Motor Sincrono

 

MOTOR SINCRONO FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR SÍNCRONO MOTOR SÍNCRONO Una máquina sincrónica sincrónica es una máquina máquina de corriente corriente alterna cuya velocidad velocidad bajo condiciones de estado estable es proporcional a la frecuencia de la corriente en su armadura. El campo magnético que crean las corrientes de armadura gira a la misma velocidad que el que crea la corriente del campo en el rotor (que gira a la velocidad sincrónica), y se produce un par estacionario. os polos del rotor están sometidos sometidos a!ora a atracciones y repulsiones, en breves periodos de tiempo, tiempo, por parte de los polos del estator, pero el rotor no consigue girar, entonces vibrará. "ero si llevamos el rotor a la velocidad de sincronismo, !aci !a cién éndol dole e gira girarr medi mediant ante e un moto motorr au#il au#ilia iar, r, al enfr enfren enta tars rse e polo polos s de sign signo o opuestos se establece un enganche magnético que magnético que les obliga a seguir girando  juntos, pudiéndose retirar el motor au#iliar.

 

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Estator: "arte fija.

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Rotor: "arte móvil que gira dentro del estator.

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aire que separa el estator del rotor y que permite Entrehierro: Espacio de aire que movimiento.. $ebe ser lo más reducido posible. que pueda e#istir movimiento

 

Dos circuitos eléctricos eléctricos,, uno en el rotor  otro en el estator  •

Arr rrol olla la!i !ien ento to o "e# "e#ana ana"o "o "e e$ e$ci cita taci ci%n %n o in"u in"uct ctor or::  Uno de los devanados,

al

ser

recorrido

por

una corr corrie ient nte e

eléc el éctr tric ica a produce

una fuer%a magneto fuer%a magneto motri% que crea un flujo magnético. •

In"uci"o: El otro devanado, en el que se induce una f.e.m. que da lugar a un par motor. En el estat   se alojan tres bobinas, desfasadas entre si &'. *ada una de las estator  or  se bobinas se conecta a una de las fases de un sistema trifásico sistema trifásico y dan lugar a un campo magnético rotante

 

La #eloci"a" "el ca!&o !a'nético rotante se "eno!ina #eloci"a" s(ncrona )*s+  y depende de la frecuencia de la red eléctrica red eléctrica a la que esté conectado el motor.

El Rotor: $esde el punto de vista constructivo se pueden distinguir dos formas t+picas de rotor •

Roto Ro torr "e a aul ulaa "e ar ar"i "illla Est Está cons consti titu tuiido por por barr barras as de cobre cobre o  o de aluminio y aluminio y unidas en sus e#tremos a dos anillos del mismo material.

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Rotor -o-ina"o o "e anillos ro.antes:  El rotor está constituido por tres devanados de !ilo de cobre conectados en un punto com-n. os e#tremos pueden estar est ar conecta conectados dos a tres tres anillo anillos s de cobre cobre que giran giran solida solidaria riamen mente te con el eje (anillos ro%antes). aciendo contacto con estos tres anillos se encuentran unas escobi esc obill llas as que que perm permit iten en conect conectar ar a es esto tos s devana devanado dos s unas unas resistencias resistencias que  que permiten regular la velocidad de giro del motor. /on más caros y necesitan un mayor mantenimiento. mantenimiento.

MOTOR EN /ACÍO /i a un alternador trifásico se le retira la máquina motri% y se alimenta su estator  medi me dian ante te un si sist stem ema a tr trif ifás ásic ico o de *. 0. se gene genera ra en el esta estato torr un ca camp mpo o magnét mag nético ico girator giratorio, io, cuya velocid velocidad ad sabemos sabemos que es 1 2 3 f4p. /i en estas estas circunstancias, con el rotor parado se alimenta el devanado del mismo con *. *. se produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estator. os polos del rotor están sometidos a!ora a atracciones y repulsiones, en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator, pero el rotor no consigue girar , a lo sumo vibrará. "ero si llevamos el rotor a la

 

velo veloci cida dad d de si sinc ncron ronis ismo, mo, !acié !aciénd ndol ole e gi girar rar medi median ante te un moto motorr au#il au#ilia iar, r, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganc!e magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiéndose retirar el motor au#iliar.

MOTOR EN CAR0A Una Un a ve% ve% que que se prod produ% u%ca ca la cone cone#i #ión ón del del mo moto torr a la red, red, se prod produc uce e un despla%amiento (d4p) del eje de los polos del rotor respecto de los polos ficticios del estator, que aumenta con la carga del motor, y tal que si este despla%amiento supera un l+mite el motor se para (ver más debajo 5estabilidad del motor5).

 

1otencia  &ar "el !otor s(ncrono a potencia potencia  de una maquina s+ncrono por fase viene dada por

 

ARRAN2UE DE UN MOTOR SÍNCRONO Un motor s+ncrono no puede arrancar por s+ mismo6 en consecuencia, el rotor casi siempre está equipado con un devanado de jaula de ardilla para que pueda arran arr ancar car co como mo mo moto torr de in induc ducci ción. ón. *u *uan ando do el es esta tato torr se co cone nect cta a a la l+ l+ne nea a trifásica, el motor acelera !asta que alcan%a una velocidad un poco por debajo de la velocidad s+ncrona. a e#citación de cd se suprime durante este periodo de arranque. arranqu e. 7ientras el rotor se acelera, el flujo rotatorio rotatorio creado por el estator pasa frente a los polos salientes que se mueven lentamente. *omo las bobinas en el rotor poseen un n-mero relativamente grande de vueltas, se induce un alto voltaje en el devanado del rotor cuando gira a bajas velocidades. Este voltaje aparece entre ent re os ani anillo llos s col colect ectores ores y dis dismin minuye uye con confor forme me el rot rotor or se ace acelera lera,, !as !asta ta volverse insignificante cuando el rotor se apro#ima a la velocidad s+ncrona. "ara limitar el voltaje, y para mejorar el par o momento de torsión de arranque, se ponen en cortocircuito los anillos colectores o se conectan a un resistor au#iliar  durante el periodo de arranque.

Méto"os "e Arran3ue "el Motor Sincr%nico

 

Eta&as "e arran3ue "e un Motor Sincr%nico a primera etapa se considera considera desde el momento momento inicial de cone#ión, cone#ión, con el rotor  en reposo, y el devanado de campo cerrado a través de una resistencia de descarga,, en la cual el campo rotante descarga rotante estatórico estatórico genera un par asincrónico asincrónico sobre el damper como si se tratara de un motor de inducción, y lo acelera !asta una velocidad subsincrónica sobre la caracter+stica mecánica del damper. a segu segund nda a et etapa apa se in inic icia ia al e# e#ci cita tarr el rotor rotor con con una una corri corrien ente te cont contin inua ua de magnitud adecuada, generando un par adicional que lo puede llevar o no !asta la velocidad sincrónica de funcionamiento donde el proceso de arranque finali%a. 0 esta etapa se le denomina de sincroni%ación y es la más delicada y compleja de todo el proceso de aceleración. 0l conectar la e#citación es preferible una ligera sobree# sob ree#cit citació ación n a una sube#c sube#cita itació ción n pues pues sobree# sobree#cit citando ando el motor motor posee posee una mayor estabilidad y además tomará una corriente capacitiva que compensa las

 

compone comp onente ntes s induct inductiva ivas s tomada tomadas s por otras otras cargas cargas de la l+nea l+nea reducie reduciendo ndo la magnitud de la corriente de l+nea. "ar de entr entrada ada al si sinc ncron ronis ismo mo (" ("ul ull8 l89n 9n :orque) rque) Es el par par que desa desarro rroll lla a en func funcio iona nami mien ento to asin asincr crón ónic ico o sobr sobre e su $amp $amper er a la ve velo loci cida dad d (dad (dada a por por la intersección de la caracter+stica mecánica del $amper y del par resistente) a partir  de la cual debe ser empujado al sincronismo.  "ar nominal de entrada al sincronismo (nominal "ull89n :orque) Es el par que

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desarrolla cuando opera al ;em inducida por acción rotacional del campo estatórico, genera en el rotor una corriente que produce un campo pulsante, cuyo eje magnético espacial es fijo a la rueda polar.

a ecuación muestra que el campo rotante estatórico está en sincronismo con el campo de secuencia directa del devanado de e#citación a cualquier velocidad del rotor de igual manera que en un motor trifásico de inducción. "or ello se tiene un par asincrónico de sentido directo, a-n sin la e#istencia del $amper, aunque este es de una magnitud reducida dado que la ecuación da una magnitud del campo de secuencia directa del rotor es la mitad que la del campo rotante estatórico.

 

a ecua ecuaci ción ón in ind dic ica a que que en el mom moment ento inici nicial al de arra arranq nque ue,, y !ast !asta a un desli%amiento s 2 C el campo de secuencia inversa gira en el sentido de giro del rotor y del campo rotante estatórico, generando un par motor. En el punto s 2 C el parr de secue pa secuenc ncia ias s invers inversa a es nulo nulo,, y con con desl desli% i%am amie ient ntos os meno menore res s se !ace !ace frenaste.

/i 's D & Ai es decir la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico en el sistem sis tema a de referen referencia cia del estator estator result resulta a positi positiva, va, esto ocurre ocurre cuando cuando s D C resultando el sentido de giro el mismo que del rotor y del campo rotante estatórico, por lo que el par electromagnético resulta motor.

 

/i 's 2 & resulta Ai 2 , es decir la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico rotóri co en el sistema de referencia del estator estator es nula. Esto ocurre cuando s 2 C el campo de secuencia inversa es estacionario respecto al estator y no puede inducir ninguna >em y por consiguiente no produce corriente, por lo que el par  electromagnético debido al campo inverso es nulo. /i s  C entonces Ai y la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico en el sistema de referencia del estator resulta negativa y el sentido de giro es opuesto al sentido de giro del rotor y del campo rotórico de secuencia directa por lo que el par  electromagnético resulta frenantes.

a caracter+stica mecánica resultante : 2 f(s) tiene una profunda ca+da del par en el entorno del punto s 2 C . El par de arranque :b depende del campo rotórico de se secu cuen enci cia a di dire rect cta a y una una pequ pequeF eFa a co comp mpon onen ente te del del de se secu cuen enci cia a in inve vers rsa, a, resultando relativamente débil, pues la magnitud del flujo rotórico de secuencia directa es la mitad del unia#ial original. En el caso que el motor pueda arrancar, si

 

el par resistente es menor que el par de bloqueo, entonces acelerará !asta que el par motor iguale al resistente en un punto de equilibrio donde el motor puede quedar funcionando funcionando a una velocidad velocidad muy baja, en las pro#imidades pro#imidades del punto s 2 C . Este estado de funcionamiento se denomina arrastre del motor, y no es adecuado para funcionamiento permanente dado el alto desli%amiento y la intensa corriente.

En las pro#imidades del punto s 2 C la frecuencia de la >em inducida por el campo rotórico de secuencia inversa es muy baja y su valor es fi 2f& (&8's). Estas >em de baja frecuencia frecuencia generada generada en las fases estatóricas estatóricas impulsan corrientes corrientes de baja baj a frecue frecuenci ncia a que pueden pueden cir circul cular ar por la l+nea l+nea de alimen alimentac tación ión !acia !acia otros otros receptores conectados a la misma (transformadores, motores, etc) cerrando el circuito por sus bra%os de e#citación que a dic!a frecuencia presentan un baja impedancia.

Resistencia "e "escar'a

 

 0 efectos de poder evitar el estado de arrastre del motor, se debe recurrir al empleo de resistencias de descarga, intercaladas en el circuito del devanado de e#citación, cuya función es disipar la energ+a generada en este devanado.

El valor optimo de la resistencia de arranque, deducido por e#periencia debe estar  en el orden de G veces la resistencia del devanado de e#citación rf , para que el efecto unia#ial del rotor sea atenuado efica%mente, evitando as+ el estado de arrastre, y obteniendo un má#imo par de entrada.

Funci%n "e la aula a!orti'ua"ora )Da!&er+

 

El damper solo trabaja en el arranque o en procesos transitorios donde e#iste variación entre la velocidad o del campo magnético rotante.

 

Una resistencia del $amper B' elevada, da una corriente inicial aceptable y lleva a un aumento del par de arranque pero a su ve% se reduce el par de entrada en sincronismo. En la segunda etapa de arranque el motor es acelerado desde su velocidad sub sincrónica con desli%amiento s y con un momento de entrada en sincronismo :es determinado, !asta la velocidad sincrónica con desli%amiento s 2  de acuerdo a la situación de la >igura.

 

Factores 3ue inter#ienen en la sincroni.aci%n 8El par de entrada : y desli%amiento de entrada s. 8El par sincrónico que aparece al e#citar el campo, este tiene dos componentes el de e#citación y el de reluctancia en caso de ser de polos salientes. 8"ar asincrónico del damper que var+a con el desli%amiento. 8El momento de inercia del motor y su carga asociada. 8El ángulo entre E y U, (posición de los polos) al e#citar el campo. En el momento de e#citar el campo del motor, el rotor lleva un cierto resbalamiento correspondiente al par resistente, sobre su caracter+stica mecánica, por lo que el ángulo de potencia variará en forma continua enrollándose sobre si mismo, y produciendo produci endo as+ una acción motora y frenante en forma periódica periódica como podemos podemos ver en la figura

 

a >igu >igura ra mues muestr tra a una una si sincr ncron oni% i%aci ación ón e# e#it itos osa, a, aprec apreciá iánd ndos ose e como como var+a var+a el desli%amiento de un motor sincrónico originalmente sin e#citación, actuando en ese caso solo el par de reluctancia que en este ejemplo no es suficiente para alcan%ar el sincronismo.

 

Des& De s&ué uéss "e a&li a&lica carr la e$ci e$cita taci ci%n %n "e corr corrie ient ntee cont contin inua ua,, es necesario consi"erar "os &ares !otores "i4erentes 8El par motor as+ncrono producido por el flujo giratorio y las corrientes en ambos

arrollamientos del rotor. 8El par motor sincrónico producido por el flujo giratorio y la corriente continua en el arrollamiento del campo.

 

DIA0RAMA FASORIAL *onsideremos un motor s+ncrono funcionando en régimen estacionario con una tensión por fase HI. /uponemos que la reactancia de dispersión es constante, que se pueden despreciar las pérdidas en el !ierro y que el entre!ierro es uniforme.

/i se fija una carga al eje de un motor s+ncrono, el motor desarrollará suficiente par como para mantener el motor y su carga a velocidad s+ncrona. 0l incrementar  la carga en el eje, se mantendrá la velocidad pero aumentará el ángulo J. El voltaje interno generado E 0  es igual a KLM y por tanto sólo depende de la corriente de e#citación en la máquina y de la velocidad de ésta. "or lo tanto, al variar la carga, el valor de E 0 se debe mantener constante. *omo se puede ver en la figura, conforme aumenta aumenta la carga, E 0 se mueve !acia abajo, se incrementa incrementa la

 

corriente de carga y también cambia el factor de potencia (al aumentar la carga cada ve% está más en retraso).

Efecto de incrementar la corriente de e#citación de un motor s+ncrono que opera con un factor de potencia en retraso En base a los resultados anteriores, se !ace un estudio de la relación entre la corriente corrien te de l inducido inducido 9 y la corriente corriente de campo o de e#citación e#citación (9e#). En la figura anterior se observa que al crecer la e#citación (y en consecuencia E 0), la corriente de carga comien%a a disminuir, se !ace m+nima para cosN2&, y vuelve a aumentar  cuand cuando o se !ace !ace capa capaci citi tivo. vo. Esta Esta ley de varia variaci ción ón se pued puede e repr reprod oduci ucirr pa para ra diferentes estados de carga (plena carga, media carga o un cuarto de carga) para obtener las curvas en H del motor s+ncrono.

 

Circ Ci rcui uito to E3ui# 3ui#al alen ente te  Dia' Dia'ra ra! !a Faso Fasori rial al "e los !oto !otore ress sincronos )Méto"o "e 5"+6

 

CONCLUSIONES *on la finali%ación del siguiente ensayo podem ensayo podemos os decir que Un motor s+ncrono es un dispositivo electromecánico capa% de mover un alto rango de cargas a una velo veloci cida dad d

dada dada,,

ll llam amad ada a velo veloci cidad dad de

si sinc ncron ronis ismo mo,, e# e#tr tray ayen endo do

la

energ energ+a +a

necesaria de una red. El motor s+ncrono es utili%ado en aquellos casos que se desea velocidad constante El motor s+ncrono, utili%a el mismo concepto de concepto de un campo magnético giratorio pr prod oduc ucid ido o por por el de esta estato torr, pero pero a!or a!ora a el roto rotorr co cons nsta ta de el elec ectr troi oima mane nes s permanentes que giran sincrónicamente con el campo del estator. En definitiva este ensayo a sido de gran ayuda ya que aumento mis conocimientos y despejo mis dudas en cuanto a un motor s+ncrono.

 

Ee!&lo 7  Un motor sincrónico de rotor cil+ndrico de 'O H, conectado en estrella, tiene una reactancia sincrónica de O P y una resistencia de .'< P . /i trabaja con un ángulo de potencia (par) J2&