Tecnologia

Com que tot és relatiu, amb les màquines elèctriques rotatives ens trobem també amb un fenomen de reubicació. Motors elèctrics o formes constructives de motors que pràcticament ja no es fabricaven es tornen a reintroduir per necessitats i aplicacions diferents a les que s’utilitzaven en temps passats.

Un primer exemple el trobem en el grau de protecció dels motors d’inducció trifàsics. Antigament molts d’aquests motors es construïen amb un grau de protecció IP23 de tal manera que estaven refrigerats internament. L’aire era impulsat a l’interior del motor per un ventilador acoblat al propi eix del motor. En la figura 1 podem observar l’aspecte d’un d’aquests motors antics i l’entrada d’aire de refrigeració.

Des de fa molts anys els motors d’inducció trifàsic es fabriquen amb un sistema de refrigeració externa amb un grau de protecció IP55, de tal manera que l’aire extern no té contacte amb els debanats i altres elements interns del motor.

Actualment nous dispositius electrònics i noves tècniques de control fan que el motor d’inducció es pugui aplicar en accionaments que necessiten una acurada regulació de velocitat amb una bona resposta dinàmica. Per alguns d’aquests accionaments que necessiten molt bona resposta dinàmica és interessant aplicar motors de baixa inèrcia. Això ha fet que alguns fabricants hagin recuperat el motor d’inducció refrigerat internament amb un grau de protecció IP23 i fabriquin aquest tipus de motors optimitzant-los per poder operar de forma òptima en aquest tipus d’accionaments. La refrigeració interna d’aquests motors és molt efectiva i permet augmentar la densitat de potència i especialment reduir la dimensió del circuit elèctric i del circuit magnètic del rotor i, per tant, la seva inèrcia. Així, comparant dades dels catàlegs dels fabricants, trobem que un motor de 4 pols de 10,6 kW d’aquestes característiques té una inèrcia de 180 kgcm , mentre que un motor estàndard IP55 de 4 pols i 11 kW té una inèrcia de 730 kgcm . Naturalment, tal com es pot observar en la figura 2, l’aspecte exterior d’aquests nous tipus de motor no té res a veure amb l’aspecte de l’antic i obsolet motor que es mostra en la figura 1.

Un altre exemple el trobem en la màquina d’inducció trifàsica de rotor debanat o d’anells lliscants que va passar a ser pràcticament obsoleta com a motor, però que és molt utilitzada actualment com a generador en aerogeneradors de velocitat variable. A diferència del motor d’inducció trifàsic de gàbia d’esquirol, en el motor d’inducció de rotor debanat es té accés al circuit elèctric de rotor mitjançant tres anells lliscants i les corresponents escombretes, tal com es mostra en la figura 3.

Aquest tipus de motors s’utilitzava per aconseguir una engegada progressiva i amb un parell d’engegada elevat mitjançant la connexió de resistències al circuit rotòric. També s’utilitzava per aconseguir velocitat variable amb la connexió del circuit elèctric rotòric a determinats dispositius electrònics. En aquest cas el circuit elèctric de rotor actuava com un generador de baixa freqüència que, mitjançant un sistema de variació de freqüència format per un rectificador (convertidor d’alterna a contínua) i un ondulador (convertidor de contínua a alterna), retornava una part d’energia a la xarxa elèctrica [figura 4].

Variant les condicions de treball de l’ondulador, es controlava la potència que per aquest sistema es retornava a la xarxa, fent que el motor operés segons diferents corbes parell-velocitat i, per tant, aconseguint modificar la velocitat de l’accionament. La figura 5 mostra una família de corbes característiques parell-velocitat del motor corresponent a diferents punts de treball de l’ondulador. Així s’obtenien diferents punts de funcionament i, per tant, diferents velocitats. En aquest cas s’ha suposat una càrrega mecànica quadràtica com podria ser una bomba centrífuga.

La possibilitat de poder fabricar variadors de freqüència electrònics fiables i especialment amb l’aparició d’estratègies de control avançades, com el control vectorial i el control directe de parell, aplicades a la regulació de velocitat de motors d’inducció de gàbia d’esquirol va fer que aquest sistema de variació de velocitat amb motors de rotor debanat quedés pràcticament obsolet.

Actualment, però, la màquina elèctrica d’inducció de rotor debanat s’utilitza com a generador en aerogeneradors de velocitat variable i competeix amb el generador síncron. En un aerogenerador, el coeficient de potència (relació entre la potència del vent en l’àrea de captació i la potència que entrega el sistema) és variable en funció de la velocitat de rotació de l’aerogenerador i també depèn de la velocitat del vent. En la gràfica de la figura 6 es mostren corbes de coeficient de potència corresponents a diferents velocitats del vent. S’ha marcat sobre cada corba el coeficient de potència màxim. S’observa que la velocitat de rotació òptima de l’aerogenerador per la qual es té el coeficient de potència màxim varia segons la velocitat del vent. Així, per una velocitat lineal del vent v_* s’ha marcat en la figura la velocitat de rotació òptima.

Si es pot modificar la corba del parell resistent del generador elèctric respecte de la velocitat angular de rotació, podem fer treballar el sistema en un punt de funcionament igual o proper a la velocitat de rotació òptima. S’aconsegueix així el màxim rendiment i el màxim aprofitament de l’energia eòlica per a diferents velocitats del vent.

Suposem que la velocitat lineal del vent sigui v_*. La figura 7 mostra la corba parell-velocitat d’una aeroturbina per aquesta velocitat del vent i el punt de velocitat òptima. Amb una màquina d’inducció de rotor debanat operant com a generador amb un equip electrònic igual al que es mostra en la figura 4, es pot treballar amb la corba de parell-velocitat del generador adequada perquè el sistema treballi a aquesta velocitat òptima. El punt de treball del sistema és el punt de tall de la corba de l’aeroturbina i la corba del generador. A diferència de les quatre corbes que es mostren en la figura 5, corresponents al funcionament com a motor que tenien pendent negatiu, en aquest cas la corba parell-velocitat de la màquina d’inducció de rotor debanat funcionant com a generador té pendent positiu.

En conclusió, s’han presentat dos exemples que mostren que l’entorn tecnològic és canviant i que no es pot descartar la possibilitat que determinades màquines elèctriques que actualment es considerin pràcticament obsoletes puguin, en un futur, reubicar-se per a noves aplicacions.

J. Puigmal

Departament d’Enginyeria Elèctrica, Electrònica i Automàtica

< TORNAR