Introducción a las máquinas de inducción¶

Los generadores eléctricos de inducción (realmente las maquinas eléctricas de inducción, ya que pueden ser motores o generadores) se caracterizan por una curva que muestra la relación entre el par mecánico en su eje de giro, con la velocidad de giro de este eje. Ver siguiente figura.

Fig 1: Curva "Par mecánico en eje en función de la Velocidad de giro del eje" de una máquina asíncrona de inducción~~.~~

Existe un punto característico de este gráfico, definido por la velocidad de sincronismo. Esta velocidad corresponde a la velocidad de giro del flujo magnético creado en su entrehierro por el bobinado del estator, cuando está conectado a una Red Eléctrica, y cuando no hay ni carga mecánica (nada que lo frene), ni aporte de par mecánico (no está conectado a ningún motor) en su eje.

Para entender los dos modos de funcionamiento, motor o generador, hemos de recordar que este dispositivo transforma energía de un tipo a otro (energía eléctrica en energía mecánica, o energía mecánica en energía eléctrica). Por tanto "conecta" dos mundos:

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el bobinado del estator, que debe estar conectado a una fuente de energía eléctrica o a un consumidor de energía eléctrica.

El gráfico anterior considera la velocidad de giro del eje, pero no dice nada de como se llega a poner al eje en esa velocidad. Para entender los principios físicos en los que se basa esta maquina, podemos comenzar visualizando el siguiente video "Imanes enfrentados en ejes". La idea que se pretende mostrar en él, es que el principio de funcionamiento de las máquinas electromecánicas se basa en disponer de dos flujos magnéticos (equivalentes a imanes), situados muy cerca uno del otro, de forma que interactúan entre sí. Cada uno de estos imanes son solidarios de dos cilindros indeformables, que pueden girar sobre ejes independientes pero coaxiales (las direcciones de ambos ejes es una única).

Uno de los ejes (el de la izquierda) tiene un dispositivo que permite el controlar el rozamiento del cilindro izquierdo con su soporte (incluso su parada) , y por tanto es equivalente a una carga mecánica. En el otro eje disponemos de un mecanismo (manivela) con el que podemos crear una fuente de energía mecánica. La misión de los dos imanes es la de transmitir la energía (mecánica) de la fuente de la derecha a la carga mecánica situada a la izquierda. Lo quiere enfatizar este video es que los imanes son elementos intermediarios, es decir, la energía que se trasiega de un cilindro al otro no sale ni entra de los imanes.

En el caso que se muestra en el video, donde el cilindro izquierdo está fijado, las variables independientes que se manejan son:

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la fuerza magnética de los imanes (su flujo magnético), y
la distancia entre ellos (entrehierro).

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Campo magnético en el entrehierro generado por el estator¶

En el gráfico animado siguiente se muestra, de forma simplificada, el bobinado del estator de una máquina trifásica asíncrona, preparada para ser conectada a una Red Eléctrica de corriente alterna trifásica. A diferencia de una red monofásica, en la trifásica disponemos de tres generadores síncronos entre sí (es decir, funcionan a la misma frecuencia), que tienen una separación entre fase de 120º eléctricos (panel derecho del gráfico).

Fig. 2

Cada fase de la Red está conectada a una bobina del estator (una por color). El imán (es decir, el flujo magnético) que se presenta, corresponde con la suma vectorial de los flujos magnéticos creados por cada una de las bobinas, alimentadas por cada una de las fase de la Red. Cada flujo se identifica con el color asignado a la pareja de bobinas correspondiente.

Este es uno de los imanes necesarios en el video anterior, con la particularidad de que este imán no está fijo, sino que gira alrededor del eje central de la máquina (que no se muestra). Este aspecto es fundamental para este tipo de máquina.

Si ahora colocamos un bobinado sobre el eje y lo cortocircuitamos, como se muestra en la siguiente imagen, la situación será casi similar a tener un transformador con el secundario en cortocircuito, y atravesado por el campo magnético (imán virtual), la diferencia con el transformador es que, en este caso, el secundario (bobinado del rotor) está moviéndose.

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Sin embargo, si el rotor está libre para girar, cualquier pequeña no uniformidad en el flujo del imán que lo atraviesa (por deformaciones, o irregularidades, etc.) se traducirá en un pequeño desplazamiento angular del rotor, inicialmente a una velocidad pequeña. Como consecuencia, la velocidad de rotación del imán del estator, visto por el bobinado del rotor, será menor que antes. Esta diferencia de velocidad de rotación se irá incrementando hasta que la velocidad de rotación (física) del eje del rotor, sea igual a la velocidad de giro del imán del estator. Cuando eso ocurra, no habrá inducción en el bobinado del rotor, ya que el flujo del imán del estator no atravesará el bobinado del rotor, porque estarán estarán girando a la misma velocidad, sincronamente. Esa es la velocidad de sincronismo.

Veamos que ocurre si algún sistema externo interactúa con nuestra máquina: solo puede ser a través del eje del rotor.

Caso con carga mecánica en el eje del rotor¶

Si inicialmente nuestra máquina está en velocidad de sincronismo, y ponemos una carga (un freno) en el eje, éste reducirá su velocidad de giro. Como consecuencia, el bobinado del rotor será atravesado por un flujo magnético correspondiente a un velocidad igual a la del imán del estator menos la velocidad de giro del eje. Inicialmente será la de sincronismo, y progresivamente irá disminuyendo. ¿Hasta qué velocidad bajará? El único parámetro que tenemos es el par mecánico resistente (ver punto A en la figura 1). Es decir, cuando la velocidad de giro del eje esté por debajo de sincronismo, aparecerá un corriente inducida que creará el segundo imán, de forma que se dé el posicionamiento de imanes mostrado en el video "Imanes enfrentados en ejes" . Ese angulo entre los imanes dependerá de la magnitud del flujo del estator (cuan fuerte es el imán del estator), del entrehierro entre los imanes, y de la magnitud del flujo creado por la corriente inducida en el rotor por el estator.

En la figura 1 (arriba) se muestra que cuando se introduce una fricción en el eje, su velocidad de giro disminuye y la máquina crea un par mecánico que contrarresta la fricción. (Punto A.)

Ejemplo práctico: si tenemos un taladro con una broca separada de la pared, la velocidad de giro del eje que será la de sincronismo, porque no hay carga mecánica. Cuando apretamos el taladro + broca contra la pared, la broca creará un par resistente, y la velocidad de giro del eje disminuirá. Esto se notará por el sonido emitido por el taladro en ambos casos.

Caso con par mecánico aplicado al eje del rotor¶

Por otro lado, si el eje es forzado a ir a una velocidad mayor que la de sincronismo, consume el par mecánico que es necesario para ese forzamiento; recuerde que la ecuación de dimensiones de "par mecánico" , = "fuerza x distancia al eje de giro", es identica a la de la energía (Trabajo) = "fuerza x distancia recorrida". Esa energía mecánica aportada aparece como energía eléctrica en las bobinas del estator. (Punto B en la figura 1.) Esto se puede conseguir acoplando al eje las palas de un aerogenerador.

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Una máquina de inducción asíncrona puede actuar como motor o como generador, en función de la velocidad de giro de su eje: el sentido de giro es el mismo en ambos casos.

Par en función del deslizamiento¶

En la figura 1 se puede observar que la zona alrededor de la velocidad de sincronismo tiene un tramo casi lineal, antes que llega a un punto de máximo o mínimo par.

Si el eje está en esa zona (la "S") entonces el par mecánico consumido o generado es proporcional al deslizamiento, cuyo formula es:

s = (VelocidadReal - VelocidadSincronismo) / VelocidadSincronismo

o

s = (VelocidadReal / VelocidadSincronismo) - 1

La velocidad de sincronismo depende del numero de 'pares de polos magnéticos' (1 en el caso de la figura superior) y de la frecuencia de la red. En el caso de la figura, y asumiendo 50 ciclos/segundo, la velocidad de sincronismo es (50 ciclos/segundo)/ 1, o sea 50 revoluciones/segundo , o (50 * 60) revoluciones/minuto = (3.000 rpms).