El
dibujo de la derecha ilustra los principios básicos de
un generador síncrono, como el que vimos en la página
anterior.
En realidad, como verá en la tercera
página, sólo la parte del rotor se ve diferente.
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Generadores
asíncronos (o de inducción)
Nota:
antes de leer esta página deberá haber completado
las tres páginas anteriores sobre generadores
de turbinas eólicas.
La mayoría de turbinas eólicas del mundo utilizan
un generador asíncrono trifásico (de jaula bobinada),
también llamado generador de inducción, para generar
corriente alterna. Fuera de la industria eólica y de las
pequeñas unidades hidroeléctricas, este tipo de
generadores no está muy extendido; aunque de todas formas,
el mundo tiene una gran experiencia en tratar con ellos:
Lo curioso de este tipo de generador es que fue inicialmente
diseñado como motor eléctrico. De hecho, una tercera
parte del consumo mundial de electricidad es utilizado para hacer
funcionar motores de inducción que muevan maquinaría
en fábricas, bombas, ventiladores, compresores, elevadores,
y otras aplicaciones donde se necesita convertir energía
eléctrica en energía mecánica. Otra de las
razones para la elección de este tipo de generador es
que es muy fiable, y comparativamente no suele resultar caro.
Este generador también tiene propiedades mecánicas
que lo hace especialmente útil en turbinas eólicas
(el deslizamiento del generador,
y una cierta capacidad de sobrecarga).
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Un
componente clave del generador asíncrono es el rotor de
jaula.
(Solía llamarse rotor de jaula de
ardilla, pero después resultó ser políticamente
incorrecto ejercitar a sus roedores domésticos en una
rueda de andar, y ahora sólo disponemos de este nombre
menos encantador).
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El
rotor de jaula
Este
es el rotor que hace que el generador asíncrono sea diferente
del generador síncrono. El rotor consta de un cierto número
de barras de cobre o de aluminio, conectadas eléctricamente
por anillos de aluminio finales, tal y como se ve en el dibujo
de la izquierda.
En el dibujo del principio de la página
puede verse el rotor provisto de un núcleo de "hierro",
utilizando un apilamiento de finas láminas de acero aisladas,
con agujeros para las barras conductoras de aluminio. El rotor
se sitúa en el centro del estator, que en este caso se
trata de nuevo de un estator tetrapolar, conectado directamente
a las tres fases de la red eléctrica.
Funcionamiento
como motor
Cuando se conecte a la corriente, la máquina
empezará a funcionar como motor, girando a una velocidad
ligeramente inferior a la velocidad síncrona del campo
magnético del estator. ¿Qué es lo que ocurre?
Si miramos las barras del rotor desde arriba
(en el dibujo de la derecha) tenemos un campo magnético
moviéndose respecto al rotor. Esto induce una corriente
muy elevada en las barras del rotor, que apenas ofrecen resistencia,
pues están cortocircuitadas por los anillos finales.
El rotor desarrolla entonces sus propios
polos magnéticos, que se ven, por turnos, arrastrados
por el campo magnético giratorio del estator.
Funcionamiento
como generador
Ahora bien, ¿qué es lo que ocurre si
hacemos girar el rotor de forma manual a, exactamente, la velocidad
síncrona del generador, p.ej. 1500 r.p.m. (revoluciones
por minuto) para el generador síncrono tetrapolar, tal
y como se vio en la página anterior? La respuesta es:
nada. Dado que el campo magnético gira exactamente a la
misma velocidad que el rotor, no se produce ningún fenómeno
de inducción en el rotor, por lo que no interaccionará
con el estator.
¿Y si aumentamos la velocidad por
encima de las 1500 r.p.m.? En ese caso el rotor se mueve más
rápidamente que el campo magnético giratorio del
estator, lo que significa que, una vez más, el estator
inducirá una gran corriente en el rotor. Cuanto más
rápidamente hagamos girar el rotor, mayor será
la potencia transferida al estator en forma de fuerza electromagnética,
y posteriormente convertida en electricidad suministrada a la
red eléctrica.
Deslizamiento
del generador
La velocidad de un generador asíncrono variará
con la fuerza de giro (momento, o par torsor) que se le aplique.
En la práctica, la diferencia entre la velocidad de rotación
a potencia máxima y en vacío es muy pequeña,
alrededor de un 1 por ciento. Esta diferencia en porcentaje de
la velocidad síncrona
es el llamado deslizamiento del generador. Así
pues, un generador tetrapolar girará en vacío a
1500 r.p.m. si se conecta a una red con una corriente de 50 Hz.
Si el generador está funcionando a la máxima potencia,
girará a 1515 r.p.m.
El hecho de que el generador aumente o disminuya ligeramente
su velocidad si el par torsor varía es una propiedad mecánica
muy útil. Esto significa que habrá menor rotura
y desgaste en la caja multiplicadora (menor par torsor máximo).
Esta es una de las razones más importantes para la utilización
de generadores asíncronos, en lugar de generadores síncronos,
en aerogeneradores directamente conectados a la red eléctrica.
Ajuste
automático de los polos del rotor
¿Se ha dado cuenta de que no especificamos
el número de polos del estator cuando describíamos
el rotor? Lo bueno del rotor de jaula es que él mismo
adapta el número de polos del estator de forma automática.
Así pues, un mismo rotor puede ser utilizado con una gran
variedad de números de polos.
Requerimientos
de conexión a la red
En la página sobre el generador
síncrono de imán permanente mostramos que podía
funcionar como generador sin conexión a la red pública.
En un generador asíncrono es diferente,
pues precisa que el estator esté magnetizado por la red
antes de funcionar.
Sin embargo, se puede hacer funcionar un
generador asíncrono de forma autónoma si se le
provee de condensadores que le suministren la corriente magnetizante
necesaria. También es preciso que haya algo de remanencia
en el hierro del rotor, es decir, algo de magnetismo restante,
cuando se ponga en marcha la turbina (en caso contrario, necesitará
una batería y electrónica de potencia, o un pequeño
generador diesel, para arrancar el sistema).
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