MAQUINAS SINCRONAS - IES Bernat Guinovart

MAQUINAS SINCRONAS
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Pueden funcionar como motores y generadores.
En ellas el rotor y el campo giran en sincronismo, a la misma velocidad con 0 a 8% de error.
La frecuencia es el número de ciclos por unidad de tiempo. Cada vez que la espira recorre un polo
norte y un polo sur se ha completado un ciclo. Si la máquina tiene “p” pares de polos, y el rotor
gira a “n” rpm, el número de ciclos en la unidad de tiempo será:
f = p*n/60
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Al ser la frecuencia fija en Europa (50 hz), para un “p” dado, su velocidad de giro es única y ha de
ser perfectamente constante.
Las corrientes del rotor son conducidas, y la conexión con el estator se hace a través de escobillas
y anillos rozantes.
La máquina síncrona como generador es la máquina reina ya que produce prácticamente toda la
energía eléctrica y alcanza las mayores potencias unitarias.
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INCONVENIENTES DE LA MÁQUINA SINCRONA
1. Como motor, si queremos una “n” variable, la frecuencia ha de ser variable. Esto antes era muy
muy complicado, ahora hay variadores de frecuencia electrónicos, pero sigue siendo costoso.
2. Las máquinas sincronas no pueden arrancar por sí mismas y luego han de llevarse a la velocidad
de sincronismo. Por eso hace falta una instalación adicional complicada y una maniobra compleja.
3. Las variaciones bruscas de carga pueden hacer perder el sincronismo entre “n” y “f”, haciendo que
“n” disminuya hasta pararse.
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Estos 3 motivos anteriores hacen que sea poco adecuado como motor conectado directamente a la
red. No obstante, en los últimos años y gracias al descubrimiento de nuevos materiales, se están
construyendo motores sincronos sin devanado en la excitación, es decir, con imanes permanentes
en el rotor. Sus ventajas son:
a. Ausencia de anillos rozantes y escobillas (piezas móviles). Se reducen problemas de
revisión y mantenimiento.
b. Al no haber devanado en el rotor se eliminarán las pérdidas por efecto Joule en el rotor,
aumentando el rendimiento y reduciendo los problemas de refrigeración.
Y los inconvenientes son:
a. Desmagnetización por las altas intensidades y/o temperaturas.
b. No se puede variar la excitación al ser fija.
c. Elevado precio de materiales. Sólo viables hasta 10 kw.
VENTAJAS DE LA MÁQUINA SINCRONA (para altas potencias de 3 a 30 MW)
1. Trabajan en cualquier régimen de carga con factor de potencia igual a la unidad.
2. Al ser factor de potencia uno, el rendimiento aumenta y se reduce la corriente en vacío del motor.
3. El par es función del voltaje, M = M(V) (en las asíncronas lo es al cuadrado de la tensión), luego
las oscilaciones en la red afectan poco al par.
4. El desarrollo de la electrónica de potencia ha abierto el campo de los motores de velocidad
variable y para potencias de 1000 kW, gracias a la utilización de convertidores, aunque el sistema
es aún algo caro.
MAQUINAS ASINCRONAS (o máquinas de Inducción)
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La práctica totalidad de las industrias tienen el suministro eléctrico en trifásica, variando la tensión
con transformadores, de ahí las ventajas de contar con un motor eléctrico robusto, sin problemas
de arranque y conectado directamente a la red.
La corriente del rotor es inducida por lo que no hay conexión eléctrica con el estator a través de
escobillas.
El motor de jaula de ardilla es el más generalizado de la industria. A partir de 2000 kW tiene la
competencia del motor síncrono.
VENTAJAS DE LA MÁQUINA ASINCRONA DE JAULA DE ARDILLA
1. Al no tener ni escobillas ni colector, los únicos elementos de la máquina sometidos a fricción y
desgaste mecánico son los cojinetes.
2. No tiene problemas de estabilidad al someterlo a variaciones bruscas de carga (el sincrono podía
llegar a pararse).
3. Su puesta en marcha es más sencilla que la de las máquinas sincronas, ya que desde que el rotor
empieza a girar hasta que alcanza el régimen permanente, existe par.
4. La máquina asincrona de jaula de ardilla tiene una utilización universal como motor en todos
aquellos accionamientos industriales que durante el funcionamiento tienen una velocidad
constante. En este campo no tiene competencia ya que:
a. Tiene una construcción simple.
b. Es de bajo peso y mínimo volumen.
c. Es barato y robusto.
d. El mantenimiento también es barato.
INCONVENIENTES DE LA MÁQUINA ASINCRONA DE JAULA DE ARDILLA
1. Su mayor inconveniente es que su velocidad, aunque no rígidamente, como en los sincronos, de
hecho si está prácticamente ligada a la velocidad del campo magnético giratorio si se desea que
funcionen con buen rendimiento. Por ello, para variar de forma continua su velocidad en un
amplio margen y alto rendimiento, hay que modificar la frecuencia de alimentación (igual que en
los sincrono), lo que implica la adquisición de equipos eléctrónicos relativamente caros.
VENTAJAS DE LA MÁQUINA ASINCRONA DE ROTOR BOBINADO O ANILLOS
ROZANTES FRENTE AL DE JAULA DE ARDILLA
1. EL circuito eléctrico del rotor se puede modificar desde el exterior.
2. La tensión e intensidad del rotor son accesibles por lo que se pueden medir, sacar al exterior para
aplicaciones,…
INCONVENIENTES DE LA MÁQUINA ASINCRONA DE ROTOR BOBINADO O ANILLOS
ROZANTES FRENTE AL DE JAULA DE ARDILLA
1. A igualdad de potencia y ejecución es más voluminoso, caro y de más mantenimiento que el de
jaula de ardilla.
MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
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En ellas se desea en los bornes una tensión continua, lo más uniforme posible.
Las corrientes del rotor son conducidas, y la conexión con el estator se hace a través de escobillas
y colector.
INCONVENIENTES DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
1. El colector, al estar seccionado y girar el rotor, se producen constantemente aperturas del circuito
eléctrico. Esto hace que sea necesario un mantenimiento asiduo en el colector, por su desgaste
mecánico (abrasión, rozamiento), y eléctrico (conmutación).
2. Esta conmutación constante del colector lo desaconseja en industrias como refinerías,
petroquímicas, minería, y en general en situaciones de atmosfera explosiva.
3. La utilización de las máquinas de C.C. como generadores es prácticamente nula ya que la tensión
continua se obtiene por rectificación directa de la red de alterna.
VENTAJAS DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
1. Realiza de forma automática y correcta la inversión de corriente en sus conductores, cualquiera
que sea su velocidad; es decir, es más versátil que la máquina sincrona.
2. La velocidad de la máquina es directamente proporcional a la tensión continua de alimentación.
Como modificar la tensión continua es más simple que cambiar de frecuencia, y además la
máquina de continua puede arrancar por sí misma, se deduce que la máquina de C.C. está
específicamente indicada para accionamientos industriales (aunque los motores asíncronos sobre
todo, y los síncronos, gracias a los convertidores, le han quitado campo a las máquinas de C.C. en
el campo de accionamientos eléctricos de velocidad variable).
3. Hoy en día el inductor de bastantes motores de C.C. se realiza a base de imanes permanentes
(industria automovilística y aviación). Esto se traduce en mayor fiabilidad, bajo costo, menor
volumen, mayor ligereza y mayor rendimiento.
MOTORES DE COLECTOR O MOTORES MONOFÁSICOS
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Desde principios del siglo XX han coexistido en el campo de la tracción eléctrica los motores de
corriente continua y los monofásicos de colector. El mayor inconveniente de la transmisión en
continua es que la tensión no puede modificarse mediante un transformador y está limitada a 3 kV
(para largas distancias provoca caídas porcentuales de tensión en la línea elevadas, y exige
conductores de gran sección).
La ventaja de los motores monofásicos de colector radica en que la catenaria se puede alimentar a
tensiones elevadas (25 kV) y adaptar la tensión al motor con un transformador.
La difusión de estos motores es muy grande (millones de unidades) para aplicaciones domésticas,
de servicios, talleres, oficinas.