Elementos Rotativos

Elementos Rotativos
Máquinas Asincrónicas (inducción)
En una máquina, el campo magnético en el entrehierro es el
resultado de la suma de los campos magnéticos producidos
individualmente por cada uno de los arrollados de las fases.
Se demuestra que la suma de las contribuciones es un campo
equivalente rotatorio cuyos polos, Norte y Sur, recorren
sucesivamente las tres fases, circulando por el entrehierro 1.
La secuencia de paso de los polos del campo magnético
rotatorio equivalente produce una variación de flujo sobre toda
la periferia del rotor. Tomemos como referencia el punto de
observación fijo de la gráfica. El rotor y su punto de
observación fijo son parte de una pieza metálica sobre la que
se está produciendo un flujo magnético variable. La Ley de
Faraday nos dice que se induce una tensión (recordar el
nombre: motor de “inducción”) y, al ser metálico el conjunto,
también se induce una corriente.
Una corriente (solidaria con el rotor, en este caso), en un campo magnético, según la Ley de Lorentz,
resulta en una fuerza sobre el conductor. Esta fuerza resultante sobre toda la superficie del rotor
(especie de conductor) es el torque que hace que gire, y lo hace en la misma dirección en la que se
mueve el campo magnético producido por las corrientes en el estator: el rotor comienza a girar.
El torque resultante (torque neto) hace que el rotor se acelere y aumente su velocidad (la velocidad
tangencial del punto de observación fijo en el rotor aumenta en la medida en que aumenta la velocidad
de giro del rotor). El aumento de la velocidad de giro hace que la velocidad relativa, entre el punto de
observación fijo y el campo rotatorio del estator, disminuya. Al hacerlo, la tensión inducida en la
superficie del rotor también disminuye: baja la tensión inducida, baja la intensidad de la corriente
inducida, bajan entonces la fuerza resultante y el torque sobre el rotor. Es decir, la aceleración angular
del rotor se va reduciendo. Eventualmente se haría cero.
1 Ver Máquinas Eléctricas de Stephen Chapman – Principios Básicos de las Máquinas de Corriente Alterna.
Deslizamiento (S): es la diferencia entre la velocidad de giro
del estator y del rotor, respecto a la velocidad de giro del
campo magnético del estator.
We−Wr
S=
We
La tensión, corriente y torque inducidos en el rotor son
proporcionales al deslizamiento “S”. Cuando el rotor “alcanza”
la velocidad de giro del campo del estator, ya no hay variación
de flujo sobre el punto de observación. No hay tensión, ni
corriente ni torque, por lo que la aceleración angular es cero y
la velocidad de giro es constante e igual a la velocidad de giro
del campo magnético del estator.
La velocidad de giro del rotor se estabiliza. Pero hay un detalle que no se ha considerado aún: las
pérdidas del conjunto motriz.
Toda la energía pasa del estator al rotor a través del campo magnético y esta debe alcanzar para la
rotación y para cubrir las pérdidas internas, las que incluyen histéresis, joule y el roce mecánico en los
rodamientos y el viento. Todas esas pérdidas pueden considerarse como un torque opuesto, de modo
que, al sumarlo al eléctrico, la única forma de estabilizar la velocidad (cuando el torque neto es cero), es
con una rotación ligeramente menor a la rotación del campo del estator (una diferencia entre las
velocidades produce el torque que hace falta para compensar el de las pérdidas). Esta diferencia, este
deslizamiento, es el que le da el nombre de asincrónica a la máquina de inducción.
Máquinas sincrónicas
Supongamos ahora
que se sustituye el
rotor metálico del
motor de inducción
por un imán
permanente:
Se inyecta el mismo sistema trifásico y balanceado de corrientes en arrollados dispuestos a 120 grados
entre sí. El rotor es ahora un imán permanente.
En este caso, la existencia de un campo magnético en el rotor no depende del efecto inductivo del
campo del estator. El movimiento depende exclusivamente de la alineación entre ambos campos
magnéticos. Si inyectamos corrientes trifásicas en el estator, al igual que en el motor de inducción, se
producirá un campo rotatorio equivalente que “arrastrará” al campo del imán permanente del rotor.
Tendremos un motor sincrónico, ya que el rotor no tiene deslizamiento. Si ahora, en lugar de alimentar
el estator, hacemos girar el rotor, el paso de los polos por cada uno de los arrollados del estator
provocará una variación de flujo y una tensión inducida en cada bobina. Ya que estas están separadas
entre sí 120 grados, la tensión inducida en cada una de ellas tendrá los 120 grados de diferencia que,
en conjunto, conforman un sistema trifásico balanceado (si las bobinas son iguales). Tendremos ahora
un generador sincrónico.
Según utilicemos una máquina sincrónica como motor o como generador, el campo magnético que
“arrastra” será el que proviene desde el elemento por donde entra la energía: si es un motor, la energía
(eléctrica) entra por el estator y “arrastra” al rotor (demanda-mecánica). Por el contrario, si es un
generador, la energía (mecánica) entra por el rotor y este “arrastra” al estator (demanda-eléctrica).
El ángulo delta, llamado ángulo de carga, es la separación angular entre el que “arrastra” y el
“arrastrado”. Su valor dependerá de la fortaleza en la atracción magnética entre los dos campos y se
“estira”, tal cual lo haría una goma elástica con la que se arrastre una carga. La goma se estiraría hasta
equilibrar el roce con la fuerza de arrastre.
En un caso lineal, como el de la figura anterior, una goma utilizada para arrastrar la carga podría
estirarse hasta reventar. En el caso rotatorio, el ángulo delta puede crecer hasta los 90 grados por
razones obvias: al pasar de 90 grados, la polaridad magnética se invierte.
La estabilidad de una máquina sincrónica dependerá en parte de que su ángulo de carga crítico no se
exceda cuando se produzca un desequilibrio en el balance, entre la energía que entra y la energía que
sale de la máquina. La diferencia entre las dos se acumula o se pierde en la máquina y esto se traduce
en variaciones de velocidad y frecuencia que ocasionan condiciones operativas insostenibles. Hay
muchos estudios al respecto que deben ser consultados para profundizar sobre el tema 2.
Un elemento adicional para el sistema consistirá en sustituir el imán fijo por un electroimán. La ventaja
que se obtiene se deriva de la posibilidad de variar la intensidad del campo magnético de rotor y, de
este modo, su interacción con el campo del estator.
La variación de flujo con la que se inducen las tensiones en las
bobinas del estator depende de dos factores:
Єa=
Δφ Variaciones en la intensidad del campo
=
Δt
Variaciones en la velocidad de giro
Variando la intensidad de la corriente continua en el
electroimán del rotor, se varía la intensidad del campo
magnético que produce el flujo:
Δφ = ΔB * Area
ΔB: campo magnético inducido por el electroimán
Area : equivalente de la bobina
Nota: el rotor está girando. La bobina recibe un efecto que varía en función de la posición relativa entre
la bobina y el rotor. Esto es lo que “percibe” la bobina, en el punto fijo (ojo amarillo):
Es así como variando la corriente hacia el rotor (excitatriz), se varía la tensión inducida. Este es el
principio de funcionamiento del regulador automático de voltaje (AVR por sus siglas en inglés), que
adecúa la tensión en los bornes de la máquina controlando la excitatriz.
El otro parámetro a controlar es la velocidad de giro del rotor de la máquina. El sincronismo significa
que la velocidad de giro del rotor depende exclusivamente de la frecuencia de las corrientes en el
estator y, a su vez, la frecuencia de las tensiones inducidas en el estator dependen exclusivamente de
la velocidad de giro del rotor. Es decir, la relación entre ambas es constante.
Debido a esto, si se pretende conectar una máquina sincrónica a una red alterna, las frecuencias de
ambas deben ser iguales. Al una máquina entrar a formar parte de un sistema (conectándola a este) el
equilibrio de potencias, entrando y saliendo, se debe mantener del mismo modo en el que se debe
balancear la entrada y la salida en una máquina única.
2 Ver Análisis de Sistemas de Potencia - Stevenson
Gracias a este pequeño detalle operativo, la velocidad de giro de todas las máquinas conectadas al
sistema quedan automáticamente fijas a una referencia común. En Venezuela, la referencia es 60Hz.
Al producirse una variación en la carga, el equilibrio entrada-salida se altera y se refleja en una
variación de la frecuencia, alejándola de la referencia fija.
Para corregir la desviación es necesario corregir la diferencia entre la entrada y la salida de potencia, de
modo de recuperar la velocidad de giro original. Si la demanda de potencia eléctrica aumenta (se
conectan cargas adicionales) hay que aumentar la entrada de potencia mecánica hasta igualarla al
nuevo requerimiento. Si, por el contrario, la demanda se reduce (se desconecta carga), hay que reducir
entonces la entrada de potencia mecánica.
En ambos casos, la referencia del nuevo punto de equilibrio en la operación es la velocidad de giro de
las maquinas y la consecuente recuperación de la frecuencia nominal de la red (60Hz). En su esencia,
el control del equilibrio de potencias se basa en el control de la velocidad de giro de las máquinas.
Controlando el paso del fluido de trabajo hacia la turbina se mantiene fija la velocidad de giro y la
frecuencia de la máquina sincrónica.
Este es el principio de funcionamiento del control automático de generación (AGC por sus siglas en
inglés) que adecúa la velocidad de giro y la frecuencia de las tensiones controlando la entrada de
potencia mecánica, a través del eje de rotación del generador (máquina sincrónica).
Variando el torque en el eje mecánico se mantiene la máquina girando a su velocidad nominal, de forma
constante (un cambio en la carga, o aumento de potencia, se traduce en un cambio en el torque, ya que
Potencia = Torque * Velocidad Angular). En el eje que une a la turbina con el generador se contrarrestan
el torque mecánico y el torque eléctrico. Si el torque neto es cero, la velocidad de rotación no cambia.
Potencia = Torque * Velocidad angular = voltaje * corriente
La potencia mecánica de entrada se procura mantener en equilibrio con la potencia eléctrica de salida.
Cualquier desbalance hace que la velocidad de giro del sistema mecánico cambie, provocando
variaciones en la frecuencia de las tensiones inducidas.