Motor Sincrono

MAQUINAS ELECTRICAS 1
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EL MOTOR SINCRONO
Universidad Politécnica Salesiana
Resumen.- En el siguiente trabajo se estudiara la
construcción, el funcionamiento y las prestaciones de
los motores síncronos, se explorara el comportamiento
de los motores sincrónicos en condiciones variables de
carga y corriente de campo, así como el interrogante de
la corrección del factor de potencia con motores
sincrónicos.
I.
INTRODUCCION
Los motores síncronos son maquinas sincrónicas
utilizadas para convertir potencia eléctrica en
potencia mecánica.
“un conjunto trifásico de corrientes en el devanado
del inducido produce un campo magnético uniforme
rotacional Bs”. Entonces, existen dos campos
magnéticos presentes en la maquina, y el campo
rotórico tendera a alinearse con el campo estatórico
así como dos barras magnéticas tenderán a alinearse
si se colocan una cerca de la otra. Puesto que el
campo magnético de estator es rotante, el campo
magnético del rotor y el rotor en si mismo trataran
constantemente de alinearse con él. Cuanto mayor
sea el ángulo entre los dos campos magnéticos hasta
un cierto límite, mayor es el par sobre el rotor de la
maquina.
Un motor síncrono es un alternador utilizado al revés
ya que es una máquina reversible. Como toda
máquina rotativa tiene un rotor y un estator.
El estator esta conformado por un conjunto de
bobinas capaces de generar un campo rotatorio.
Tienen un muy bajo par de arranque, por lo cual solo
se utilizan en máquinas con muy baja inercia.
Los motores síncronos utilizados normalmente son
micro-motores monofásicos de baja velocidad de
rotación (sin engranajes reductores) y se utilizan en
programadores (lavadoras y lava-platos) y como
accesorios en aparatos domésticos.
El estator tiene una única bobina circular dispuesta
en el centro de una estructura de hierro bipolar de
forma que su única bobina genera N pares de polos.
Con esta estructura el sentido de giro es indiferente,
ya que pueden arrancar en un sentido u en el
contrario.
II.
PRINCIPIOS
MOTORES
BASICOS
DE
OPERACIÓN
DE
En la fig. 1. se muestra un motor síncrono 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
maquina, que produce un flujo de corriente trifásico
en los devanados.
Fig. 1. Motor síncrono de dos polos
C.M.R
Un campo magnético rotativo o campo magnético
giratorio es un campo magnético que rota a una
velocidad uniforme (idealmente) y es generado a
partir de una corriente eléctrica alterna trifásica. Fue
descubierto por Galileo Ferraris en 1885, y es el
fenómeno sobre el que se fundamenta el motor de
corriente alterna.
Este campo es el principio fundamental del
movimiento del rotor ya que el campo magnético
rotórico sigue al campo magnético estatórico y así
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genera movimiento cuando la carga en el eje aumenta
el par o la fuerza con la que el campo magnético del
rotor quiere alcanzar al del estator es mayor.
Para que la suma de las tres fases no se eliminen
entre si se hace el cambio de terminales en una fase
haciendo una simple inversión, de modo que
obtenemos la siguiente grafica:
Fig. 2. a) circuito equivalente completo b) circuito equivalente por fase.
III.
CIRCUITO EQUIVALENTE
SÍNCRONO.
DE
UN
MOTOR
Un motor síncrono es igual en todos los aspectos a un
generador síncrono, excepto en que la dirección del
flujo de potencia en la maquina es invertida. Puesto
que la dirección del flujo de potencia en la maquina
esta invertida, cabe esperar que también se invierta la
dirección del flujo de corriente en el estator del
motor. Elcircuito equivalente de este motor es
idéntico al de un generador síncrono con la diferencia
de que la referencia de IA esta invertida.
Las tres fases del circuito equivalente pueden estas
conectadas en Y o en Δ.
Debido al cambio de dirección de IA, cambia
también la ecuación correspondiente a la ley de
voltajes de Kirchoff para el circuito equivalente,
siendo estas:
𝑉ф = 𝐸𝐴 + 𝑗 𝑋𝑆 𝐼𝐴 + 𝑅𝐴 𝐼𝐴
ó
𝐸𝐴 = 𝑉ф − 𝑗 𝑋𝑆 𝐼𝐴 − 𝑅𝐴 𝐼𝐴
Fig. 3. Diagrama fasorial de un generador síncrono.
El par inducido en el generador se puede encontrar a
partir del diagrama de campo magnético
correspondiente. De las siguientes ecuaciones:
𝜏𝑖𝑛𝑑 = 𝑘𝐵𝑅 𝑥 𝐵𝑛𝑒𝑡
𝜏𝑖𝑛𝑑 = 𝑘𝐵𝑅 𝐵𝑛𝑒𝑡 𝑠𝑒𝑛(𝛿)
El par inducido de esta máquina esta en sentido de
las manecillas del reloj. Opuesto a la dirección de
rotación.
El par inducido en el generador es un par contrario,
opuesto a la rotación causada por el par externo
aplicado 𝜏𝑎𝑝𝑝 ′.
Para que la maquine actúe como motor, BR tiene que
estar detrás o atrasado con respecto a Bnet, el rotor se
retrasa debido a la carga en el eje.
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Fig. 5. Característica par velocidad, regulación de velocidad 0%.
La ecuación del par es:
𝜏𝑖𝑛𝑑 =
3𝑉ф 𝐸𝐴 𝑠𝑒𝑛(𝛿)
𝑤𝑚 𝑋𝑆
Ó
Fig. 4. Diagrama fasorial y de campo magnético de un motor síncrono.
Como podemos observar en la figura 4, la razón de
que la dirección de IA cambia, la dirección de la
cantidad 𝐽𝑋𝑠 𝐼𝐴 también cambia dependiendo si es
motor o generador.
Con referencia a un diagrama de campo magnético:
en el generador EA está delante de Vo y BR esta
delante de Bnet. En un Motor, EA está detrás de Vo y
BR está detrás de Bnet,
EN UN MOTOR, EL PAR INDUCIDO SIGUE LA
DIRECCION DEL MOVIMIENTO.
IV.
OPERACIÓN DE ESTADO ESTACIONARIO DEL
MOTOR SINCRONO.
Los motores sincrónicos
suministran potencia
mecánica a cargas que son básicamente dispositivos
de velocidad constante. 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 esta asociada a la frecuencia aplicada, de
modo que la velocidad del motor será siempre
constante independientemente de la carga hasta el par
máximo que pueda soportar el motor, por lo que la
regulación de velocidad es del 0%.
𝜏𝑖𝑛𝑑 = 𝑘𝐵𝑅 𝐵𝑛𝑒𝑡 𝑠𝑒𝑛(𝛿)
EL PAR MÁXIMO OCURRE CUANDO 𝛿 = 90⁰.
Cuando el par aplicado en el eje excede el par
máximo, el rotor no puede permanecer mas enlazado
a los campos magnéticos estatórico y neto. El rotor
comienza a disminuir su velocidad frente a ellos. El
campo magnético estatórico se entrecruza con el
repetidamente, y la 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, a
esta pérdida de sincronización se le conoce como
DESLIZAMIENTO DE POLOS.
Par máximo:
𝜏𝑚𝑎𝑥 = 𝑘𝐵𝑅 𝐵𝑛𝑒𝑡
O
𝜏𝑚𝑎𝑥 =
3𝑉ф 𝐸𝐴
𝑊𝑚 𝑋𝑆
Estas ecuaciones indican que en cuanto mayor sea la
corriente de campo y por tanto EA, mayor será el
máximo par del motor, por lo que favorece a la
estabilidad, si se opera el motor con una gran
corriente se campo o un gran EA.
V.
EFECTOS DE LOS CAMBIOS DE CARGA EN
MOTORES SÍNCRONOS.
Si se fija una carga al eje del motor este desarrollara
la suficiente fuerza para mantener su velocidad sin
importar la carga, obviamente hasta un cierto límite
de carga que no permita el deslizamiento de polos y
por ende el daño parcial o total de la maquina.
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Pero si la carga cambia cuando el motor ya está en
funcionamiento con un factor de potencia en adelanto
la velocidad del rotor disminuye al comienzo,
entonces cuando esto ocurre el ángulo δ del par llega
a ser mayor, y el par inducido aumenta lo que nos
lleva a que con el tiempo la velocidad síncrona
volverá a estar presente.
En la fig. 6. Observamos un diagrama fasorial de un
motor síncrono antes de que se eleven la carga, el
voltaje interno generado EA es igual a Kфw y por
tanto, depende solo de la corriente de campo y de la
velocidad de la maquina. La velocidad esta retringida
a permanecer constante debido a la fuente de
potencia de entrada y, puesto que no se modifica el
circuito de campo, la corriente de campo es constante
también
por
lo
que:
|𝐸𝐴 | 𝑑𝑒𝑏𝑒 𝑠𝑒𝑟 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑐𝑢𝑎𝑛𝑑𝑜 𝑐𝑎𝑚𝑏𝑖𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎.
Las distancias proporcionales
a la potencia
[𝑠𝑒𝑛(𝛿) 𝑦 𝐸𝐴 cos(𝜃)] que también se muestran en
la fig. 6. Se incrementaran pero la magnitud de EA
debe permanecer constante.
Cuando la carga incrementa EA se mueve hacia
abajo como observamos en la fig. 7. Y la cantidad
jXsIA debe incrementarse para alcanzar desde la
punta de EA a Vф, y entonces la corriente del
inducido IA también se incrementara junto con un
incremento del angulo θ por lo que el factor de
potencia también cambia y es cada vez menor
cuando esta en adelanto y luego cada vez mayor
cuando esta en atraso.
fig. 6. Diagrama fasorial con motor que tiene un factor de potencia en
adelanto
Fig. 7. Efecto de incrementar la carga en la operación de un motor
síncrono
VI.
Efectos de los cambios en la corriente de
campo de un motor síncrono.
La corriente de campo es otra magnitud que se puede
ajustar con facilidad. Observe la fig. 8. Muestra un
motor síncrono operando inicialmente a un factor de
potencia en atraso. Ahora incrementamos la corriente
de campo y por ende aumentamos la magnitud EA
PERO NO AFECTA LA POTENCIA REAL
SUMINSTRADA POR EL MOTOR. La potencia
suministrada por el motor cambia únicamente cuando
cambia el par de carga aplicado al eje. un cambio en
la corriente de campo NO AFECTA LA
VELOCIADA DEL EJE nm Y dado que la carga no
cambia la POTENCIA real suministrada NO
CAMBIA por tanto las magnitudes constantes en el
diagrama fasorial son [𝑠𝑒𝑛(𝛿) 𝑦 𝐸𝐴 cos(𝜃 )].
Cuando se incrementa la corriente de campo se
incremente la magnitud de EA sobre la línea de
potencia constante fig. 9.
Primero la magnitud de la corriente del inducido IA
disminuye y luego se incrementa de nuevo. Si el
valor de EA es bajo, la corriente del inducido esta en
atraso y el motor es una CARGA INDUCTIVA que
esta actuando como una combinación resistivo
inductivo que consume potencia reactivo Q. En
medido que la corriente de campo aumenta la
corriente del inducido se alinea con Vo y el motor se
torna netamente resistivo, a medida que aumenta la
corriente de campo, la corriente del inducido llega a
ponerse en adelanto y el motor se convierte en una
carga CAPACITIVA que estará actuando como una
combinación capacitivo resistivo, y consume
potencia reactiva negativa –Q o, alternativamente,
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SUMINISTRA POTENCIA REACTIVA Q AL
SISTEMA.
Para corrientes de campo menores que el valor
minimo dado IA, la corriente del inducido esta en
atraso, y consume Q. Para corrientes del inducido
mayores que el valor minimo deado IA, la corriente
del inducido esta en adelanto, y suministra Q al
sistema de potencia como lo haría un condensador.
Entonces , CONTROLANDO LA CORRIENTE DE
CAMPO DE UN MOTOR SINCRONO PUEDE
CONTROLARSE LA POTENCIA REACTIVA
SUMINISTRADA O CONSUMIDA POR EL
SISTEMA DE POTENCIA.
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Estator: Formado por una corona de material ferro
magnético denominada culata o yugo en cuyo interior,
regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos
unos salientes radiales con una expansión en su extremo,
denominados polos, sujetos por tornillos a la culata
Rotor: Formado por una columna de material ferro
magnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las
otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa
magnética presenta en su superficie externa un ranurado
donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este
devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina
de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre si mismo
al conectar el final de la última bobina con el principio de la
primera.
Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de
cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas,
separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de
mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado
fuertemente.
Escobillas: dispuestas en los porta escobillas, de bronce o
latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace
eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de
corriente continua exterior.
fig.8 motor síncrono operando a f.p en atraso
Arrollamientos de excitación: Las bobinas que constituyen
los arrollamientos de excitación de los diferentes polos,
están conectadas entre sí de manera que formen,
alternativamente, un polo Norte y un polo Sur.
Inducido: Es la parte giratoria de la máquina, también
llamado rotor. El inducido consta de las siguientes partes:
Devanado inducido: Es el devanado conectado al circuito
exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión
principal de la energía
Fig.9 efecto de aumentar de campo en la operación del motor.
Colector: Es el conjunto de láminas conductoras (delgas),
aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de
corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las
escobillas.
Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada
sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo
de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras
para alojar el devanado inducido.
Entrehierro: Es el espacio comprendido entre las
expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de
1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre
la parte fija y la móvil.
Fig.10 grafica IA vs IF
VII.
PARTES DE UN MOTOR SINCRONO
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Culata: Su misión es conducir el flujo creado por el
devanado inductor. Tambien se unen a ella los polos de la
maquina.
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el efecto del motor sobre la red ya sea resistivoinductivo, resistivo o resistivo capacitivo.
f.
Cuando fp esta en atraso el motor se convierte en
una carga inductivo a la red
g.
Cuando el fp esta en adelanto el motor se convierte
en una carga capacitiva en la red.
h.
Cuando el motor funciona como capacitor frente a
la red este entrega carga reactiva Q a la red
i.
Cuando la carga es demasiada en el motor las
fuerzas de los campos magnéticos estatórico y
rotórico no son suficientes para mantenerse
pegadas existe un deslizamiento de polos lo que
produce una vibración súbita de la maquina y esta y
no puede mantener la velocidad síncrona, todo lo
contrario y desemboca en su destrucción.
j.
Todas las formulas matemáticas para el
moldeamiento son iguales a las del generado
exepto por que la carga en este caso no es eléctrica,
es mecánica pero se la refleja con un factor.
IX.
BIBLIOGRAFIA
Maquinas eléctricas, S. Chapman, 3 edicion
http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico_rot
ativo
VIII.
CONCLUSIONES.
a.
Los motores síncronos
alterna en el estator
funcionan con corriente
b.
La corriente alterna genera un campo magnético
rotatorio
c.
La cmr o campo magnetico rotorico es el campo
principal para que se de el movimiento del rotor
d.
Cuando aumentamos la carga en el motor a pleno
funcionamiento la velocidad de giro tiende a
disminuir un instante mientras se reacomodan los
nuevos valores y se recupera la velocidad síncrona
e.
Cuando aumentamos la corriente de campo a un
motor en pleno funcionamiento modificamos el
factor de potencia con el cual podemos configurar
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