potencia bajo.
Un motor sobredimensionado trabaja con poca carga, con bajo factor de potencia y rendimiento menor. Un motor subdimensionado se calienta y acorta la vida del aislamiento.
Rotor jaula y rotor bobinado
| Aspecto | Jaula de ardilla | Bobinado (anillos) |
|---|---|---|
| Construcción | Barras en cortocircuito | Devanados con anillos rozantes y escobillas |
| Mantenimiento | Bajo | Mayor, por escobillas y anillos |
| Arranque | Corriente alta; se limita con métodos de arranque | Se inserta resistencia externa: baja corriente y mayor par |
| Control de velocidad | Con variador | Con resistencia rotórica, a costa de pérdidas |
| Uso típico | La gran mayoría de aplicaciones | Cargas de arranque muy pesado, hoy muchas veces sustituidas por variadores |
Tensión y conexión del devanado
La placa indica dos tensiones, por ejemplo 400/690 V, y la conexión correspondiente a cada una: triángulo para la menor, estrella para la mayor. Cada devanado soporta siempre la misma tensión; lo que cambia es cómo se conectan entre sí. Esta propiedad es la que hace posible el arranque estrella-triángulo. La lectura completa de la placa se trata en otra guía de esta serie.
Errores frecuentes
- Confundir polos con pares de polos en la fórmula de velocidad, lo que duplica o reduce a la mitad el resultado.
- Usar la velocidad síncrona como velocidad de operación al calcular caudal de una bomba o velocidad de una banda. La real es la de placa, y varía con la carga.
- Conectar un motor en la tensión equivocada (triángulo en red de 690 V, por ejemplo): el devanado recibe 1,73 veces su tensión y se quema.
- Suponer que el par de arranque es constante al variar la tensión: cae con su cuadrado.
- Calcular corriente con la potencia eléctrica en lugar de la mecánica y subestimar la protección.
- Ignorar el factor de servicio y la altitud al comparar con la carga real.
Lista de verificación
- Velocidad síncrona calculada con la frecuencia real de la red y el número de polos.
- Velocidad de placa usada para el cálculo de la carga movida.
- Tensión de red coherente con la conexión del devanado indicada en la placa.
- Corriente nominal comparada con la medida en operación.
- Par de la carga comparado con la curva del motor en todo el arranque.
- Caída de tensión en el arranque revisada para el cable y la red disponibles.
- Protección térmica y de cortocircuito coherentes con la corriente nominal.
Dudas técnicas frecuentes
- ¿El motor de inducción puede generar energía? Sí. Si una fuerza externa lo gira por encima de la velocidad síncrona, el deslizamiento es negativo y entrega potencia a la red; es la base de algunos generadores eólicos.
- ¿Qué pasa si se pierde una fase en marcha? El motor puede seguir girando con una corriente mayor en las dos fases restantes y se calienta. Por eso las protecciones por falta de fase y desbalance son importantes; vea disparo de la 46 en motores.
- ¿Por qué se calienta un motor que gira en vacío? Revise tensión alta, desbalance, armónicos o ventilación; el estudio de causas se parte de medir.
Cómo le ayudamos
La selección de un motor y su arranque se decide con datos de red, carga y protecciones. Hacemos los estudios de arranque, caída de tensión y coordinación de protecciones, y probamos el motor antes de energizarlo. Vea diseño de ingeniería y estudios y pruebas a motores, o escríbanos por contacto. Otros métodos son el arranque por autotransformador y por resistencias estatóricas o rotóricas, que se explican en arranque por autotransformador y resistencias.
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Referencias
- IEC 60034-1, máquinas eléctricas rotativas: valores asignados y características.
- WEG, Guía de especificación de motores eléctricos.
- Fórmulas de campo giratorio y deslizamiento: texto de máquinas eléctricas de uso general.
Preguntas frecuentes
¿Por qué el rotor no puede girar a la velocidad síncrona?
Porque si girara a la misma velocidad que el campo, el rotor no vería variación de flujo, no se induciría tensión en sus barras y no habría corriente ni par. El deslizamiento es la condición para que el motor produzca par.
¿Cómo cambia la velocidad si cambia la frecuencia de la red?
La velocidad síncrona es proporcional a la frecuencia. Un motor de cuatro polos gira cerca de 1.800 rpm en 60 Hz y cerca de 1.500 rpm en 50 Hz. Por eso un motor diseñado para 50 Hz no se conecta a 60 Hz sin revisar tensión, par y calentamiento.
¿Por qué un motor consume tanta corriente al arrancar?
Con el rotor detenido, el deslizamiento es 1 y el motor se comporta como un transformador con el secundario casi en cortocircuito. La corriente queda limitada sobre todo por la impedancia de dispersión, y por eso es varias veces la nominal.
¿Qué diferencia hay entre rotor jaula de ardilla y rotor bobinado?
El rotor jaula tiene barras en cortocircuito y no requiere mantenimiento de contactos; es el más usado. El rotor bobinado saca sus devanados a anillos rozantes, lo que permite insertar resistencia externa para mejorar el arranque o regular la velocidad.