Laboratorio 8 Motor Sincrono

MAQUINAS ELECTRICAS Laboratorio 8 Motor Síncrono

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 Alumno

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Grupo

:

A

Semestre

:

IV

Fecha de entrega

:

04

Waldir Waldir A ndree G randa lvarez  lvarez   J efers efer s on Ac A c hinqui hi nqui pa L lamoca lamoca  J os é Alexander Alex ander Val V aldiv divia ia Silv S ilva a Pi ero S eba ebas tián ián León L eón Álvarez  Álvarez   J effers effer s on Miovic Miov ichh Chec C hecma mapoc poco o Docente:

Nota:

Augusto Valdivia 12

17

Hora: Hora:

01:25

I. Título del proyecto de investigación:

Motor Síncrono II.

Resumen del proyecto:

Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica. Estos motores se basan en la reversibilidad de los alternadores

Fig. 1 Motor Síncrono Su operación como motor síncrono se realiza cuando el estator es alimentado con un voltaje trifásico de CA provocando un campo magnético giratorio y consecutivamente el rotor es alimentado con un voltaje de CC, produciendo otro campo magnético, el cual se alineará con el campo del estator es decir lo perseguirá a una velocidad conocida como velocidad síncrona, que es la velocidad a la que gira el flujo magnético rotante que es:

120 

=



Donde: · f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) · P: Número de pares de polos que tiene la máquina · p: Número de polos que tiene la máquina · N: Velocidad de sincronismo de la máquina (RPM) Por lo que se dice que son motores de velocidad constante y suministran potencia a cargas que son básicamente dispositivos de velocidad constante

El motor síncrono. Son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es Constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté sometida y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". El motor síncrono no tiene torque de arranque. Para ponerlo en marcha se requiere contar con un enrollado adicional, conformado por una jaula de barras conductoras cortocircuitadas en sus extremos, ubicada en las caras polares del rotor. Este enrollado recibe el nombre de “enrollado amortiguador”. Porque sirve, además, para amortiguar las variaciones de velocidad cuando la carga como motor o generador varía. Por consiguiente el motor sincrónico, en Realidad “arranca como motor de inducción ”.

III. Justificación: Este trabajo de investigación se hizo debido al objetivo de su realización, como saber y conocer un poco más sobre máquinas síncronas, ya que posiblemente en nuestro trabajo veamos algún tipo de estas máquinas eléctricas. La información que estamos aportando en este proyecto es una recopilación de distintas fuentes, ya sea de distribuidores de equipos con sus especificaciones técnicas, hasta libros y revistas como los es la ABB y el libro Chapman. Básicamente el porqué de la realización de

este proyecto es la maximización de conocimientos sobre las máquinas síncronas, lo que buscamos con esto es aprender más sobre el mundo de las máquinas eléctricas como son los Motores síncronos.

IV. Problema identificado: Necesidad de aplicaciones

conocer

el

funcionamiento

del

motor

síncrono

para

futuras

V. Hipótesis (supuesto): En las empresas se usan más los motores síncronos por su estabilidad en velocidad y movimiento.

VI. Objetivos: Objetivo general: Realizar la investigación y comprensión de los motores síncronos en la industrial.

Objetivos específicos: ● ● ●

Conocer el funcionamiento de los motores síncronos, así como sus aplicaciones. Analizar las curvas características del motor síncrono. Saber los diferentes tipos de arranque del motor síncrono.

VII. Metodología de investigación:

Circuito equivalente del motor síncrono:

Efecto del Motor Bajo una Carga Cuando un motor síncrono funciona sin carga, los polos del rotor están directamente opuestos a los del estator y sus ejes coinciden. Sin embargo, si aplicamos una carga mecánica, los polos del rotor se retrasan un poco respecto a los polos del estator, pero el rotor continúa girando a velocidad síncrona. El ángulo mecánico entre los polos se incrementa progresivamente conforme incrementamos la carga. No obstante, la atracción magnética mantiene el rotor ligado al campo rotatorio y el motor desarrolla un par o momento de torsión cada vez más poderoso conforme se incrementa el ángulo.  Al estar conectados los motores síncronos a sistemas de potencia mucho más grandes que los motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajes infinitos frente a los motores síncronos. 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.

Principio de Funcionamiento: 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 inducidos produciendo un campo magnético uniforme rotacional Bs.

Fig. 2 Campos Magnéticos de un Motor de dos Polos Entonces, hay dos campos magnéticos presentes en la máquina, y el campo rotatorio tenderá a alinearse con el campo estático así como dos barras magnéticas tenderán a alinearse si se colocan una cerca de la otra. Puesto que el campo electromagnético del estator es rotante (CMR), el campo magnético del rotor y el rotor tratarán constantemente de emparejarse con el CMR, es decir el principio básico de operación del motor sincrónico es que el rotor "persigue" el campo magnético rotante del estator (CMR), sin emparejarse del todo con él.

Circuito Equivalente de un Motor Síncrono

Efecto del motor bajo una carga Cuando un motor síncrono funciona sin carga, los polos del rotor están directamente opuestos a los del estator y sus ejes coinciden. Sin embargo, si aplicamos una carga mecánica, los polos del rotor se retrasan un poco respecto a los polos del estator, pero el rotor continúa girando a velocidad síncrona. El ángulo mecánico entre los polos se incrementa progresivamente conforme incrementamos la carga. No obstante, la atracción magnética mantiene el rotor ligado al campo rotatorio y el motor desarrolla un par o momento de torsión

cada vez más poderoso conforme se incrementa el ángulo.  Al estar conectados los motores síncronos a sistemas de potencia mucho más grandes que los motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como barrajes infinitos frente a los motores síncronos. 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.

Métodos De Arranque Para Los Motores Sincrónicos Se pueden utilizar tres métodos para arrancar de manera segura un motor síncrono: 1.-  Reducir la velocidad de campo magnético del estator a un valor lo suficientemente bajo como para que el rotor pueda acelerar y fijarse a el durante el semiciclo de la rotación del campo magnético. Esto se puede lograr con la reducción de la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada. 2.- Utilizar un motor primario externo para acelerar el motor síncrono hasta velocidad sincrónica, pasar por el procedimiento de entrada en sincronía y convertir la máquina al instante en un generador. Entonces apagar o desconectar el motor principal para convertir la máquina sincrónica en un motor. 3.-  Utilizar devanados de amortiguamiento. A continuación se explicará la función de los devanados de amortiguamiento y su utilización en el arranque de motor. Enseguida Se Describe cada uno de estos métodos de arranque de motor sincrónico

Arranque Del Motor Por Medio De La Reducción De La Frecuencia Eléctrica Si los campos magnéticos del estator en un motor sincrónico giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelera y se enlace con el campo magnético del estator. Entonces se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente hasta su valor normal de 50 o 60 hz. Este método de arranque de un motor sincrónico tiene mucho sentido, pero presenta un gran problema. De donde Viene la frecuencia eléctrica variable. Los sistemas de potencia normales están regulados con frecuencia variable tenía que venir de un generador dedicado. Esta situación obviamente es poco práctica, excepto en circunstancias muy poco usuales. Cuando se opera un motor sincrónico a una velocidad menor a la velocidad nominal su voltaje interno generado será menor que lo normal. Si se reduce la magnitud de EA entonces el voltaje en los terminales aplicado al motor se debe reducir también para mantener la corriente en el estator en niveles seguros. El voltaje en cualquier accionador de frecuencia variable o circuito de arranque de frecuencia variable debe variar casi linealmente con la frecuencia aplicada.

Arranque Del Motor Con Un Motor Primario Externo El segundo método de arranque de un motor sincrónico es adjuntarle un motor de arranque externo y llevar la máquina sincrónica hasta su velocidad plena con un motor externo. Entonces se puede conllevar la máquina sincrónica hasta su velocidad plena con un motor externo. Entonces se puede conectar la máquina sincrónica en paralelo con el sistema de potencia como generador y se puede desconectar el motor primario del eje de la máquina. Una vez que se apaga el motor de arranque, el eje de la máquina pierde velocidad, el campo magnético del rotor se retrasa con respecto a bnet y la máquina sincrónica comienza a comportarse como motor. Una vez que se completa la conexión en paralelo, el motor

sincrónico se puede cargar de manera normal. Todo este procedimiento no es tan absurdo como parece, debido a que muchos motores síncronos forman parte del conjunto de motor-generador y se puede arrancar la máquina sincrónica en el conjunto motor-generador con otra máquina que cumpla la función de motor de arranque. Además, el motor de arranque solo necesita superar la inercia de la máquina síncrona en vacío; no se añade ninguna carga hasta que el motor está conectado en paralelo con el sistema de potencia. Ya que se debe superar sólo la inercia del motor, el motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono que arranca. Ya que la mayoría de los motores síncronos tienen sistemas de excitación sin escobillas montadas en sus ejes, a menudo se pueden utilizar estos excitadores como motores de arranque.

Arranque De Motor Con Devanados De Amortiguamiento Definitivamente la técnica de arranque de un motor síncrono más popular es la utilización de devanados de amortiguamiento. Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor de un motor síncrono y en cortocircuito en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito. En una máquina real los devanados de campo no están en circuito abierto durante el procedimiento de arranque. Si los devanados de campo estuvieran en circuito abierto, entonces se producirían voltajes demasiado altos en ellos durante el arranque. Si los devanados de campo están en cortocircuito durante el arranque, no se producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye con una par de arranque extra para el motor. En resumen, si una máquina tiene devanados de amortiguamiento, se puede encender siguiendo el procedimiento que se describe a continuación: 1.-  Desconectar los devanados de campo de su fuente de potencia de cd y que estén en cortocircuito. 2.-  Aplicar un voltaje trifásico del estator del motor y dejar que el motor acelere hasta llegar casi a su velocidad síncrona. El motor no debe tener ninguna carga en su eje para que su velocidad se pueda aproximar tanto como sea posible a n 3.-  conectar el circuito de campo cd a su fuente de potencia. Una vez que Esto se lleva a cabo, el motor se fija a velocidad síncrona y se le pueden añadir cargas a sus ejes

Curva Característica Par-Velocidad

.

Los Condensadores Síncronos Los Condensadores Síncronos aseguran un funcionamiento eficiente y eficaz de la red eléctrica mediante la compensación de la energía reactiva y la capacidad de potencia adicional de cortocircuito. Estos pueden ser adaptados para que coincidan con los requisitos de rendimiento del sistema, las condiciones del entorno y ofrecer una relación óptima costeeficiencia.

Un Condensador Síncrono es un dispositivo compatible con la tensión de red. Fundamentalmente, es un generador síncrono que funciona que funciona sin motor primario. La generación/consumo de potencia reactiva se consigue mediante la regulación de la corriente de excitación. Uno de los beneficios es que contribuyen a la capacidad general de cortocircuito en el nodo de red donde está instalado. Esto a su vez, mejor las posibilidades de que lo equipos conectados a la red sean capaces "viajar a través" condiciones de fallo de la red. Los Condensadores Síncronos se adaptan para operar durante el servicio de sobrecarga para períodos de tiempo variables. Pueden soportar la tensión del sistema de alimentación durante caídas de tensión prolongadas, aumentando la inercia de la red. La energía cinética almacenada en el rotor del condensador contribuye a la inercia total del sistema de energía, y por lo tanto, también es beneficioso desde el punto de vista de control de frecuencia. También pueden ser utilizados como dispositivos de compensación de energía reactiva en situaciones donde la inestabilidad de voltaje se debe evitar a toda costa.

Los módulos de condensadores síncronos son compactos y completamente funcionales con una mínima huella y necesidad de soporte externo. Los condensadores síncronos están diseñados para asegurar un funcionamiento fiable y duradero, haciendo un mantenimiento correcto.  Algunas de sus ventajas, en comparación con otros dispositivos de compensación, son las siguientes: • Regula la tensión de forma continua, sin los transitorios electromagnéticos asociados a los cambios de tomas de otros tipos de dispositivos. • No introduce armónicos en la red, ni se ve afectado por ellos. • No causa problemas por resonancia eléctrica.

Aplicaciones de los Motores Síncronos: Los motores síncronos ofrecen ahorro de energía y amortización rápida en aplicaciones de alta potencia con cargas pesadas.  Además de aportar un alto rendimiento en aplicaciones en las que se necesita corregir el factor de potencia, los motores síncronos aportan también pares elevados y velocidad constante bajo cargas variables, lo que resulta en costes de explotación y mantenimiento reducidos. Estas ventajas explican el empleo de estos motores en la más amplia variedad de aplicaciones. Entre las más típicas pueden citarse: trituradoras, molinos y cintas transportadoras en la minería y las canteras; ventiladores, bombas y compresores en la siderurgia; extrusoras en la industria del papel; astilladoras y descortezadoras en la transformación de la madera; bombas en el tratamiento de aguas residuales; compresores y ventiladores de alta capacidad en las industrias química y petroquímica; molinos y trituradoras en las fábricas de cemento; y bombas de inyección de agua en plataformas petrolíferas flotantes.

Gracias al mayor rendimiento, el menor tamaño y la mayor relación de potencia de salida relativa, los motores síncronos pueden sustituir a los motores de corriente continua en aplicaciones de altas prestaciones. Además, en algunos casos, puede emplearse un motor de par inferior al del motor convencional. Esto conlleva una reducción favorable de la corriente de arranque del motor, lo que resulta en menos problemas en el sistema eléctrico durante el arranque, junto con una reducción de las cargas mecánicas del devanado del motor. Los motores síncronos tienen un mejor rendimiento y mayor precisión de la velocidad que los motores de inducción; en cambio, en comparación con éstos últimos, su construcción es más compleja. La construcción más simple del motor de inducción hace que sea más económico dada una potencia determinada con potencias de salida de hasta 10 MW. No obstante, para potencias superiores, el mayor rendimiento del motor síncrono ofrece costes de explotación menores.

El mayor rendimiento es el resultado de la mayor capacidad del motor síncrono para convertir energía eléctrica en energía mecánica. Además, el motor síncrono puede construirse con un alto rendimiento en una amplia gama de velocidades, ofreciendo así ahorros de energía significativos con una amplia variedad de cargas. Igualmente, en las aplicaciones de alto par (trituradoras, extrusoras, etc.), los máximos de par con motores síncronos pueden ser cinco veces mayores que el par nominal. Otra ventaja del motor síncrono es su mejor estabilidad en aplicaciones con variadores de frecuencia. El motor síncrono con variador de velocidad se recomienda para aplicaciones de alto par, baja velocidad y una amplia gama de regulación de la velocidad. Dependiendo de la carga y de las condiciones ambientales de trabajo, el motor puede ser de construcción con escobillas o sin escobillas. Estos motores están indicados para funcionar a cualquier velocidad entre cero y la velocidad máxima, manteniendo la estabilidad independientemente de las variaciones de carga, un factor de primordial importancia en equipos como los laminadores y las extrusoras de plástico.  A las reducciones de los costes de explotación corrientes que los m otores síncronos ofrecen se suman las reducciones de los costes de mantenimiento que las máquinas sin escobillas ofrecen. Dado que la construcción de los motores no incorpora escobillas o anillos colectores,

no se necesita realizar las tareas de mantenimiento de inspección y limpieza de estos órganos.

Los motores síncronos requieren una fuente de alimentación de corriente continua para el devanado del rotor, la alimentación del cual se realiza mediante una excitatriz rotativa sin escobillas en los motores sin escobillas, o mediante una excitatriz estática en los motores con escobillas. Los motores síncronos WEG con excitatriz estática están dotados de anillos colectores y escobillas que permiten alimentar la corriente a los polos del rotor a través de contactos deslizantes. La alimentación de CC para los polos se obtiene de un convertidor CA CC y un controlador estático. La excitatriz estática se emplea mucho en aplicaciones con variadores de frecuencia. Los motores síncronos con un sistema de excitación sin escobillas incorporan una excitatriz rotativa, montada normalmente en la parte posterior del motor. Dependiendo del funcionamiento del motor, la excitatriz puede tener una alimentación de CC para el estator, o una alimentación de CA para el estator.

Los motores sincrónicos son fabricados específicamente para atender las necesidades de cada aplicación. Debido a sus características constructivas, operación con alto rendimiento y adaptabilidad a todo tipo de ambiente, son utilizados en prácticamente todos los sectores de la industria, tales como: • Mineria (chancadoras, molinos, cintas transportadoras y otros) • Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores) • Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadoras) • Saneamiento (bombas) • Química y petroquímica (compresores, ventiladores,  extractores y bombas) • Cemento (chancadoras, molinos y cintas transportadoras) • Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras) • Transmisión de energía (compensadores sincrónicos)

Aplicación: compresores recíprocos (petroquímica)

Aplicación: laminadoras (siderurgia)

Otro tipo de aplicaciones que reciben los motores síncronos es según su velocidad: • Velocidad Fija: Las aplicaciones de motores sincrónicos con velocidad fija se justifican por los bajos costos operacionales, una vez que presentan un alto rendimiento y pueden ser utilizados como compensadores sincrónicos para corrección del factor de potencia • Velocidad Variable:  Las aplicaciones de motores sincrónicos con velocidad variable se  justifican en aplicaciones de alto torque con baja rotación y un largo rango de ajuste de velocidad. Debido al mayor rendimiento, menor tamaño y mayor capacidad de potencia, pueden sustituir motores de corriente continua en aplicaciones de alta performance.

VIII. Resultados esperados: El alumnado de la carrera de Electronica y Automatizacion Industrial del IV Semestre, comprenda el motor síncrono, su funcionamiento para el uso de esta máquina eléctrica en la industria y saber su rendimiento en esta.

IX. Referencias bibliográficas: 1.

2. 3. 4.

Stephen J. Chapman (2007) Maquinas Electricas (edición 5). Wildi, T. (2007).  Máquinas eléctricas y s is temas de potencia . Pearson educación. Lobosco, O. S., da Costa Dias, J. L. P., & Oliver, D. (1990).  S elecci ón y aplicación de motores eléctricos . Marcombo. Pauta, Cuji, (2011), Motores síncronos,

5. 6.

7.

8.

Motores síncronos para aplicaciones metalúrgicas Recuperado de newABB Motores y Generadores , 17:50 02/12/2017 http://new.abb.com/motors-generators/es/motoressincronos/aplicaciones-metalurgicas

9.

Brochure Synchronous motors (ABB,2010)

10. 11.

Pauta, Cuji, (2011), Motores síncronos, https://es.scribd.com/doc/56763875/MOTORES-SINCRONOS Duran, (2014), Motores síncronos, https://es.slideshare.net/robertoduran338/motores-sincronos-33478759

12.

Condensadores Síncronos para Compensar Energía Reactiva, Recuperado de newABB Motores y Generadores , 18:20 02/12/2017 http://www.abb.com/product/seitp322/c474083d887bd353c1257c9e004118 77.aspx

13.

Wildi, T. (2007).  Máquinas eléctricas y s is temas de potenci a . Pearson educación. Lobosco, O. S., da Costa Dias, J. L. P., & Oliver, D. (1990).  S elecci ón y aplicación de motores eléctricos . Marcombo.

14.

X.

https://es.scribd.com/doc/56763875/MOTORES-SINCRONOS Duran, (2014), Motores síncronos, https://es.slideshare.net/robertoduran338/motores-sincronos-33478759 Recuperado de Universidad Carlos III de Madrid , Open Course Ware 17:18 02/12/2017 http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/operacion-ycontrol-de-sistemas-electricos/II_OCSE_RT/node6.html Los motores síncronos ofrecen ahorro de energía y amortización rápida en aplicaciones de alta potencia con cargas pesadas, según Javier De la Morena Recuperado de WEG Institucional , 17:30 02/12/2017 http://www.weg.net/institutional/ES/es/news/productos-y-soluciones/losmotores-sincronos-ofrecen-ahorro-de-energia-y-amortizacion-rapida-enaplicaciones-de-alta-potencia-con-cargas-pesadas-segun-javier-de-lamorena-de-weg-iberia-s-a-

Anexos Motor Síncrono https://www.youtube.com/watch?v=6HvcNV6en7A MAQUINAS SINCRONAS https://www.youtube.com/watch?v=Y_Tr0TqELec Principio del Motor Eléctrico. https://www.youtube.com/watch?v=xN5jdheIP4s