Motor Sincrono

MOTOR SÍNCRONO Los motores síncronos son un tipo de motor 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 conectada y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

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 (revoluciones por minuto) Por ejemplo, si se tiene una máquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la máquina operará a 1500 revoluciones por minuto. Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores síncronos debemos distinguir:  Los motores síncronos.  Los motores asíncronos sincronizados.  Los motores de imán permanente. Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Arranque de un motor trifásico síncrono Existen cuatro tipos de arranques diferentes para este tipo de motor:    

Como un motor asíncrono. Como un motor asíncrono, pero sincronizado. Utilizando un motor secundario o auxiliar para el arranque. Como un motor asíncrono, usando un tipo de arrollamiento diferente: llevará unos anillos rotantes que conectarán la rueda polar del motor con el arrancador.

Frenado de un motor trifásico síncrono Por regla general, la velocidad deseada de este tipo de motor se ajusta por medio de un reóstato. El motor síncrono, cuando alcance el par crítico, se detendrá, no siendo esta la forma más ortodoxa de hacerlo. El par crítico se alcanza cuando la carga asignada al motor supera al par del motor. Esto provoca un sobrecalentamiento que puede dañar el motor. La mejor forma de hacerlo, es ir variando la carga hasta que la intensidad absorbida de la red sea la menor posible, y entonces desconectar el motor. Otra forma de hacerlo, y la más habitual, es regulando el reóstato, con ello variamos la intensidad y podemos desconectar el motor sin ningún riesgo.

PRACTICAS DE LABORATORIO Practica 1 - El motor síncrono (parte I) Objetivos  Analizar la estructura del motor síncrono trifásico.  Calcular las características de arranque del motor síncrono trifásico. Instrumentos  Modulo de motor síncrono/generador  Modulo de electrodinamómetro  Modulo de fuente de alimentación (0-120/208V, 3ϕ, 120V CD, 0-120V CD)  Modulo de interruptor de sincronización  Modulo de medición de CA (0.5/2.5A)  Modulo de medición de CA (250V)  Tacómetro de mano  Cables de conexión  Banda

EMS 8241 EMS 8911 EMS 8821 EMS 8621 EMS 8425 EMS 8426 EMS 8920 EMS 8941 EMS 8942

Procedimiento 1. Examine la estructura del modulo EMS 8241 de motor síncrono generador, fijándose especialmente en el motor, los anillos colectores, el reóstato, las terminales de conexión y el alumbrado. 2. Observe el motor desde la parte posterior del modulo

a) Identifique los dos anillos colectores y las escobillas b) ¿Se puede mover las escobillas? No c) Observe que las terminales de los devanados del rotor se llevan hasta los anillos colectores a través de una ranura en el eje del rotor d) Identifique lo devanados amortiguadores de CD en el rotor e) Identifique los cuatro polos salientes inmediatamente debajo de los devanados de amortiguación. f) Identifique el devanado del estator y observe que es idéntico al de los motores trifásicos de jaula de ardilla y de motor devanado. 3. Observe desde la cara delantera del modulo: a) Los tres devanados independientes del estator están conectados a las terminales 1 y 4, 2 y 5, 3 y 6 b) ¿Cuál es el voltaje nominal de los devanados del estator? 120 V c) ¿Cuál es la corriente nominal de los devanados del estator? 1A d) El devanado del rotor se conecta (a través del reóstato) a las terminales 7y8 e) ¿Cuál es la corriente nominal del devanado del rotor? 0.33 A f) ¿Cuál es el voltaje nominal del devanado del rotor? 208 V g) ¿Cuál es la velocidad nominal y la potencia del motor? 1800 rpm, 0.2345 hp Características de arranque 4. Conecte el circuito ilustrado en la figura, utilizando los módulos EMS. Observe que los tres devanados del estator están conectados en estrella a la salida trifásica de 208 V de la fuente de alimentación, terminales 1, 2 y 3.

5. a) Conecte la fuente de alimentación. Observe que el motor comienza suavemente a funcionar y sigue operando como un motor ordinario de inducción. b) Observe el sentido de rotación. Rotación = (-), I1=1.5 A CA c) Desconecte la fuente de alimentación e intercambie dos de los tres cables que van a la fuente de alimentación. d) Conecte la fuente de alimentación y observe el sentido de rotación. Rotación = (+), I1=1.5 A CD e) Desconecte la fuente de alimentación. 6. Conecte el circuito que aparece en la figura, con los módulos EMS del electrodinamómetro y el interruptor de sincronización. Acople el motor electrodinamómetro por medio de la banda.

7. a) El modulo de interruptor de sincronización se utilizará como interruptor para la potencia trifásica que va a los devanados del estator. Ponga el interruptor en la posición “off”. b) El electrodinamómetro se conecta a la salida fija de 120V CA de la fuente de alimentación, terminales 1 y N. Ajuste la perilla de control del dinamómetro al 40% aproximadamente de excitación.

c) El rotor del motor síncrono se conecta a la salida fija de 120V CD de la fuente de alimentación 8 y N. Ajuste el reóstato de campo a una resistencia cero (la perilla de control debe ponerse en la posición extrema, haciéndola girar en el sentido de las manecillas del reloj). d) Si el motor síncrono tiene el interruptor S, ciérrelo al llegar a este paso. 8. a) Conecte la fuente de alimentación. A continuación aplique potencia trifásica cerrando el interruptor de sincronización y observe lo que sucede. ¡No aplique la potencia más de 10 segundos! b) Describe lo que sucede. El motor no pudo arrancar, debido a que tenía carga c) ¿Qué lectura dio el amperímetro? 5.5 A CA d) Si un motor síncrono tiene carga, ¿Debe arrancarlo cuando existe excitación de CD en su campo? No 9. a) Conecte el rotor del motor síncrono a la salida variable de 0-120V CD de la fuente de alimentación, terminales 7 y N. No cambie ninguna de las otras conexiones o los ajustes del control. b) Con el control del voltaje variable de salida en cero, conecte la fuente de alimentación. Aplique potencia trifásica cerrando el interruptor de sincronización y observe lo que sucede. c) Describa lo que pasó. El motor arranca con carga y vibra por que arrancó como motor de inducción d) ¿Funciona el aparato como motor de inducción? Si e) Ajuste cuidadosamente la salida de la fuente de alimentación a 120V CD, según lo indique el medidor de la fuente de alimentación. f) Describa lo que pasó. Arranca hasta llegar a 1800 rpm g) ¿Está operando el motor síncrono? Si h) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

10. a) Conecte el circuito que se ilustra en la figura, observe cómo está el motor síncrono; ésta es la configuración normal de arranque (como un motor de inducción trifásico de jaula de ardilla).

b) Ajuste la perilla de control del dinamómetro en su posición extrema haciéndola girar en el sentido de las manecillas del reloj (a fin de proporcionarle al motor síncrono la máxima carga en el arranque). c) Si el motor síncrono tiene el interruptor S, ciérrelo al llegar a este paso. 11. a) Conecte la fuente de alimentación y mida rápidamente E1, E2, I1 y el par de arranque desarrollado. Desconecte la fuente de alimentación. E1=210V CA E2=230V CA I1=5A CA Par de arranque= 29.4 lbf.plg b) Calcule la potencia aparente suministrada al motor de arranque. Potencia aparente = 936 VA c) Calcule el par a plena carga correspondiente a ¼ hp a 1800 r/min Tf = (HP)(5252)/RPM Tf=(0.25)(5252)/1800=0.73 Par a plena carga= 0.73 lbf.plg d) Calcule la relación entre par de arranque y el par a plena carga. T0/Tf =29.4/0.73=40 Relación=40.3

e) Explique por qué se indujo un alto voltaje en CA, E2 en los devanados del rotor. Variación del flujo, ley de Faraday y la carga retrasa al rotor, lo que hace variable el flujo.

Practica 2 - El motor síncrono (parte II) Objetivos  Entender por qué el motor síncrono puede comportarse como inductancia o capacitancia variables.  Obtener la curva característica de la corriente de CA en función de la corriente en CD, para el motor síncrono. Instrumentos  Modulo de motor síncrono/generador  Modulo de fuente de alimentación (0-120/208V, 3ϕ, 120V CD, 0-120V CD)  Modulo de medición de CA (0.5/2.5A)  Modulo de medición de CA (250V)  Cables de conexión  Banda  Módulo de wattímetro trifásico  Módulo de medición de CD (200V, 2.5A)

EMS 8241 EMS 8821 EMS 8425 EMS 8426 EMS 8941 EMS 8942 EMS 8441 EMS 8412

Procedimiento 1. a) Conecte el circuito que aparece en la figura, utilizando los Módulos EMS de motor/generador síncrono, wattímetro, fuente de alimentación y módulos de medición. Observe que los devanados del estator están conectados, a través del wattímetro, a la salida fija de 208V, 3ϕ de la fuente de alimentación, terminales 1, 2 y 3. El devanado del rotor está conectado, a través del amperímetro a la salida variable de 0-120V CD de loa fuente de alimentación, terminales 7 y N. la perilla del control de voltaje debe estar en cero.

b) Si el motor está equipado con un interruptor S, ábralo al llegar a este paso. c) Ajuste el campo del reóstato para resistencia cero (haga girar totalmente la perilla en el sentido de las manecillas del reloj). 2. a) Conecte la fuente de alimentación; el motor debe comenzar a funcionar. Observe el valor de la corriente alterna I1. El motor toma potencia reactiva positiva de la fuente de alimentación a una excitación de CD igual a cero, y funciona como un inductor. b) Si el motor tiene un interruptor S, ciérrelo a llegar a este paso. c) Aumente gradualmente la excitación de CD hasta que la corriente alterna I1 esté en su valor mínimo. Los dos wattimetros deben indicar lecturas positivas idénticas y en lo que respecta a la fuente de alimentación, el motor se comporta como una resistencia. d) Observe I1, I2, W1 y W2 I1 min = 0A CA I2 = 0.7A CD W1 = 25W W2=0W e) Aumente la excitación de CD y observe que la corriente I1 comienza a aumentar nuevamente. El motor toma una potencia reactiva negativa de la fuente de alimentación y se comporta como un capacitor.

3. a) Reduzca la excitación de CD a cero; mida y anote E1, I1, W1, W2, en la tabla. b) Repita esta operación para cada valor de corriente directa indicado en la tabla. Cuando la excitación exceda de 0.6A CD, tome las mediciones tan rápidamente como sea posible. Desconecte la fuente de alimentación y cambie la escala del amperímetro cuando la corriente descienda por debajo de 0.5A CD. Recuerde que debe observar las indicaciones de polaridad del wattímetro. c) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 4. Llene la tabla 54.1, calculando la potencia aparente (recuerde que debe multiplicar por 1.73), la potencia real y el factor de potencia para cada valor de corriente directa indicado. I2 E1 I1 POTENCIA W1 (AMPS) (VOLTTS) (AMPS) (VA) 0 240 1.6 373 100 0.1 240 1 349 80 0.2 240 0.8 289 75 0.3 240 0.6 230 70 0.4 240 0.4 174 70 0.5 240 0.2 102 50 0.6 240 0.1 58 50 0.7 240 0 74 70 0.8 240 0.1 113 80 0.9 240 0.2 144 80 Tabla 54.1

W2 360 340 280 220 160 90 30 25 80 120

POTENCIA (WATTS) 100 80 75 70 70 50 50 70 80 120

FP 0.26 0.22 0.25 0.3 0.4 0.5 0.8 0.9 0.7 0.5

5. a) De acuerdo con los resultados de la tabla 54.1, calcule la potencia reactiva, para una corriente del rotor en CD igual a cero. b) El factor de potencia ¿es adelantado ó atrasado? Atrasado 6. a) De acuerdo con los resultados de la tabla, calcule la potencia reactiva para la máxima corriente del rotor en CD. b) ¿El factor de potencia es adelantado ó atrasado? Adelantado

7. De acuerdo con los resultados de la tabla, calcule la potencia reactiva a la corriente mínima del estator. 25 VAR

Factor de Potencia (FP) 1 0.9

Factor de Potencia (FP)

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0.8

0.9

1

Corriente de Rotor (A CD)

Corriente del Estator (CA) 1.8

Corriente del Estator (A CA)

1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Corriente de Rotor (A CD)

0.7

Practica 3 - El motor síncrono (parte III) Objetivos  Determinar las características a plena carga del motor síncrono.  Determinar el par de salida del motor síncrono. Instrumentos          

Modulo de motor síncrono/generador Modulo de electrodinamómetro Modulo de fuente de alimentación (0-120/208V, 3ϕ, 120V CD, 0-120V CD) Modulo de medición de CA (0.5/2.5A) Modulo de medición de CA (250V) Cables de conexión Banda Módulo de wattímetro trifásico Módulo de medición de CD (200V, 2.5A)

EMS 8241 EMS 8911 EMS 8821 EMS 8425 EMS 8426 EMS 8941 EMS 8942 EMS 8441 EMS 8412

Procedimiento 1. Conecte el circuito ilustrado en la figura, utilizando los módulos EMS del motor/generador síncrono, wattímetro, electrodinamómetro, fuente de alimentación y medición. Observe que los devanados del estator están conectados a la salida trifásica variable de la fuente de alimentación, terminales 4, 5 y 6, y que el devanado del rotor se conecta a la salida fija de CD de la fuente de alimentación, terminales 8 y N.

2. a) Acople el motor al electrodinamómetro utilizando la banda. b) Ponga la perilla de control del dinamómetro en su posición extrema haciéndola girar en el sentido contrario al de las manecillas del reloj. c) Ajuste el reóstato del motor síncrono en su posición extrema haciéndolo girar en el sentido contrario al de las manecillas del reloj, para obtener una resistencia máxima. (Si el motor tiene un interruptor S, debe mantenerlo abierto). d) Conecte la fuente de alimentación y ajuste rápidamente E1 a 208V CA, según lo indique el voltímetro. El motor debe comenzar a funcionar. 3. a) Si el motor tiene un interruptor S, debe cerrarlo. b) Aumente en forma gradual el par hasta llegar a 9 lbf•plg, en tanto que hace variar la excitación de CD, hasta que la indicación de los dos wattimetros sean la misma, es decir hasta que el factor de potencia sea igual a la unidad. (I1 debe de estar también en su mínimo valor). c) Mida y anote I1, I2, E2, W1 y W2. I1 = 0.7A CA I2 =0.6A CD E2 =140V CD W1 = 240 W W2 = 0 Var 4. Sin cambiar la excitación de CD del procedimiento 3, aumente de un modo gradual la carga hasta que el motor quede fuera de sincronismo. Anote el par requerido para ello y desconecte la fuente de alimentación. Par de salida = 20 lbf.plg 5. a) Repita los procedimientos 2 y 3, pero en esta ocasión aumente la excitación de CD a 0.8A CD, en tanto que mantenga un par de 9 lbf.plg. b) Mida y anote I1, E2, W1 y W2. I1 = 0.9A CA E2 =140V CD W1 = 245 W W2 =100 Var c) ¿Es adelantado ó atrasado el valor de potencia? Adelantado 6. Determine el par de salida con una excitación de 0.8A CD. Desconecte la fuente de alimentación. Par de salida = 20 lbf.plg

Conclusión Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Existen cuatro tipos de arranques diferentes para este tipo de motor:    

Como un motor asíncrono. Como un motor asíncrono, pero sincronizado. Utilizando un motor secundario o auxiliar para el arranque. Como un motor asíncrono, usando un tipo de arrollamiento diferente: llevará unos anillos rotantes que conectarán la rueda polar del motor con el arrancador.

Las ventajas que presentan este tipo de motores, son:  Corrección del factor de potencia  Velocidad constante  Alta capacidad de torque En el caso que se necesitara regular la velocidad del motor, no es necesario comprar otro, se adquiere un variador de frecuencia para regular la velocidad del motor Por regla general, la velocidad deseada de este tipo de motor se ajusta por medio de un reóstato. El motor síncrono, cuando alcance el par crítico, se detendrá. El par crítico se alcanza cuando la carga asignada al motor supera al par del motor. Esto provoca un sobrecalentamiento que puede dañar el motor. La mejor forma de hacerlo, es ir variando la carga hasta que la intensidad absorbida de la red sea la menor posible, y entonces desconectar el motor. Otra forma de hacerlo, y la más habitual, es regulando el reóstato, con ello variamos la intensidad y podemos desconectar el motor sin ningún riesgo.