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Motor SìncronoPaul Santiago Saldaña Caldas

paul_ssc@hotmail.com

psaldana@est.ups.edu.ec

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

Index Terms—polos, rotor, estator, síncrono

I. INTRODUCCIÒN

Los motores síncronos son máquinas síncronas que seutilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánicade rotación. La característica principal de este tipo de motoreses que trabajan a velocidad constante que depende solo dela frecuencia de la red y de otros aspectos constructivosde la máquina. A diferencia de los motores asincrónicos, lapuesta en marcha requiere de maniobras especiales a no serque se cuente con un sistema automático de arranque. Otraparticularidad del motor síncrono es que al operar de formasobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor depotencia.

II. CONSTRUCCIÒN

La máquina síncrona es una máquina reversible ya que sepuede utilizar como generador de corriente alterna o comomotor 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 dela máquina y que se coloca en el rotor.

2) Un devanado inducido distribuido formando un arrol-lamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicadoen 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 salienteso de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviesesolo 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 sealimenta su estator mediante un sistema trifásico de corrientealterna se genera en el estator un campo magnético giratorio,cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es lafrecuencia de la red, y p es el número de pares de polosdel rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, sealimenta el devanado del mismo con corriente continua seproduce un campo magnético rotórico fijo, delante del cualpasa el campo magnético del estator. Los polos del rotorestán sometidos ahora a atracciones y repulsiones en brevesperiodos de tiempo, por parte de los polos del estator peroel rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará. Al llevar elrotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar medianteun motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestosse establece un enganche magnético que les obliga a seguirgirando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Esteenganche magnético se produce ya que el campo giratorioestatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismosentido y velocidad.

Figure 2. Principio de funcionamiento del motor síncrono

En la figura 2 se muestran dos conductores del inducidoenfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dosinstantes de tiempo consecutivos. Se puede concluir que siel rotor está en reposo o gira a otra velocidad diferente a la

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de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a lared 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 imanesdel campo se montan sobre un rotor y se excitan mediantecorriente continua, y las bobinas de la armadura están divididasen 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 sincrónicode dos polos. La corriente de campo IF del motor produceun campo magnético de estado estacionario BR, Un conjuntotrifásico de voltajes se aplica al estator de la máquina. queproduce un flujo de corriente trifásica en los devanados.

Figure 4. Motor sìncrono de 2 polos

IV. REPRESENTACIÒN EN BLOQUES DELFUNCIONAMIENTO

Figure 5.

V. CIRCUITO EQUIVALENTE POR FASE DE UN MOTORSÌNCRONO

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

Consideremos un motor síncrono funcionando en régimenestacionario con una tensión por fase U. Suponemos que lareactancia de dispersión es constante, que se pueden despreciarlas pérdidas en el hierro y que el entrehierro es uniforme. Enla figura 3 se puede ver el circuito eléctrico equivalente (dia-grama de Blondel) que representa al motor síncrono conectadoa la red en el cual el estator se comporta como el primario deun transformador.

Figure 6. Circuito equivalente de un motor síncrono trifásico

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

Figure 7. diagrama fasorial de Blondel (note que la f.e.m. está atrasada conrespecto 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 aumentacon la carga del motor, y si este desplazamiento supera unlímite el motor se para.

Figure 8. motor síncrono bajo carga

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VI. CURVAS CARACTERÍSTICAS

Los motores sincrónicos suministran potencia a cargas queson básicamente dispositivos de velocidad constante. Al estarconectados a sistemas de potencia mucho más grandes que losmotores individuales, los sistemas de potencia aparecen comobarrajes infinitos frente a los motores. Esto significa que elvoltaje en los terminales y la frecuencia del sistema seránconstantes, independientemente de la cantidad de potenciatomada por el motor. La velocidad de rotación del motor estáasociada a la frecuencia eléctrica aplicada, de modo que lavelocidad del motor será constante, independientemente dela carga. La curva característica resultante par-velocidad semuestra en la siguiente figura.

Figure 9.

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

Tind = kBRBNET sin δ

T ind =3VφEA sin δ

WmXs

Figure 10. Diagrama vectorial

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

Cuando el par aplicado en el eje de un motor sincrónicoexcede el par máximo, el rotor no puede permanecer másenlazado a los campos magnéticos estatórico y neto. Encambio, el rotor comienza a disminuir la velocidad frentea ellos. Como el rotor disminuye la velocidad, el campomagnético estatórico se entrecruza con él repetidamente, y la

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

El par máximo del motor está dado por:

Tmax = KBRBnet

Tmax =3VφEAWmXs

BR DensidadBNET Densidad de campo resultante o netoEl campo magnètico neto es el vector suma de los campos

del, rotor y el estator.

BNET = BR +BS

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

VII. EFECTO DE LOS CAMBIOS DE CARGA EN UN MOTORSINCRÓNICO

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

Para responder este interrogante es preciso examinar unmotor sincrónico que opera inicialmente con un factor depotencia en adelanto, como se muestra en la siguiente figuraSi la carga sobre el eje del motor se incrementa, el rotordisminuirá su velocidad al comienzo. Cuando eso ocurre, elángulo de par δ llega a ser mayor, y aumenta el par inducido.Con el tiempo, el incremento del par inducido acelera el rotory el motor gira de nuevo con velocidad sincrónica, pero conun 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 cambiode carga. La figura “a” muestra el diagrama fasorial delmotor antes que se incrementen las cargas. El voltaje internogenerado EA es igual a KΦ$y por tanto ,depende sólo dela corriente de campo y de la velocidad de la máquina. Lavelocidad está restringida a permanecer constante debido ala fuente de potencia de entrada y, puesto que no se hatocado el circuito del campo, la corriente de campo también esconstante. Entonces EA debe ser constante cuando cambia lacarga. Las distancias proporcionales a la potencia (EAsin δe IA cos θ) se incrementarán, pero la magnitud deEAdebepermanecer constante. Cuando la carga se incrementa, EAsemueve hacia abajo, como se observa en la figura b. Com o EAse mueve hacia abajo cada vez más, la cantidad jXSISAdebeincrementarse para alcanzar desde la punta de EA a VΦ, yentonces la corriente del inducido IAtambién se incrementa.Nótese que el ángulo θdel factor de potencia también cambia,y es cada vez menor cuando está en adelanto y luego cada vezmayor cuando está en atraso.

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Figure 11.

VIII. CAPACITOR O CONDENSADOR

IX. SÍNCRONO.De hecho, a veces se compra un motor síncrono y se opera

en vacío, simplemente para corregir el factor de potencia. Enlas figuras anteriores se muestra el diagrama fasorial de unmotor síncrono sobreexcitado en vacío. Puesto que no salepotencia del motor, las distancias proporcionales a la potencia(EA sin δ y el A cos θ) son cero. Ya que la ecuación de la leyde voltaje de Kirchhoff para un motor síncrono es:

V φ = EA + jXSIA

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, e1A′ la relación voltaje- corrienteentre ellos se parece a la de un capacitor. Un motor síncronosobreexcitado en vacío parece un capacitor grande para elsistema de potencia.

Tales motores síncronos con propósito especial a menudose 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 MOTOR SINCRONO.Existen tres métodos básicos para el arranque seguro de un

motor sincrónico.

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

b) Arranque del motor mediante un motor primarioexterno: El segundo método para arrancar un motor sincrónicoconsiste en fijarle un motor externo de arranque y llevar lamáquina sincrónica hasta su velocidad plena con ese motor..Entonces la máquina sincrónica puede ser emparalelada con unsistema de potencia como un generador, y el motor de arranquepuede desacoplarse del eje de la máquina. Desconectando elmotor de arranque, el eje de la máquina se desacelera, elcampo magnético del rotor BR queda atrás de Bnet y lamáquina 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: Estosdevanados son barras especiales dispuestas en ranuras labradasen la cara del rotor del motor sincrónico y cortocircuitadas encada extremo por un anillo de cortocircuito.

Estos devanados tienen dos objetivos :1) Hacer que el motor arranque como un motor de induc-

ción2) Impedir la oscilación de velocidad o penduleo

El penduleo es una fluctuación o variación periódica de lavelocidad del rotor con respecto a la del campo magnéticorotatorio del estator y puede ser producido por los siguientesaspectos:

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 sepudo relacionar con el motor de inducción como si fuera unmotor de inducción sincrono.

La Aplicaciòn mas comùn es la utilizaciòn para incrementarel factor de potencia general , esto se llama corrección delfactor de potencia.

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

En general, los motores síncronos son más adaptables aaplicaciones de bajas velocidades y altas potencias que losmotores de inducción . Por lo tanto, se utilizan comúnmentepara 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