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:
•el eje de giro, donde se encuentra el bobinado del rotor, que debe estar mecánicamente conectado a un dispositivo que puede dar vueltas, y que se puede comportar como una carga mecánica o a un generador de energía mecánica.
•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).
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•la energía que se transmite (el par aplicado a la manivela),
•la fuerza magnética de los imanes (su flujo magnético), y
•la distancia entre ellos (entrehierro).
La variable dependiente es el angulo entre los ejes de los imanes. Este angulo es tanto mayor cuanto mayor es la energía aplicada a la manivela y el rozamiento en el eje de la izquierda, y es inversamente proporcional al flujo de los imanes: con imanes infinitamente "poderosos" este angulo siempre sería 0. En el caso de que el cilindro de la izquierda no esté fijado, tendrá un par mínimo de rozamiento, de forma que si la energía aportada por el cilindro derecho es menor que dicho rozamiento, estaremos en la misma situación anteriormente descrita. Si es mayor, todo el sistema girará con una velocidad que dependerá del exceso de energía y del momento de inercia del conjunto. Es decir, tendremos que los cilindros girarán a diferente velocidad, habrá un deslizamiento de la velocidad de giro del imán derecho sobre la velocidad del izquierdo. Este concepto es crucial para entender estas máquinas.
Para que este ejemplo nos sirva para explicar las máquinas asíncronas necesitamos saber como crear los dos imanes del video anterior.
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).
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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.
La ley de Faraday nos dice que, cuando eso ocurre, se induce una tensión en el bobinado del rotor (secundario del transformador equivalente), cuya frecuencia será la correspondiente al movimiento relativo del imán que gira y al movimiento del rotor. Si cortocircuitamos el rotor, esa tensión creará una corriente en él. Esa corriente inducida en el rotor crea el segundo imán en nuestro video anterior.
Si el rotor lo mantenemos fijo (mediante un freno), entonces el movimiento relativo del imán corresponderá a frecuencia de la red eléctrica que alimenta al estator (primario del transformador): el resultado es que la corriente inducida en el rotor, creará el segundo imán. Exactamente como si tuviéramos un transformador con el secundario en cortocircuito.
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.
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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.
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.
Es decir, dependiendo de si ponemos una carga mecánica en el eje o suministramos par mecánico, esta máquina se comporta como un motor o como un generador.
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.
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.
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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).
