Unidad 4 Motor Sincrónico

UNIDAD 4 MOTOR SINCRÓNICO 4.1 OPERACIÓN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LOS MOTORES SINCRÓNICOS Una máquina sincrónica es una máquina de corriente alterna cuya 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. Los polos del rotor están sometidos ahora a atracciones y repulsiones, en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator, pero el rotor no consigue girar, entonces vibrará. Pero si llevamos el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndole girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiéndose retirar el motor auxiliar.

Figura1 funcionamiento motor síncrono Circuito magnético 

Estator: Parte fija.

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Rotor: Parte móvil que gira dentro del estator.

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Entrehierro: Espacio de aire que separa el estator del rotor y que permite que pueda existir movimiento. Debe ser lo más reducido posible.

Dos circuitos eléctricos, uno en el rotor y otro en el estator 

Arrollamiento o devanado de excitación o inductor: Uno de los devanados, al ser recorrido por una corriente eléctrica produce unafuerza magnetomotriz que crea un flujo magnético.

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Inducido: El otro devanado, en el que se induce una f.e.m. que da lugar a un par motor.

En el estator se alojan tres bobinas, desfasadas entre si 120º. Cada una de las bobinas se conecta a una de las fases de un sistema trifásico y dan lugar a un campo magnético rotante La velocidad del campo magnético rotante se denomina velocidad síncrona (*s) y depende de la frecuencia de la red eléctrica a la que esté conectado el motor. El Rotor: Desde el punto de vista constructivo se pueden distinguir dos formas típicas de rotor: 

Rotor de jaula de ardilla: Está constituido por barras de cobre o de aluminio y unidas en sus extremos a dos anillos del mismo material.

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Rotor bobinado o de anillos rozantes: El rotor está constituido por tres devanados de hilo de cobre conectados en un punto común. Los extremos pueden estar conectados a tres anillos de cobre que giran solidariamente con el eje (anillos rozantes). Haciendo contacto con estos tres anillos se encuentran unas escobillas que permiten conectar a estos devanados

unas resistencias que permiten regular la velocidad de giro del motor. Son más caros y necesitan un mayor mantenimiento. Motor en vacío Si a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifásico de C. A. se genera en el estator un campo magnético giratorio, cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p. Si en estas circunstancias, con el rotor parado se alimenta el devanado del mismo con C. C. se produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual pasa el campo magnético del estator. Los polos del rotor están sometidos ahora 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. Pero si llevamos el rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndole girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético que les obliga a seguir girando juntos, pudiéndose retirar el motor auxiliar.

Figura 2 motor en vacio Motor en carga Una vez que se produzca la conexión del motor a la red, se produce un desplazamiento (d/p) 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 desplazamiento supera un límite el motor se para (ver más debajo "estabilidad del motor")

Figura 3 motor en carga Potencia y par del motor síncrono La potencia de una maquina síncrono por fase viene dada por:

4.2 ARRANQUE DEL MOTOR SINCRÓNICO Métodos de arranque para los motores síncronos. Los métodos que se utilizan para arrancar un motor síncrono depende de dos factores: el par requerido para arrancar la carga y la corriente máxima de arranque. Se pueden utilizar tres métodos para arrancar de manera segura un motor síncrono. Reducir la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada. Debido a que si los campos magnéticos del estator gire a una velocidad baja, el rotor no tendrá problema para acelerar y enlazarse con el campo magnético del estator. Esto se logra aumentando gradualmente la frecuencia eléctrica hasta su valor normal a través de los inversores-rectificadores y los ciclo convertidores, cuando se incluye en el circuito de control del motor su arranque es muy fácil ajustándolo como se requiere. Utilizar un motor primario externo. Otro método es adjuntando un motor externo para tener a la maquina síncrona hasta su velocidad plena. Conectado de manera paralela la maquina síncrona trabaja como generador y al desconectar el motor primario se comporta como motor, después de eso el motor síncrono se puede cargar de manera normal. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono Métodos de arranque para los motores síncronos. Los métodos que se utilizan para arrancar un motor síncrono depende de dos factores: el par requerido para arrancar la carga y la corriente máxima de arranque. Se pueden utilizar tres métodos para arrancar de manera segura un motor síncrono. Reducir la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada. Debido a que si los campos magnéticos del estator gire a una velocidad baja, el rotor no tendrá problema para acelerar y enlazarse con el campo magnético del estator. Esto se logra aumentando gradualmente la frecuencia eléctrica hasta su valor normal a través de los inversores-rectificadores y los ciclo convertidores, cuando se incluye en el circuito de control del motor su arranque es muy fácil ajustándolo como se requiere. Utilizar un motor primario externo.

Otro método es adjuntando un motor externo para tener a la maquina síncrona hasta su velocidad plena. Conectado de manera paralela la maquina síncrona trabaja como generador y al desconectar el motor primario se comporta como motor, después de eso el motor síncrono se puede cargar de manera normal. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor síncrono que arranca. La mayoría de los motores síncronos tienen un sistema de excitación sin escobillas montadas en sus ejes. Esto es muy útil en los motores síncronos de tamaños de mediano a grande porque hay sistemas de potencia que no soporten las corrientes de arranque. Utilizar devanados de amortiguamientos. 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. Los devanados de campo están en cortocircuito porque así no producen voltajes peligrosos y la corriente de campo inducida contribuye con un par de arranque extra para el motor. Utilizando este método se puede encender de la siguiente manera: primero, se desconectan los devanados de campo a su fuente de potencia de CD y que estén en corto circuito; después, aplicamos voltaje trifásico al estator para que la velocidad del motor se aproxime a la síncrona (sin carga); por último, conectar el circuito de campo a su fuente de potencia CD (después de esto se le puede añadir una carga).

4.3VALORES NOMINALES 3.2.1 Potencia nominal Para un generador sincrónico es la potencia eléctrica aparente expresada en VA, complementada con el factor de potencia. Es válido el criterio de las normas que fijan el factor de potencia para los generadores sincrónicos sobreexcitados en 0.8, lógicamente es importante cuando se especifica la máquina asegurarse de que en funcionamiento normal esta situación es representativa. 3.2.2 Tensión y frecuencia nominales

Son respectivamente la tensión y frecuencia normales en los bornes de línea de la máquina. Los alternadores deben poder suministrar su potencia aparente (kVA) en bornes, con el factor de potencia nominal cuando el mismo puede ser controlado separadamente, para distintos valores de la tensión y frecuencia que pueden apartarse de sus valores nominales. Cuando las máquinas funcionan dentro de la zona sombreada deberán ser capaces de entregar en forma permanente, su potencia nominal, pero sin respetar algunas de las restantes garantías (que son aplicables a tensión y frecuencia nominales). Cuando las máquinas funcionan sobre el límite de la zona sombreada se puede aceptar un incremento de 10 grados C° en los límites de sobreelevación de temperatura que las normas fijan para condiciones normales. Cuando las máquinas funcionan dentro de la zona delimitada por la línea punteada (y fuera de la zona sombreada), deben ser capaces de entregar la potencia nominal, pero generalmente presentarán una sobreelevación de temperatura muy superior a los límites que fijan las normas. En consecuencia no es conveniente un funcionamiento prolongado fuera de la zona sombreada indicada en la figura, y si esta condición de operación se presenta frecuentemente, será conveniente reducir la carga de la máquina (o al momento de especificarla incrementar su potencia nominal) a fin de que trabajando aliviada desde el punto de vista de los efectos térmicos no se vea afectada su vida útil. Si una máquina está diseñada para funcionar a más de un valor de tensión nominal, o bien si la tensión nominal puede variar dentro de un cierto rango, los límites de sobreelevación de temperatura establecidos por las normas, se deberán aplicar para todos los valores de tensión.

4.4 MODELADO DE LA MAQUINA A diferencia de los elementos pasivos de la red (líneas, transformadores), cuyo modelado para estudios de estabilidad no difiere del que se usa habitualmente en los estudios de régimen estacionario, la máquina síncrona debe ser modelada en una forma mucho más compleja y sofisticada. Los modelos sencillos de líneas y transformadores que se usan al formular las ecuaciones del flujo de cargas son sustentables en estudios de estabilidad debido a que los transitorios de red son tan rápidos (a lo sumo unos pocos ciclos) que se puede asumir que la red va describiendo una sucesión de estados de equilibrio (calculables a través de las ecuaciones algebraicas del flujo de cargas) a medida que va transcurriendo la perturbación en estudio (método “cuasi estático” de análisis) Esta simplificación no es razonable para la máquina síncrona, cuyos transitorios (mecánicos, de los devanados del rotor, y de los sistemas de regulación de velocidad y tensión) muestran constantes de tiempo del orden de varios segundos. Se hace necesario, por lo tanto, modelar la máquina síncrona a través de un conjunto de ecuaciones no sólo algebraicas, sino también diferenciales. Estas ecuaciones deben incluir no sólo una descripción del comportamiento de la máquina en relación a las variables eléctricas (corrientes, tensiones) intercambiadas con la red, sino también una descripción del comportamiento mecánico de la máquina al producirse la perturbación (se recuerda al respecto que el objeto clásico de estudio del análisis de estabilidad transitoria es la eventual pérdida de sincronismo del sistema, lo cual está directamente relacionado con las variaciones de posición de los rotores de las máquinas)

No obstante, las dificultades y complejidad inherentes a un modelado excesivamente preciso justifican asumir diversas simplificaciones en los modelos usados, de forma que se pueda abordar el análisis sin complicar innecesariamente la teoría y las rutinas de cálculo. El nivel de estas simplificaciones depende del tipo de estudio a realizar (y, en particular, del período de tiempo de análisis a partir de la perturbación en la red que motiva el estudio: régimen subtransitorio, transitorio o estacionario) y ha variado históricamente a lo largo del tiempo, a medida que se han ido haciendo cada vez más potentes y sofisticadas las herramientas de cálculo.

De esta forma, es posible encontrar en la literatura a la máquina síncrona modelada en forma tan simple como una fuente de tensión atrás de una reactancia (estudios de régimen y de estabilidad transitoria en la década del 70) o tan compleja como un conjunto de 7 o más bobinados acoplados electromagnéticamente a través de coeficientes de inducción propia y mutua que dependen del tiempo (estudios de estabilidad transitoria modernos).

Si bien a lo largo del curso se utilizarán principalmente métodos de análisis simplificados de la estabilidad transitoria de los sistemas de potencia, que sólo requieren de modelos relativamente sencillos de la máquina síncrona; es importante, por un lado, entender cómo se deducen y cuáles son las limitaciones de estos modelos simplificados y, por otro lado, tener una idea de cuáles son los modelos más completos que se usan en los programas de cálculo modernos. De esta forma, la metodología adoptada en nuestro caso es ir de lo más general a lo más particular, mediante el siguiente plan de trabajo:

-Plantear las ecuaciones generales “eléctricas” de la máquina síncrona en la forma que se usan habitualmente en los programas modernos de cálculo, pero sin tener en cuenta inicialmente los efectos de saturación. -Introducir las hipótesis simplificadoras que llevan a los modelos clásicos simplificados de la máquina en régimen estacionario y transitorio balanceado. -Describir sintéticamente las correcciones que hay que introducir a la teoría anterior para tener en cuenta la saturación. -Plantear la ecuación que describe el comportamiento mecánico de la máquina en función de las perturbaciones que se producen en la red (ecuación de “swing”)

En forma complementaria, se describirán también sintéticamente las ecuaciones de la máquina en régimen subtransitorio balanceado, las cuáles (dado el período muy corto a partir de la perturbación en que son válidas) no son de aplicación estricta en la teoría clásica de la estabilidad transitoria, pero son de uso habitual en otros estudios clásicos (análisis de cortocircuitos) que involucran perturbaciones en sistemas de potencia.