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Motor SìncronoPaul Santiago Saldaña Caldas

En el presente ensayo se describen los motores sín- cronos, sus aspectos constructivos, principio de funcionamiento y campo de aplicación. Se analizan los distintos métodos de arranque y al motor funcionando como compensador síncrono.El motor síncrono recibe este nombre debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético del estator, es decir, están sincronizados.

I. INTRODUCCIÒN

Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica de rotación. La característica principal de este tipo de motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos de la máquina. A diferencia de los motores asincrónicos, la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser que se cuente con un sistema automático de arranque. Otra particularidad del motor síncrono es que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de potencia.

II. CONSTRUCCIÒN

La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor síncrono. Está constituido por dos devanados indepen- dientes:

1) Un devanado inductor, construido en forma de arrol- lamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimen- tado por corriente continua, que da lugar a los polos de la máquina y que se coloca en el rotor.

2) Un devanado inducido distribuido formando un arrol- lamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que está construido de un material ferro- magnético, generalmente de chapas de acero al silicio.

La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese solo un par de polos.

Figure 1. tipos constructivos de máquinas síncronas

III. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Si a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifásico de corriente alterna se genera en el estator un campo magnético giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red, y p es el número de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estator. Los polos del rotor están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará. Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magnético se produce ya que el campo giratorio estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo sentido y velocidad.

Figure 2. Principio de funcionamiento del motor síncrono

En la figura 2 se muestran dos conductores del inducido enfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dos instantes de tiempo consecutivos. Se puede concluir que si el rotor está en reposo o gira a otra velocidad diferente a la

de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo por lo que el motor no arranca.

Por lo que se dice que un motor síncrono es en esenciaun alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica.

Figure 3.

Para entender el concepto básico de un motor sincrónico. véase la figura siguiente, que muestra un motor sincrónico de dos polos. La corriente de campo IF del motor produce un campo magnético de estado estacionario BR, Un conjunto trifásico de voltajes se aplica al estator de la máquina. que produce un flujo de corriente trifásica en los devanados.

Figure 4. Motor sìncrono de 2 polos

IV. REPRESENTACIÒN EN BLOQUES DEL

FUNCIONAMIENTO

Figure 5.

V. CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE DE UN M OTOR

SÌNCRONO

Ya que el motor síncrono es igual físicamente al generador, las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par son las mismas. La única diferencia es que el sentido de flujo de potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor.

Consideremos un motor síncrono funcionando en régimen estacionario con una tensión por fase U. Suponemos que la reactancia de dispersión es constante, que se pueden despreciar las pérdidas en el hierro y que el entrehierro es uniforme. En la figura 3 se puede ver el circuito eléctrico equivalente (dia- grama de Blondel) que representa al motor síncrono conectado a la red en el cual el estator se comporta como el primario de un transformador.

Figure 6. Circuito equivalente de un motor síncrono trifásico

Por la Ley de tensiones de Kirchhoff, se cumple: U = Ev +RI g + jLwI

Figure 7. diagrama fasorial de Blondel (note que la f.e.m. está atrasada con respecto a U, al revés que para el generador)

Una vez que se produce la conexión del motor a la red, ocurre un desplazamiento del eje de los polos del rotor re- specto de los polos ficticios del estator (figura 5), que aumenta con la carga del motor, y si este desplazamiento supera un límite el motor se para.

Figure 8. motor síncrono bajo carga

W

VI. CURVAS CARACTERÍSTICAS

Los motores sincrónicos suministran potencia a cargas que son básicamente dispositivos de velocidad constante. Al estar conectados a sistemas de potencia mucho más grandes que los motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajes infinitos frente a los motores. Esto significa que el voltaje en los terminales y la frecuencia del sistema serán constantes, independientemente de la cantidad de potencia tomada por el motor. La velocidad de rotación del motor está

dirección del par inducido en el rotor se invierte con cada paso. El enorme par resultante oscila primero en una forma y luego en otra causando que el motor entero vibre con fuerza. La pérdida de sincronización después que se ha excedido el par máximo, se conoce como deslizamiento de polos.

El par máximo del motor está dado por:

Tmax = K BR Bnet

3Vφ EAasociada a la frecuencia eléctrica aplicada, de modo que la velocidad del motor será constante, independientemente de

BR Densidad

Tmax =m Xs

la carga. La curva característica resultante par-velocidad semuestra en la siguiente figura.

Figure 9.

La velocidad de estado estacionario del motor es constante desde vacío hasta el par máximo que puede suministrar el motor, tal que la regulación de velocidad de este motor es0%. La ecuación del par es:

T ind = kBR BN ET sin δ

T ind = 3Vφ EA sin

δ

W mX s

Figure 10. Diagrama vectorial

El par máximo ocurre cuandoδ = 90º. Sin embargo, los pares normales de plena carga son mucho menores que aquéllos. En efecto, el par máximo puede triplicar el par de plena carga de la máquina.

Cuando el par aplicado en el eje de un motor sincrónico excede el par máximo, el rotor no puede permanecer más enlazado a los campos magnéticos estatórico y neto. En cambio, el rotor comienza a disminuir la velocidad frente a ellos. Como el rotor disminuye la velocidad, el campo

magnético estatórico se entrecruza con él repetidamente, y la

BN ET Densidad de campo resultante o netoEl campo magnètico neto es el vector suma de los campos

del, rotor y el estator.

BN ET = BR + BS

Estas ecuaciones indican que cuanto mayor sea la corriente de campo (y por tanto EA ), mayor será el máximo par del motor. Por tanto, hay una ventaja en la estabilidad, si se opera el motor con una gran corriente de campo o un gran EA .

VII. EFECTO DE LOS CAM BIOS DE CARGA EN UN MOTOR

SINCRÓNICO

Si se fija una carga al eje de un motor sincrónico, éste desarrollará suficiente par para mantenerse girando a la veloci- dad sincrónica junto con su carga. ¿Qué ocurre en un motor sincrónico cuando la carga cambia?.

Para responder este interrogante es preciso examinar unmotor sincrónico que opera inicialmente con un factor de potencia en adelanto, como se muestra en la siguiente figura Si la carga sobre el eje del motor se incrementa, el rotor disminuirá su velocidad al comienzo. Cuando eso ocurre, el ángulo de par δ llega a ser mayor, y aumenta el par inducido. Con el tiempo, el incremento del par inducido acelera el rotor y el motor gira de nuevo con velocidad sincrónica, pero con un ángulo de par δ mayor.

¿Qué apariencia toma el diagrama fasorial durante esteproceso ? Para responder este interrogante es necesario ex- aminar las restricciones sobre la máquina durante un cambio de carga. La figura “a” muestra el diagrama fasorial del motor antes que se incrementen las cargas. El voltaje interno generado EA es igual a K Φ$y por tanto ,depende sólo de la corriente de campo y de la velocidad de la máquina. La velocidad está restringida a permanecer constante debido a la fuente de potencia de entrada y, puesto que no se ha tocado el circuito del campo, la corriente de campo también es constante. Entonces EA debe ser constante cuando cambia la carga. Las distancias proporcionales a la potencia (EAsin δ e IA cos θ) se incrementarán, pero la magnitud deEA debe permanecer constante. Cuando la carga se incrementa, EA se mueve hacia abajo, como se observa en la figura b. Com o EA

se mueve hacia abajo cada vez más, la cantidad jX SISA

debe incrementarse para alcanzar desde la punta de EA a VΦ , y entonces la corriente del inducido I A también se incrementa. Nótese que el ángulo θdel factor de potencia también cambia, y es cada vez menor cuando está en adelanto y luego cada vez mayor cuando está en atraso.

Figure 11.

VIII. CAPACITOR O CONDENSADOR

IX. SÍNCRONO.

a) Arranque del motor reduciendo la frecuencia eléc- trica: Reducir la velocidad del campo magnético del estator a un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda acelerar y se enlace con él durante medio ciclo de rotación del campo magnético. Esto se puede llevar a cabo reduciendo la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada.

b) Arranque del motor mediante un motor primario externo: El segundo método para arrancar un motor sincrónico consiste en fijarle un motor externo de arranque y llevar la máquina sincrónica hasta su velocidad plena con ese motor.. Entonces la máquina sincrónica puede ser emparalelada con un sistema de potencia como un generador, y el motor de arranque puede desacoplarse del eje de la máquina. Desconectando el motor de arranque, el eje de la máquina se desacelera, el campo magnético del rotor BR queda atrás de Bnet y la máquina sincrónica comienza actuar como motor.

c) Arranque de un motor utilizando devanado amor- tiguador: La técnica más popular para el arranque de mo- tores sincrónicos es utilizar devanados amortiguadores: Estos devanados son barras especiales dispuestas en ranuras labradasen la cara del rotor del motor sincrónico y cortocircuitadas en

De hecho, a veces se compra un motor síncrono y se operaen vacío, simplemente para corregir el factor de potencia. En las figuras anteriores se muestra el diagrama fasorial de un motor síncrono sobreexcitado en vacío. Puesto que no sale potencia del motor, las distancias proporcionales a la potencia (EA sin δ y el A cos θ) son cero. Ya que la ecuación de la ley de voltaje de Kirchhoff para un motor síncrono es:

V φ = EA + jXS IA

la cantidad jXsIA apunta hacia la izquierda y, por lo tanto, la corriente en el inducido IA apunta directamente hacia arriba.

Si se examinan V Φ, e1A0 la relación voltaje- corriente entre ellos se parece a la de un capacitor. Un motor síncrono sobreexcitado en vacío parece un capacitor grande para elsistema de potencia.

Tales motores síncronos con propósito especial a menudo se llaman condensadores o capacitores síncronos.

• En la figura siguiente se puede observar la curva en V deun capacitor síncrono:

Figure 12. Curva de un capacitor sìncrono

X. TIPOS DE ARRANQUES DE UN M OTOR SINCRONO.

Existen tres métodos básicos para el arranque seguro de unmotor sincrónico.

cada extremo por un anillo de cortocircuito. Estos devanados tienen dos objetivos :

1) Hacer que el motor arranque como un motor de induc- ción

2) Impedir la oscilación de velocidad o penduleo

El penduleo es una fluctuación o variación periódica de la velocidad del rotor con respecto a la del campo magnético rotatorio del estator y puede ser producido por los siguientes aspectos:

1) Un cambio brusco de carga mecánica.2) Un cambio brusco de la tensión de c-a3) Un cambio brusco de la excitación o intensidad de c-c

XI. CONCLUSIONES

• Estudiamos el funcionamiento del motor sincrono y se pudo relacionar con el motor de inducción como si fuera un motor de inducción sincrono.

La Aplicaciòn mas comùn es la utilizaciòn para incrementar el factor de potencia general , esto se llama corrección del factor de potencia.

Cualquier motor síncrono que se encuentra en una planta se opera sobre excitado para poder corregir el factor de potencia e incrementar su par máximo.

En general, los motores síncronos son más adaptables a aplicaciones de bajas velocidades y altas potencias que los motores de inducción . Por lo tanto, se utilizan comúnmente para cargas de baja velocidad y alta potencia.

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REFERENCES

[1] S. J. Chapman, E. R. Castillo, and J. A. R. Avila. Máquinas eléctricas.McGraw-Hill, 2000.

http://electromntto.blogspot.com/2009/03/otras-tecnicas-de-mantenimiento.html