1.4.23. Motores de varias velocidades

La Ecuación Fundamental de la Velocidad Sincrónica y el Contexto Histórico Industrial

La velocidad a la que gira el campo magnético del estátor de una máquina asíncrona, conocida formalmente en la literatura técnica de ingeniería eléctrica como velocidad sincrónica ($n_s$), se encuentra indisolublemente ligada a la física constructiva del motor y a los parámetros del suministro eléctrico a través de una ecuación matemática de asombrosa simplicidad pero de profundas implicaciones operativas para la industria: $$n_s = \frac{60 \times f}{p}$$ En esta inmutable expresión algebraica, la variable $n_s$ representa la Velocidad Sincrónica y se expresa invariablemente en revoluciones por minuto (RPM). Por su parte, la variable $f$ define la frecuencia de oscilación de la red eléctrica trifásica de alimentación, un parámetro rigurosamente mantenido a 50 Hz a lo largo de todo el entorno continental europeo bajo estrictas normativas de regulación de red establecidas por los operadores del sistema, mientras que en la práctica totalidad del continente americano e influencias asociadas se estandariza firmemente en 60 Hz. Finalmente, y representando la única variable física verdaderamente alterable en la máquina desde un punto de vista puramente mecánico y constructivo tras su proceso de fabricación, el denominador $p$ corresponde directamente al número de pares de polos magnéticos para los cuales ha sido minuciosamente diseñado el devanado. Es de una importancia conceptual absoluta comprender de manera inequívoca que la nomenclatura técnica estandarizada se refiere expresamente a 'pares' polares; esto significa, a todos los efectos prácticos y teóricos, que un conjunto magnético elemental conformado indisolublemente por un polo Norte electromagnético emisor de líneas de flujo y su correspondiente e inevitable polo Sur receptor de dichas líneas, constituye exactamente un único par de polos ($p=1$), resultando en dos polos totales distribuidos a lo largo del perímetro interior del estátor ferromagnético.

• Frecuencia inalterable: Como las grandes subestaciones fijan este parámetro, no se podía alterar el giro variando la onda antes de la invención del variador de frecuencia o inversor electrónico.
• Número de pares de polos: La alteración física y estructural del bobinado era el único recurso tangible disponible para los ingenieros.
• Velocidad rotórica: La velocidad real en el eje (velocidad del rotor) es siempre un pequeño porcentaje inferior a $n_s$ debido al concepto fundamental de deslizamiento, imprescindible para inducir el par.

Desde los incipientes y revolucionarios albores de la era industrial moderna, impulsada y sostenida sin descanso por la abrumadora versatilidad y eficiencia de la energía eléctrica en corriente alterna, el control preciso, seguro y confiable de la velocidad angular de rotación en los omnipresentes motores de inducción con rotor de jaula de ardilla maciza ha representado, sin lugar a dudas, uno de los desafíos tecnológicos más formidables, persistentes y complejos para las sucesivas generaciones de ingenieros electrotécnicos. Durante las largas y prolíficas décadas previas a la masificación comercial y a la definitiva viabilidad económica de los sofisticados inversores de frecuencia transistorizados de estado sólido y de modulación por ancho de pulsos, alterar voluntaria y controladamente las revoluciones operativas en carga de un pesado eje motriz industrial exigía imperativamente a los proyectistas enfrentarse de forma directa y contundente a las implacables leyes fundamentales del electromagnetismo clásico.

Normativas Internacionales IEC 60034 y la Compleja Arquitectura Interna de los Devanados Completamente Separados

Al operar bajo los exigentes, meticulosos y exhaustivos estándares mundiales de diseño electromecánico descritos detalladamente en la fundamental normativa internacional IEC 60034, la cual regula con precisión absoluta cada aspecto dimensional y térmico de las máquinas eléctricas rotativas a nivel global, la topología basada en devanados estatóricos independientes se consolidó en la industria pesada como una arquitectura innegablemente robusta, si bien irremediablemente aquejada de una enorme y palpable complejidad constructiva. Al sumergirnos en el análisis de esta configuración electromecánica singular, observamos que la robusta estructura exterior protectora de la carcasa del motor se ve abocada de manera imperativa a alojar en su interior un paquete laminado de chapas magnéticas de acero al silicio que resulta ser excepcionalmente sobredimensionado tanto en diámetro exterior como en longitud axial. El motivo técnico e ineludible de este ponderoso sobredimensionamiento volumétrico general es pura y fundamentalmente estratégico desde el restrictivo punto de vista del comportamiento del flujo magnético: los diseñadores de la fábrica se enfrentaban al mayúsculo desafío de encontrar la manera de insertar cuidadosamente, dentro del mismo y limitado volumen de las ranuras estatóricas, dos circuitos eléctricos trifásicos completos que debían resultar ser total y absolutamente independientes desde el punto de vista galvánico y de control operativo.

Para lograr esta proeza constructiva de empaquetamiento, cada uno de estos dos mastodónticos circuitos independientes de bobinas debe ser fabricado e insertado en las ranuras siendo bobinado meticulosamente empleando un paso diametral o un paso fraccionario que resulta ser radicalmente distinto entre ambos circuitos insertados, persiguiendo generar una configuración geométrica de polos magnéticos espaciales específica, distinta y única para cada devanado. Como consecuencia directa de esta extrema dualidad constructiva, al examinar el diagrama de corte transversal de uno de estos equipos de tracción industrial, el observador avezado descubre que se encuentra físicamente y a todos los efectos prácticos ante la materialización de dos motores electromagnéticos completos, independientes e íntegros que se hallan secretamente entrelazados y superpuestos dentro de un único esqueleto mecánico, viéndose ambos sistemas obligados a compartir resignadamente tanto el mismo entrehierro como el mismo y pesado rotor masivo de jaula de ardilla fundida en aluminio.

Aplicaciones Prácticas Industriales Críticas y los Peligrosos Riesgos Derivados de la Termodinámica

A fin de comprender con absoluta claridad la necesidad imperiosa de estas complejas máquinas y su invaluable aportación tecnológica, imaginemos un escenario crítico correspondiente a un proceso industrial de ventilación forzada masiva situado en las profundas entrañas de una compleja planta petroquímica de fraccionamiento continuo. Este vital sistema de extracción exige de manera imperativa la disponibilidad permanente de dos regímenes mecánicos de operación: un régimen de caudal máximo extraordinario, cuya finalidad es la evacuación inmediata y masiva de peligrosos gases tóxicos y vapores altamente inflamables durante un hipotético incidente de sobrepresión incontrolada; y, por otra parte, un régimen complementario de caudal mínimo constante, diseñado para satisfacer el mantenimiento del flujo de aire fresco basal requerido de manera sostenida durante las largas operaciones nocturnas rutinarias. Para lograr satisfacer esta exigente demanda dual de ventilación en las complejas eras tecnológicas previas a la electrónica de potencia moderna, los experimentados ingenieros proyectistas prescribían de manera habitual la adquisición inmediata de un robusto motor asíncrono dotado de la confiable arquitectura de devanados completamente separados. El primer devanado interior, rigurosamente calculado y optimizado termodinámicamente con suma precisión, podría perfectamente ser configurado de manera deliberada con una topología constructiva consistente en únicamente dos polos magnéticos totales (un solo par de polos, resultando en $p=1$). Al momento de recibir tensión trifásica en sus bornes, este primer devanado principal reacciona con extrema violencia electromagnética e induce instantáneamente un feroz campo magnético rotativo vertiginoso que gira a la asombrosa velocidad sincrónica teórica de exactamente 3000 revoluciones por minuto. Las bobinas que conforman este circuito ocupan sus propias ranuras designadas utilizando un calibre de hilo de cobre capaz de soportar holgadamente la intensidad nominal sin saturar el hierro.

Sin embargo, de forma totalmente paralela y simultánea a esta primera configuración de alta velocidad, entrelazado pasivamente en las profundidades de las ranuras estatóricas adyacentes, yace a la espera el voluminoso segundo devanado de la máquina eléctrica. Este intrincado circuito eléctrico alternativo e independiente se ha conexionado deliberadamente siguiendo un esquema complejo diseñado a propósito para generar seis polos magnéticos totales (lo que equivale de manera directa, aplicando la fórmula universal, a una distribución de tres pares de polos completos, es decir $p=3$). Si la lógica cableada de control en el centro de mando recibe la orden de desactivar el primer circuito de alta rotación, para acto seguido energizar con potencia este extenso y voluminoso segundo devanado de alta polaridad, el campo magnético emergente se verá obligado, por las inapelables leyes de la física, a rotar espacialmente de forma pesada y pausada a una velocidad marcadamente menor de apenas 1000 revoluciones por minuto. Esta drástica y repentina reducción en la velocidad angular de régimen permanente del poderoso eje giratorio conlleva asociada de forma inmediata una serie de críticas implicaciones en la delicada dinámica de refrigeración térmica en el interior de la máquina. Si nos atenemos escrupulosamente a los estrictos dictámenes estipulados sobre ventilación en la norma internacional IEC 60034-6, descubrimos que la dramática reducción de la velocidad angular del árbol motriz provoca inevitablemente una fortísima e irremediable caída en el volumen del imprescindible caudal de aire fresco desplazado velozmente por la forzada acción constante del ventilador centrífugo que se encuentra rígidamente calado a la propia cola rotativa del motor en el extremo tradicionalmente denominado lado opuesto al acoplamiento o lado ventilador. Al girar más despacio impulsado por el nuevo campo de 1000 RPM, las aletas barren menos volumen por unidad de tiempo y pierden dramáticamente su poder de empuje termodinámico.

• Caída del caudal de refrigeración: El aire movido por un ventilador solidario al eje es proporcional a la velocidad angular de giro. Menos RPM implican una reducción casi logarítmica de la capacidad de disipación de calor.
• Vigilancia y limitación: Ante esta reducción drástica, los relés de protección térmica del devanado de bajas revoluciones deben ajustarse con exquisita precisión milimétrica para evitar incendios.
• Riesgos de embalamiento: Si se permite a este devanado lento absorber más corriente de la nominalmente fijada en su pequeña ventana de tolerancia, el motor sucumbirá irremediablemente a una falla por destrucción catastrófica de los aislantes de resina plástica.

Complejidad de Maniobra Eléctrica, Bloqueos Impuestos y las Desventajas de la Topología

La siempre complicada y minuciosa implementación de estos robustos sistemas de accionamiento en el interior de los herméticos armarios eléctricos exige de los instaladores un estresante nivel de precisión. Analizando el diagrama unifilar, comprobamos que el circuito principal de acometida debe ramificarse en dos formidables e independientes vías conformadas por contactores electromagnéticos de rápida conmutación. Cada rama requiere ineludiblemente la inclusión en serie de su propia protección integral, materializada mediante el uso de costosos relés de protección termomagnética que deberán ser ajustados de forma específica acorde a cada circuito, en una respuesta preventiva debida al hecho fundamental de que la intensa corriente consumida rotando a 3000 RPM difiere radical, cuantiosa y drásticamente de aquella débil e inocua corriente nominal que el dispositivo extrae bajo las condiciones asociadas a su modo operativo configurado a tan solo unas parsimoniosas 1000 RPM. Además, es considerado un estricto y mandatorio requisito ineludible de cumplimiento de la más alta seguridad laboral proyectar e instalar un extremadamente robusto infalible enclavamiento cruzado de seguridad dual que limite al mismo tiempo las dos grandes ramas. Dicha interdicción debe materializarse por duplicado: operando a nivel eléctrico entrelazando permanentemente en serie el flujo de corriente de control cruzando los respectivos e imprescindibles contactos auxiliares físicos de tipología normalmente cerrada ubicados en la contraparte de cada aparato; y operando a nivel estrictamente material y tangible sobre el espacio físico del tablero, debiendo los operarios ensamblar ambas unidades e interceptar las levas móviles de los contactores mediante la instalación obligatoria de férreos accesorios de enclavamiento mecánico rígido. Si, debido al fortuito destino, llegara a acaecer la fatal circunstancia de una imprevista soldadura térmica en los platinos de contacto, o provocado por un torpe error humano de conexión, se diera la muy infortunada situación de energizar simultáneamente ambos devanados concéntricos trifásicos con toda la inmensa tensión eléctrica plena, las indescriptibles y brutalmente inconmensurables fuerzas magnéticas de repulsión y el repentino embate colosal de los dos inmensos campos electromagnéticos girando a frecuencias espaciales totalmente diferentes resultarían en un evento caótico que lograría, de forma trágicamente destructiva, pulverizar y aplastar en finos fragmentos letales los elementos rodantes en los cojinetes alojados en los escudos de hierro. De manera instantánea, la explosión térmica evaporaría el frágil y delgado barniz dieléctrico de cobre puro transcurrido en escasas fracciones de segundo, todo ello debido a la formación inminente de un pavoroso, repentino y destructivo e impetuoso cortocircuito eléctrico interno insalvable que desencadenaría un peligroso fuego de origen eléctrico.

A pesar de que su historial documentado demuestra una indiscutible fiabilidad electromagnética a lo largo del dilatado transcurso de décadas de uso industrial intensivo en las aplicaciones mineras y extractivas más arduas imaginables, no es menos cierto afirmar que la actualmente obsoleta arquitectura constructiva materializada en el uso de varios devanados de bobinas total y completamente separados presenta en la realidad contemporánea una contundente serie de importantes falencias y limitaciones tecnológicas insalvables. La primera e incuestionable limitación reside en su francamente pésima eficiencia de ocupación integral del espacio interno disponible en las ranuras de la circunferencia del estátor magnético, parámetro medido mediante el crítico factor geométrico de llenado útil del hueco ferromagnético. Dado que en absolutamente cada instante de tiempo operativo continuo de la pesada máquina, exactamente se logra someter a la intensa circulación eléctrica a una mísera cantidad equivalente a la mitad de todo aquel dispendioso metal de cobre electrolítico enrollado y alojado en las gargantas ranuradas; encontrándose por tanto la otra porción apagada y obligada a funcionar en forma de simple, obsoleto y muy pesado lastre conductivo inerte pasivo sin justificación mecánica al par motriz. Toda la siempre vital alta densidad gravimétrica y densidad volumétrica de entrega de potencia mecánica general de la máquina asíncrona se resiente y sufre en extremo de una forma inaceptable en todos los términos aplicables bajo los exigentes estándares de riguroso y restrictivo ecodiseño sustentable imperante de manera mundial y globalizada a día de hoy, y que impiden legalmente fabricar motores de esta tan vetusta configuración.

De forma estadística constatada de inmediato en báscula industrial, un gigantesco motor clásico provisto de devanados dobles marca y pesa siempre de forma abrumadora significativamente más kilos muertos inútilmente en acero fundido y de empaque inerte exterior en la báscula de expedición, presentando concomitantemente un diámetro envolvente cilíndrico de la carcasa notablemente más masivo y sobremanera exagerado que el exigido para alcanzar finalmente una humilde idéntica exactitud final en la pretendida magnitud de torque y de potencia puramente dispuesta en la punta del fuerte eje. Y por consiguiente malgasta excesivos recursos estratégicos de minería y mecanizado durante su larguísimo ciclo febril siderúrgico y dispendioso de torneado y de proceso integral prolongado de montaje de fábrica pesada en planta ruidosa de ensamblaje masivo, al ser medido y ser comparado frontalmente en tabla con cualquier humilde, sencillo, estilizado y ágil motor convencional simple estándar de simple monodevanado concebido de simple hilo asíncrono para entregar una magnitud gemela o capacidad de plena y robusta idéntica y equilibrada potencia total paritaria y constante a largo régimen seguro de revolución. Asimismo, todos los inevitables y caóticos imprevisibles y descontrolados flujos erráticos y fuerzas magnéticas parásitos que se inducen insidiosa e inevitablemente por cercanía en el apagado inerte y complejo enrevesado conjunto de las oscuras pesadas bobinas apagadas conformantes inoperativas y latentes, al cruzarse permanentemente por la agresiva y colosal intensa imparable potente potente incontrolable y destructora o simplemente por la poderosa imponente fuerza magnetomotriz puramente impuesta vectorizada y avasalladora del único y exclusivo devanado vecino entrelazado activado funcionando bajo nominal al tope, causan y desencadenan deficiencias y muy perjudiciales serias fatigas ocultas colosales, graves innegables mermas térmicas suplementarias no deseadas calentando insidiosamente todo el férreo inmenso voluminoso bloque grueso laminado opaco de la masa de hierro de la base chapada, ocasionando dañinas, imprevisibles indeseadas arremolinadas y caóticas altas y elevadas corrientes erráticas perdidas en círculos de forma parásita de la ley de Foucault en suma a un incremento destructivo y natural del ciclo desgaste de la perenne natural profunda inevitable e ingobernable fatiga del histórico o físico o destructivo ciclo magnético continuo y letal conocido del ciclo histéresis del agobiado metal tensionado, mermando constante de forma opaca la productividad integral silenciosa del equipo global, arrastrando dolorosamente todo su vital y codiciado puro rendimiento productivo continuo de la inmensa enorme planta productiva colosal de acero incansable fabril y reduciendo de una tacada sin compasión todo su rendimiento integral o ecodiseño sostenible industrial y general al cien por cien.