28 enero 2011

Las ventajas del motor eléctrico frente al motor de combustión en detalle (1ª PARTE)





En muchas ocasiones surgen dudas sobre la idoneidad de usar un motor eléctrico o continuar con un motor de combustión. Es un debate abierto que está candente actualmente como consecuencia del intenso incremento de los precios del petróleo y las poco halagüeñas proyecciones para un futuro inmediato. Es por tanto importante que conozcamos con cierto detalle cuales son las diferencias fundamentales entre ambos tipos de motores desde el punto de vista de la eficiencia energética.
Este artículo es un poco más técnico de lo habitual así que utilizaremos algunas simplificaciones que ayudarán a entenderlo a los que no están demasiado familiarizados con la ingeniería eléctrica.
 
Empezamos conociendo las diferencias entre un motor eléctrico y un generador
En principio, cualquier motor eléctrico también puede generar electricidad. Sin embargo, las unidades eléctricas están muy por delante de los motores de combustión, ya que, por desgracia, aún no se ha inventado un motor de coche que aspire los gases de escape durante los frenados y descensos, y los convierta en combustible y aire fresco. El motor eléctrico puede ofrecer esto, aunque durante su primer siglo de existencia, esta aplicación ha sido en gran parte obstaculizada por dos inconvenientes:
  • Un motor eléctrico no tiene pedal del acelerador.
  • Un enchufe no funciona como un grifo de "agua corriente".
Cuando un motor eléctrico está funcionando, genera una tensión con una polaridad opuesta a la tensión de alimentación
Y la corriente es demasiado alta en los primeros momentos del encendido cuando el motor no está operando en régimen estacionario. Si usamos motores grandes, o varios motores arrancan simultáneamente, deberemos tener cuidado ante las elevadas corrientes que se generan durante el arranque. Cuando el motor se acelera, se incrementa el voltaje inducido. De hecho, cuando se excede la velocidad donde se aplicó el voltaje y la tensión aplicada y la tensión de red son iguales, el motor va a generar una tensión superior a la que encuentra en la línea. La corriente fluirá al revés, y el motor invierte su función actuando como un generador.
Las ventajas en eficiencia energética
Este fenómeno ofrece unas interesantes ventajas de eficiencia energética, especialmente para máquinas tales como grúas, elevadores, etc; ya que podemos transformarlas en generadores eléctricos durante los movimientos de descenso. Lo que no es tan bueno es que la línea siempre tiene aproximadamente la misma tensión, pero con respecto a otras cargas; por ejemplo, las luces, esto tiene que ser así. Esto debe tenerse en cuenta de nuevo si la velocidad del motor se varía. Antiguamente, las soluciones disponibles eran ineficientes y caras. Había que utilizar transformadores con tomas múltiples, como en las locomotoras, pero que eran voluminosos y caros; o limitar la corriente con resistencias, como en los tranvías, que era una solución ineficiente.
Motor AC

Los motores de corriente alterna
Las cosas complican un poco cuando tratamos con motores de corriente alterna, ya sean monofásicos o trifásicos. El principio de un motor eléctrico es siempre crear un movimiento de rotación a partir de las fuerzas de atracción y repulsión magnética. Los motores de corriente alterna se pueden construir de una forma más simple que en los motores de corriente continua debido a que el cambio periódico de polaridad ocurre de todas formas, y no tiene que ser generado dentro de la máquina.
Los motores de corriente continua
Pero es obvio que la variación de la velocidad de rotación es difícil para los motores de corriente continua, ya que depende en gran medida de la tensión de suministro, es decir, aproximadamente estable. En los motores AC el cambio de la velocidad es imposible ya que debe ser coherente con la frecuencia de la red, que es en términos técnicos totalmente estable.
Ahora cualquier tipo de motor eléctrico tiene que ser diseñado de manera que a la velocidad nominal deseada, la tensión generada en el motor será casi la misma que la aplicada al voltaje de operación (nominal). Con motores de corriente continua el voltaje inducido tiene que ser algo menor que en la línea. Cuando se carga, el motor de corriente continua perderá un poco de velocidad, produciendo una nueva caída de la tensión del voltaje inducido y por lo tanto una diferencia superior respecto a la tensión de línea y a una entrada de corriente más alta. De esta forma se acoplará la carga más elevada. Así adaptan (más o menos) por su propia naturaleza para tratar con cargas variables.
Motor DC

Esto es una ventaja en un motor de combustión, y una de las diferencias sustanciales en el comportamiento operativo que se ha discutido aquí. Un motor eléctrico, puede trabajar en todo el voltaje sin carga - eximiendo tal vez un tipo particular, la máquina con colector conectada en serie. Las grandes unidades pueden en realidad ser destruidas por las fuerzas centrífugas cuando se alimentan a pleno voltaje y sin carga aplicada. Las unidades pequeñas, como las utilizadas en aparatos de cocina y, por ejemplo para el limpiaparabrisas de un coche, tienen pérdidas de fricción suficientes como para prevenir esto. Pero a un voltaje de alimentación fijo, aplicar una cierta velocidad siempre estará vinculada a una entrada y salida de potencia fijas. El control del flujo de la electricidad, la regulación de la potencia y/o la velocidad de un motor eléctrico ha sido una tarea demandada en los días anteriores a la invención de la electrónica de potencia.
Esto se aplica más aún a los motores de CA. La velocidad de una máquina sincrónica es absolutamente estable, siendo la máquina utilizada como motor o como generador. Pierde un poco de velocidad durante un tiempo muy limitado, cuando, por ejemplo, pasa de operación del motor a neutral, justo hasta que el ángulo de fase entre la fase eléctrica y la posición del rotor ya no estén "en fase". Después de este corto período de transición de velocidad del motor y la frecuencia de la red estará sincronizada de nuevo. Podríamos imaginar el proceso de la siguiente forma:
Cuando la máquina está funcionando en condiciones sin carga, la tensión alterna que genera es alta cuando el voltaje de línea es alto, y es bajo cuando el voltaje de línea es bajo. Están en fase entre sí, así que prácticamente no circula corriente en ningún sentido (ignorando la energía reactiva).
Por otra parte, en la potencia eléctrica (también sus valores instantáneos) la inversión de voltaje o corriente implica un cambio de signo, y por lo tanto una reversión del flujo de energía. Ahora, cuando la máquina está funcionando como un motor, la tensión alterna que genera un retraso detrás del voltaje aplicado. Es todavía algo menor cuando el voltaje de la línea alcanza su pico, por lo que la corriente fluirá de la red a la máquina; por lo que actúa como un motor. En el momento en el que cambia su polaridad, el voltaje de línea también se ha cambiado, por lo que se están multiplicando dos veces por -1 y se queda pegado con el funcionamiento del motor.
Cuando el eje de la máquina se utiliza para hacer funcionar la máquina como un generador de corriente alterna, la propia máquina genera el voltaje aplicado. Cae de nuevo cuando el voltaje de la línea alcanza su punto máximo, por lo que la corriente fluirá de la máquina a la red. En el momento actual la corriente cambia su polaridad ... y así sucesivamente.
El motor asíncrono
La explicación se complica un poco si discutimos la máquina eléctrica más ampliamente utilizada, el motor asíncrono, ya que los procesos de circulación de la corriente son más difíciles de imaginar en una manera ilustrativa. El motor síncrono tiene imanes eléctricos a cada lado, en el estator y el rotor. Los devanados del rotor están en cortocircuito y actúan como el secundario de un transformador. El campo magnético giratorio en el estator induce una corriente en los bobinados del rotor en cortocircuito, que a su vez genera su propio campo magnético. Como en una máquina síncrona, los polos de los campos del estator, impulsado por la frecuencia de red, se mueven en círculo y persiguen a los polos del campo del rotor por delante de ellos. Así el rotor comienza a girar. Un motor asíncrono siempre girará un poco más lento de lo que los polos magnéticos lo hacen en el estator. Esta pequeña diferencia, el deslizamiento, es necesaria para mantener la corriente en las bobinas del rotor y así mantener el magnetismo del rotor. La frecuencia de deslizamiento puede ser tan baja como 1 Hz o incluso menos en una gran máquina, así que si en un motor asíncrono de 2 polos alimentado con 50 Hz los polos del estator girar a 3000/min, el rotor girará a 2940/min. Cuando se acelera actuará como un generador. A 3060/min, por ejemplo, con el mismo deslizamiento con signo inverso, la corriente de salida será la misma que la corriente de entrada a 2940/min.
Junto con los motores de corriente continua, incluyendo motores de conmutador que puedan operar tanto en AC como DC; el motor asíncrono trifásico se pondrá en marcha sólo cuando se aplica la tensión de la red. Además, según lo explicado anteriormente, lo hará muy abruptamente con varias veces el par nominal y la corriente de admisión. Esta es la siguiente diferencia respecto al motor de combustión, que requiere un pequeño motor de corriente continua para ponerlo en marcha.
Una máquina síncrona como tal no puede ponerse en marcha solo. Por esta y otras razones, generalmente estas máquinas se usan solamente como generador.
Como anotación al margen, la máquina de conmutación serie es por principio una máquina DC, pero debido que su estator y rotor están conectados en serie, invertirán la polaridad cuando lo hace la corriente, por lo que el sentido de giro es el mismo. Por lo tanto, también puede funcionar como un motor de corriente alterna, pero cuando se utiliza como un generador, generará corriente continua. Si no se define por una bobina suplementaria dedicada, la polaridad será función del magnetismo residual accidental.
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