Máquinas sincrónicas

Máquinas sincrónicas
Supongamos que tenemos un motor de inducción convencional (un motor asincrónico), con un estator y
un rotor de jaula de ardilla (pudiera ser también un rotor embobinado). Alimentamos las tres bobinas del
estator, dispuestas a 120 grados entre sí, con un sistema de corrientes trifásicas y balanceadas. Lo que
ocurre a continuación es algo que suponemos ha sido estudiado anteriormente, se produce un campo
rotatorio equivalente en el entrehierro que induce corrientes en el rotor y estas, a su vez, interactuan
con el mismo campo que las produce, obteniéndose como resultado la aceleración del rotor y aumento
de su velocidad hasta que se estabiliza en una velocidad cercana a la sincrónica. Este fenómeno se
reproduce a diario en millones y millones de motores de inducción del mundo actual.
Decidimos ahora experimentar un poco y le extraemos el rotor al motor de inducción para sustituirlo por
un imán permanente. Es decir, intercambiamos la jaula de ardilla por un imán, tal cual se muestra aquí:
La primera observación que surge es que en este caso, la existencia de corrientes o de un campo
magnético en el rotor no depende del efecto inductivo ni de la influencia del campo existente en el
estator. El rotor no tiene corrientes inducidas y tenemos un campo magnético constante que puede girar
libre en el espacio anteriormente ocupado por el rotor del motor de inducción.
Si las bobinas del estator están energizadas entonces sabemos que existe un campo rotatorio
equivalente en el entrehierro. Si el imán es también un campo magnético, las leyes de la física nos
explican que se produce un torque entre los dos vectores de campo que hace que estos tiendan a
alinearse. Si el estator está fijo y el imán puede girar libremente, lo que ocurrirá será que este último
comenzará a moverse en la misma dirección del campo de estator, siguiéndolo en su recorrido.
Esta respuesta parece lógica, sólo que existe una limitante relacionada con la característica inercial del
rotor que no le permitiría comenzar a girar instantáneamente, a menos que su masa fuese cero, o que
la velocidad de rotación del campo fuera suficientemente lenta, digamos de una revolución por
segundo, lograda sólo si alimentáramos el estator con corrientes de frecuencia 1Hz, muy lejos de los
60Hz que ya tenemos en el país. Más adelante comentaremos este singular detalle operacional.
Tenemos que ahora el movimiento del rotor depende exclusivamente de la alineación entre ambos
campos magnéticos, el del estator y el del rotor. Si inyectamos corrientes trifásicas en el estator, al igual
que en un motor de inducción se producirá un campo rotatorio equivalente que en este nuevo arreglo
“arrastrará” al campo del imán permanente del rotor. Un motor cuyo rotor gira a la misma velocidad del
campo del estator (un motor sincrónico) porque no tiene el deslizamiento (s) del motor de inducción,
donde la energía que recibe el rotor desde el estator tiene que alcanzar para la rotación y para cubrir
sus pérdidas internas.
Si ahora, en lugar de alimentar al estator lo desconectamos y hacemos que el rotor gire accionándolo
externamente, como por ejemplo conectando su eje a una turbina de agua, el movimiento giratorio hará
que un campo magnético fijo pase por cada una de las bobinas del estator y provoque una variación de
flujo, por lo tanto, se inducirá un voltaje en cada bobina (por cierto, algo muy similar a lo que ocurre en
la periferia del rotor de un motor de inducción). Si las bobinas están separadas 120 grados entre sí, el
voltaje inducido en cada una de ellas tendrá los 120 grados de diferencia que, en conjunto, conforman
un sistema trifásico balanceado (suponiendo que las bobinas son iguales). Tendremos entonces 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 su campo magnético “arrastra” al del rotor (demanda-mecánica). Por el
contrario, si se utiliza como generador, la energía (mecánica) entra por el rotor y este campo magnético
“arrastra” la carga eléctrica conectada al estator (demanda-eléctrica). Gráficamente es algo así:
El ángulo delta, llamado también ángulo de carga, es la separación angular entre el campo que
“arrastra” y el campo “arrastrado”. Su valor dependerá de la fortaleza en la atracción magnética entre
los dos campos y, claramente, se puede “estirar”, 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 sólo hasta los 90 grados por
razones obvias: al pasar de 90 grados, la polaridad magnética se invierte.
La denominada “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 su velocidad y frecuencia que ocasionan condiciones operativas
insostenibles. Hay muchos estudios al respecto que deben ser consultados para profundizar sobre el
tema1, ya que constituyen la base de la operación segura en un sistema de potencia eléctrica.
Controlando el módulo del voltaje generado en una MS
Un elemento adicional para el sistema funcional de una máquina
sincrónica consiste en sustituir el imán permanente del análisis
anterior por un electroimán (una bobina eléctrica, alimentada con
corriente continua). La ventaja que se obtiene se deriva de la
posibilidad de controlar la intensidad del campo magnético del rotor
controlando su corriente y, de este modo, su interacción con el
campo del estator.
La variación del flujo con la que se inducen los voltajes en las
bobinas del estator depende de dos factores:
Єa=
Δφ Variaciones en la intensidad del campo
=
Δt
Variaciones en la velocidad de giro
Si se varía la intensidad de la corriente continua que fluye por los arrollados del electroimán del rotor, se
varía la intensidad del campo magnético que produce el flujo:
Δφ = ΔB * Area
ΔB: variación de campo magnético inducido por el electroimán
Area : equivalente de la bobina
Nota: el rotor gira y la bobina recibe un efecto que varía en función de la posición relativa entre la
bobina y el rotor (ángulo). La figura muestra lo que “percibiría” la bobina, en el punto fijo (ojo amarillo):
Es así como variando la corriente hacia el rotor (excitatriz), se puede variar el módulo del voltaje
inducido. Este es el principio de funcionamiento del regulador automático de voltaje (AVR por sus siglas
en inglés), que adecúa la corriente de la excitatriz para controlar el voltaje en los bornes del generador.
1 Ver por ejemplo Análisis de Sistemas de Potencia - Stevenson
Controlando la frecuencia del voltaje generado en una MS
Otro parámetro que se puede controlar (en efecto, se hace), es la velocidad de giro del rotor de la
máquina. Cuando se habla de sincronismo se refiere a que la velocidad de giro del rotor depende
exclusivamente de la frecuencia de las corrientes en el estator, así como la frecuencia de los voltajes
inducidos en el estator dependerán exclusivamente de la velocidad de giro del rotor. Es decir, la relación
entre ambas es constante y fija en las máquinas sincrónicas, aunque esta pueda girar a cualquier
velocidad. Lo importante es que siempre se mantendrá esa relación, opere como motor o generador.
Sin embargo, debido a que la aplicación típica de las máquinas sincrónicas es utilizarlas como
generadores, se hace entonces necesario que la velocidad de giro sea controlada, para que de este
modo la frecuencia del voltaje que se genera, también sea controlada.
Si se pretende conectar una máquina sincrónica a una red alterna, las frecuencias en ambas deben ser
iguales. Cuando una máquina entra a formar parte de un sistema (conectándola a la red eléctrica como
motor o como generador), para mantener la velocidad, el equilibrio de potencias, entrando y saliendo
(mecánica y eléctrica), se debe mantener del mismo modo en el que se debería balancear la entrada y
la salida con una máquina única. En un sistema hay restriccionea adicionales.
Este pequeño detalle operativo determina que la velocidad de giro de todas las máquinas conectadas a
una red eléctrica común deban quedar automáticamente fijas también en una referencia común. En
Venezuela, la frecuencia de referencia es 60Hz. Al producirse una variación en la carga (algo que
ocurre constantemente, cada vez que se prende o se apaga un bombillo, por ejemplo), el equilibrio
entrada-salida de todo el conjunto se altera y esto se refleja en una variación de la frecuencia,
alejándola del valor de referencia.
Para corregir las desviaciones se hace necesario corregir la diferencia entre la entrada y la salida de
potencia, de modo de recuperar el balance y la velocidad de giro original. Si la demanda de potencia
eléctrica aumenta (se conectan cargas adicionales) es necesario aumentar la entrada de potencia
mecánica hasta igualarla al nuevo requerimiento. Si, por el contrario, la demanda se reduce (se
desconecta carga), entonces hay que reducir la entrada de potencia mecánica. En su esencia, el control
de la velocidad de giro de las máquinas (frecuencia) se basa en mantener el equilibrio de potencias que
entran y salen del conversor de energía (máquina).
Utilizando una válvula para controlar el paso (caudal) del fluido de trabajo hacia una turbina es como se
procuran mantener en un valor fijo 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 los voltajes controlando la entrada de potencia mecánica,
a través del eje de rotación del generador (máquina sincrónica). El proceso se muestra en la gráfica
siguiente:
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 se mantiene
fija en el valor de referencia.
Potencia = Torque * Velocidad angular = voltaje * corriente
La potencia mecánica de entrada se procura mantener en equilibrio con la potencia eléctrica de salida.
Ya sabemos que cualquier desbalance hará que la velocidad de giro del sistema mecánico cambie,
provocando variaciones en la frecuencia de las tensiones inducidas y la reacción del sistema de control.
Cómo arrancar una máquina sincrónica
Al principio se habló de inyectar un juego de corrientes trifásicas a los arrollados de un estator mientras
colocábamos un imán permanente en el lugar del rotor. Se dijo que el imán iba a comenzar a rotar y
tendríamos así un motor sincrónico. Pues la cosa no es tan sencilla: gira, pero no arranca.
Echar a andar (girar) el rotor de una máquina sincrónica significa llevarla desde cero RPM a 3600 RPM,
en un instante de tiempo (suponiendo que tiene un par de polos), mientras pasa el vector rotatorio por el
entrehierro y arrastra al imán. Tremenda fantasía; a menos que la masa del electroimán fuera cero, no
es posible semejante variación de velocidad en ese instante. Posiblemente el rotor comience a vibrar,
pero no logra arrancar.
Un procedimiento de arranque puede consistir en conectar un motor de inducción al eje de la máquina
sincrónica, para que éste arranque el rotor y lo lleve hasta una velocidad cercana a la sincrónica (un
pequeño deslizamiento). Luego, el rotor se energiza (la excitatriz) y se completa el emparejamiento de
la velocidad. Por supuesto que esta maniobra no es sencilla ni barata, el motor de inducción es parte
del conjunto y sigue dando vueltas, arrastrado por el motor. Por esta razón, los motores sincrónicos no
son muy comunes, al menos en aplicaciones en las que tiene que arrancar y detenerse como parte del
ciclo de trabajo.
Cuando se trata de un generador la cuestión es mucho más sencilla. Considerando que la energía en
este caso entra en forma mecánica por el rotor y sale en forma eléctrica por el estator, lo que hay que
hacer es arrancar el eje motriz del generador (motor de combustión, turbina de agua, vapor o gas, etc.),
hasta que el conjunto alcance la velocidad sincrónica (frecuencia eléctrica igual a la de la red). En este
momento, igualdad de frecuencias y de voltajes, se realiza la maniobra conocida como “sincronización”:
se conectan los bornes de la máquina a la red.