Índex
Animació: Funcionament d'un motor trifàsic d'inducció
Vídeo: Motor polifàsic d'inducció de Tesla
Infografía: Funcionament d'una bobina de Tesla
El motor polifàsic d'inducció: l'invent de Tesla que va canviar l'evolució de la Tecnologia
Els motors de corrent altern, abans de Tesla, eren aparells que rarament es veien o s'utilitzaven. Els pocs que hi havia eren, més aviat, motors experimentals i curiositats de laboratori poc funcionals i amb dissenys molt rudimentaris que dificultaven l'aprofitament de totes les possibilitats i beneficis dels circuits de corrent altern.
Els motors que dominaven el panorama en aquella època eren, doncs, els de corrent continu. Tot i així, aquests motors tenien i segueixen tenint un inconvenient: per a que els conductors bobinats puguin rotar s'ha de revertir la direcció del corrent que els travessa, i això només es pot aconseguir amb alguna mena de mecanisme interruptor que canviï la direcció del corrent cada mitja volta del bobinat. En la pràctica, això s'acostuma a fer alimentant el bobinat per mitjà d'uns contactes feixucs, anomenats escombretes, que estan adosats a l'eix del ròtor bobinat a través d'un anell separat en dos meitats. Aquest anell és el commutador, que està continuament en rotació, lliscant sota les escombretes. Quan l'espai de separació de l'anell coincideix amb les escombretes es produeix la commutació del corrent. Això fa que s'inverteixin els pols de l'electroimant del ròtor bobinat i, en conseqüència, l'imant permanent de l'estàtor el repel·leix continuament, fent-lo rotar, com podem veure en aquestes animacions:
Esquemes de motors de corrent continu en moviment.
Com ja sabeu, els motors de corrent altern no utilitzen el commutador. No necessiten canviar la direcció del corrent amb l'anell commutador perquè s'alimenten amb corrent altern, que fa girar el ròtor bobinat a la freqüència del corrent de subministrament o un submúltiple d'ella (és el cas dels motors síncrons, on la velocitat del camp magnètic de l'estàtor és igual a la velocitat del ròtor). Recordeu l'ona sinusoïdal que representa el corrent altern.
Doncs bé, Tesla va ser el primer en construir un motor de corrent altern totalment funcional amb el que va revolucionar la tecnologia d'aquella època i va fer que George Westinghouse vulgués treballar amb ell: el motor polifàsic d'inducció.
Un dels primers motors d'inducció de corrent altern polifàsics que va construir Tesla el 1888. ("British Science Museum", Londres).
Tesla va voler posar en pràctica els seus descobriments sobre el camp magnètic rotatori. El que l'inventor va idear va ser, bàsicament, el següent: un corrent altern alimentant el bobinat de l'estàtor el converteix en un electroimant que inverteix la seva polaritat per ell mateix sense cap ajuda mecànica. I tot i que l'estàtor és la part fixa, sense moviment, en el seu interior es genera un flux magnètic d'un pol a l'altre. També va comprendre que no hi ha necessitat de connectar físicament cap alimentació al ròtor; es pot generar corrent al llarg del seu bobinat per inducció del camp magnètic de l'estàtor. És a dir, el ròtor està elèctricament aillat. Tot això suposava una proposta molt arriscada en 1888, ja que les condicions de voltatge, corrent i camp havien d'estar "coreografiades" amb molta cura. I tot sense utilitzar commutadors ni escombretes; una autèntica revolució per l'època.
Sintetitzant, el funcionament del motor polifàsic d'inducció de Tesla és aquest: La part fixa del motor, l'estàtor, està formada per diversos mòduls o pols disposats en cercle. En el seu interior hi ha la peça giratòria, el ròtor, on es fixa l'eix o el mecanisme al qual volem dotar de moviment. Si es subministra corrent a un dels pols, es generarà un camp magnètic i el rotor girarà per orientar-se en funció d'aquest camp. Si aquest procés es repeteix successivament per a cadascun dels pols de l'estator, el rotor anirà canviant de posició, de manera que, realitzant-ho de forma simultània amb tots els pols, obtindrem una rotació completa. Senzill, veritat? En realitat el que es sol connectar als pols de l'estator és corrent polifàsica. És a dir, diversos corrents desplaçats en fase (en el cas de motors trifàsics, 120 graus), però des del punt de vista pràctic això és equivalent a un sol corrent que es desplaci a través dels pols. La "màgia" d'aquest invent és que aconseguim transmetre el moviment al rotor sense necessitat d'exercir contacte físic sobre ell, així que pràcticament eliminem el fregament.
Els motors d'inducció de Tesla es coneixen avui com motors asíncrons, perquè el camp magnètic de l'estàtor gira a una velocitat superior a la del ròtor (no estan sincronitzats).
Animació que mostra l'asincronia d'un motor polifàsic d'inducció.
En l'animació anterior veiem que el camp magnètic giratori de l'estàtor, en aquest cas originat pel sistema de corrents trifàsics R-S-T, està representat per la fletxa rosa, i el punt verd és una marca de referència en el ròtor. Observem com el camp magnètic de l'estàtor gira a més velocitat que el ròtor.
En la següent animació interactiva podeu observar com s'obté el camp magnètic giratori resultant connectant cada una de les bobines (pols o mòduls) de l'estàtor al corrent trifàsic. L'angle de desfasament entre elles, en aquest cas, és de 120 graus. La composició dels tres camps és una suma de vectors i la resultant gira a l'espai. Cliqueu en la fletxa verda per avançar en el procés.
Animació interactiva d'un motor trifàsic d'inducció (aquesta i altres animacions interessants es poden trobar en aquesta pàgina).
Tesla i els seus transformadors: La Bobina de Tesla
A efectes pràctics, podríem dir que el corrent altern és intercanviable amb el camp magnètic. És a dir, que podem convertir un corrent en camp magnètic i viceversa mitjançant l'ús de transformadors. Un transformador no és més que un parell de bobines de cable elèctric enrotllats entorn d'un nucli metàl·lic. La primera bobina, anomenada "primari", s'alimenta amb corrent altern i genera un camp magnètic que és recollit i transmès pel nucli metàl·lic fins la segona bobina. I aquí, en el "secundari", es produeix l'efecte invers: el camp magnètic del nucli es converteix en corrent altern.
La conversió de corrent a camp magnètic i viceversa depèn del nombre de voltes que li donem a les bobines. Així que, jugant amb el nombre de voltes o espires de primari i secundari, es poden variar les tensions i intensitats dels corrents. Aquest és el fonament dels transformadors que Tesla va construir quan se li va encarregar la posada en marxa de la central hidroelèctrica del Niàgara (la primera del món). Amb aquests transformadors manipulava el corrent altern provinent dels generadors i així aconseguia transportar-lo a grans distàncies amb les mínimes pèrdues d'energia.
A la següent imatge podem veure com el sistema de corrent continu requeria un cablejat de gran secció i moltes subestacions intermitges amb grups "motor - generador" per a restablir el subministrament d'energia que s'anava perdent pel camí. En canvi, amb el corrent altern un primer transformador elevava el corrent fins a centenars de milers de volts de manera que es pogués transportar a llargues distàncies amb conductors de molta menys secció. Posteriorment, altres subestacions l'anaven reduïnt fins a entregar-lo als consumidors.
Esquemes dels sistemes de transport i distribució del corrent continu (a dalt) i del corrent altern (a baix).
El fonament d'aquests transformadors era el mateix en que es basava una altra de les seves creacions més cèlebres i de les més espectaculars: La bobina de Tesla. Aquesta bobina, en essència, no és més que un transformador especial que genera una diferència de potencial tan gran en el secundari que l'aire, malgrat ser aïllant, no és capaç de contenir-la. No és solament això, clar, perquè per aconseguir una acumulació d'energia semblant no n'hi ha prou amb un transformador convencional, sinó que cal utilitzar circuits ressonants d'alta freqüència, amb diverses bobines i condensadors d'alta tensió.
Funcionament d'una bobina de Tesla (Traduït i adaptat de l'original)
