3.1 GENERALIDADES Y CONSTRUCCION DEL MOTOR SINCRONOMOTOR SNCRONOLos motores sncronos son un tipo de motor de corriente alterna en el que la rotacin del eje est sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentacin; el perodo de rotacin es exactamente igual a un nmero entero de ciclos de CA. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensin de la red elctrica a la que est conectado y por el nmero de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electromagnetos en el esttor del motor que crean un campo magntico que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.La expresin matemtica que relaciona la velocidad de la mquina con los parmetros mencionados es:

donde: f: Frecuencia de la red a la que est conectada la mquina (Hz) P: Nmero de pares de polos que tiene la mquina p: Nmero de polos que tiene la mquina n: Velocidad de sincronismo de la mquina (revoluciones por minuto)Por ejemplo, si se tiene una mquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la mquina operar a 1.500 revoluciones por minuto.Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores sncronos debemos distinguir: Los motores sncronos. Los motores asncronos sincronizados. Los motores de imn permanente.Los motores sncronos son llamados as, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magntico del esttor son iguales. Los motores sncronos se usan en mquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante.Por Qu Utilizar Motores Sincrnicos?Las aplicaciones de los motores sincrnicos en la industria, la mayora de las veces, resultan en ventajas econmicas y operacionales considerables, debido a sus caractersticas de funcionamiento. Las principales ventajas son:Correccin del factor de potencia: Los motores sincrnicos pueden ayudar a reducir los costos de energa elctrica y mejorar el rendimiento del sistema de energa, corrigiendo el factor de potencia en la red elctrica donde estn instalados. En pocos aos, el ahorro de energa elctrica puede igualarse al valor invertido en el motor.Velocidad constante: Los motores sincrnicos mantienen la velocidad constante tanto en las situaciones de sobrecarga como durante momentos de oscilaciones de tensin, respetndose los lmites del conjugado mximo (pull-out).Alto rendimiento: En la conversin de energa elctrica en mecnica es ms eficiente, generando mayor ahorro de energa. Los motores sincrnicos son proyectados para operar con alto rendimiento en un amplio rango de velocidad y para proveer un mejor aprovechamiento de energa para una gran variedad de cargas.Alta capacidad de torque: Los motores sincrnicos son proyectados con altos torques en rgimen, manteniendo la velocidad constante, incluso en aplicaciones con grandes variaciones de carga.Mayor estabilidad en la utilizacin con convertidores de frecuencia: Puede actuar en un amplio rango de velocidad, manteniendo la estabilidad independiente de la variacin de carga (ej.: laminadoras, extrusoras de plstico, etc.).

APLICACIONESLos motores sincrnicos son fabricados especficamente para atender las necesidades de cada aplicacin. Debido a sus caractersticas constructivas, operacin con alto rendimiento y adaptabilidad a todo tipo de ambiente, son utilizados en prcticamente todos los sectores de la industria, tales como: Minera (moledoras, molinos, cintas transportadoras y otros) Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores) Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadoras) Saneamiento (bombas) Qumica y petroqumica (compresores, ventiladores, extractores y bombas) Cemento (moledoras, molinos y cintas transportadoras) Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras)

Motores sincrnicos verticales:Los motores sincrnicos verticales, pueden ser suministrados con cojinetes de rodamientos de esferas, de rodillos o de contacto angular, lubricados a grasa. Dependiendo de la aplicacin, especialmente cuando son sometidos a altas cargas de empuje axial, pueden ser fabricados con cojinetes de rodamientos lubricados a aceite o cojinetes de deslizamiento. Los motores sincrnicos con construccin vertical son proyectados y fabricados para atender las aplicaciones en bombas, moledoras, mezcladoras, entre otros.

Motores sincrnicos para atmsferas explosivas:Para las aplicaciones en atmsferas explosivas, se fabrica motores sincrnicos con caractersticas de seguridad especficas, aptos para operar en locales donde productos inflamables son continuamente manipulados, procesados o almacenados. Son suministrados con tipos de proteccin Ex-n (no encendible) y Ex-p (presurizado) atendiendo las exigencias de las normas nacionales e internacionales, siendo testeados y aprobados por rganos certificadores reconocidos mundialmente.

Velocidad fija:Las aplicaciones de motores sincrnicos con velocidad fija se justifican por los bajos costos operacionales, una vez que presentan un alto rendimiento y pueden ser utilizados como compensadores sincrnicos para correccin del factor de potencia.

Velocidad variable: Las aplicaciones de motores sincrnicos con velocidad variable se justifican en aplicaciones de alto torque con baja rotacin y un largo rango de ajuste de velocidad. La construccin de los motores para estas aplicaciones puede ser con o sin escobillas, dependiendo de las caractersticas de la carga y del ambiente. Debido al mayor rendimiento, menor tamao y mayor capacidad de potencia, pueden substituir motores de corriente continua en aplicaciones de alta performance. Los motores sincrnicos pueden ser especificados con corriente de partida reducida, lo que implica un menor disturbio en el sistema elctrico durante el arranque, as como reduccin en las tensiones mecnicas resultantes en los devanados del motor.CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS

Carcasa:Carcasa Su funcin principal es la de apoyar y proteger el motor, alojando tambin el paquete de chapas y devanados del estator. Pueden ser construidas en los tipos horizontal y vertical y con grado de proteccin de acuerdo con las necesidades del ambiente. La carcasa est construida en chapas y perfiles de acero soldado, formando un conjunto slido y robusto que es la base estructura de la mquina. Todo el conjunto de la carcasa recibe un tratamiento de normalizacin para alivio de tensiones provocadas por las soldaduras. Ese tipo de construccin proporciona excelente rigidez estructural de manera de soportar esfuerzos mecnicos provenientes de eventuales cortocircuitos y vibracin, capacitando al motor para atender las ms severas necesidades.

Estator: Constituido por un paquete laminado de chapas de acero silicio de alta calidad, con ranuras para alojar el devanado del estator, que opera con alimentacin de potencia en corriente alterna para generar el campo magntico giratorio.

Rotor:El rotor puede ser construido con polos lisos o salientes dependiendo de las caractersticas constructivas del motor y de su aplicacin. El rotor completo est formado por la estructura que compone o soporta los polos, los devanados de campo y la jaula de arranque, que son las partes activas giratorias del motor sncrono. Los polos del campo son magnetizados a travs de la corriente CC de la excitatriz o directamente por anillos recolectores y escobillas. En funcionamiento, los polos se alinean magnticamente por el entrehierro y giran en sincronismo con el campo giratorio del estator. Los ejes son fabricados en acero forjado y mecanizados segn las especificaciones. La punta de eje normalmente es cilndrica o bridada.

Cojinetes:En funcin de la aplicacin, los motores sincrnicos pueden ser suministrados con cojinetes de rodamiento o cojinetes de deslizamiento.

Cojinetes de rodamiento: Estos cojinetes estn normalmente constituidos por rodamiento de esferas o de rodillos cilndricos, dependiendo de la rotacin y de los esfuerzos axiales y radiales a los que son sometidos, en algunas aplicaciones pueden ser utilizados rodamientos especiales. Los cojinetes de rodamientos pueden ser lubricados con aceite o grasa.

Cojinetes de deslizamiento:Los cojinetes de deslizamiento pueden tener lubricacin natural (auto-lubricables) o lubricacin forzada (lubricacin externa).

TIPOS DE EXCITACIN

Los motores sincrnicos necesitan de una fuente de corriente continua para alimentar el devanado de campo (devanado del rotor), que usualmente es abastecido a travs de una excitatriz giratoria sin escobillas (brushless) o a travs de anillos recolectores y escobillas (excitatriz esttica).

Excitatriz brushless (sin escobillas) Los motores sincrnicos con sistema de excitacin brushless poseen una excitatriz giratoria, normalmente localizada en un compartimiento ubicado en la parte trasera del motor. Dependiendo de la operacin del motor, la excitatriz es construida con: Excitatriz con alimentacin de corriente continua en el estator o Excitatriz con alimentacin de corriente alterna en el estator El rotor de la excitatriz alimenta el devanado de la excitacin del motor, a travs de un puente rectificador trifsico giratorio.

Excitatriz esttica (con escobillas) Motores sincrnicos con excitatriz del tipo esttica estn constituidos por anillos recolectores y escobillas que posibilitan la alimentacin de corriente de los polos del rotor, a travs de contacto deslizante. La corriente continua para alimentacin de los polos debe ser proveniente de un convertidor y controlador esttico CA/CC. Los motores sincrnicos con excitatriz esttica son ms utilizados en aplicaciones con variacin de velocidad a travs de convertidores de frecuencia.

ASESORIOS

Los motores sincrnicos son suministrados con los accesorios estndar necesarios para su correcto funcionamiento y monitoreo. En cuanto a la especificacin del motor, es importante informar los accesorios especiales deseados, para que sean incluidos en el proyecto y fabricacin del motor.

Accesorios estndar

Sensores de temperatura tipo Pt-100 en los devanados del estator Sensores de temperatura tipo Pt-100 en los cojinetes Resistencia de calentamiento Escobilla para puesta a tierra del eje en motores accionados por convertidores de frecuencia

Accesorios especiales

Condensadores para proteccin contra sobretensin Pararrayos para proteccin contra sobretensin Transformadores de corriente (TC) para proteccin diferencial Sensores de vibracin Indicador de posicin del eje (encoder) Dispositivo para izamiento del motor Sensores de temperatura para entrada y salida de aire Indicador de prdida de agua Flujostato para agua Flujostato para aceite Visor de flujo de aceite Visor de flujo de agua Unidad hidrulica para lubricacin de los cojinetes Sistema para inyeccin de aceite sobre presin para arranque y parada del motor (hydrostatic jacking) Termmetro para aceite (cojinetes) Termmetro para agua (intercambiador de calor) Termmetro para aire (ventilacin) g Placa de anclaje Dispositivo de presurizacin (motores Ex-p) Condensadores para lectura de descargas parciales Indicador de centro magntico

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES C.A SINCRONO

Como se pude observar en la figura 2.1 al alimentar el estator mediante un sistema trifsico de corriente alterna se genera el estator un campo magntico giratorio, cuya velocidad est dada por la siguiente ecuacin:

Donde f es la frecuencia de la red, y P es el nmero de polos del rotor. Si en esta circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magntico rotorico fijo, delante del cual pasa el campo magntico del estator. Los polos del rotor estn 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 vibrara. Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, haciendo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magntico que les obliga a seguir girando junto, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este acople magntico se produce ya que el campo giratorio estatorico arrastra por atraccin magntica al rotor en el mismo sentido y velocidad. El principio bsico de operacin del motor sncrono es que el rotor persigue el campo magntico giratorio del estator alrededor de un crculo sin emparejarse del todo con dicho campo magntico.

ECUACIONES FUNDAMENTALES EN UN MOTOR C.A. SINCRONO

Corriente de sincronizacin en la armadura:

Voltaje resultante:La ecuacion (2.3) se determiena mediante el triangulo de la figura (2.2):

3.2 ANALISIS DE LAS FORMAS DE ARRANQUE DEL MOTOR TRIFASICO

Mtodos de Arranque. Como fue mencionado antes, cuando el motor esta detenido y se le conecta a la red, este vibrara fuertemente y se sobrecalentara. Existen por lo tanto varios mtodos para arrancarlo de una manera segura. A continuacin se describirn los tres mtodos mas utilizados y finalmente se mostrara un circuito para el arranque automtico. Los mtodos son los siguientes.Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctrica.

Arranque con un motor primario externo.

Arranque con devanados de amortiguamiento.

Arranque automtico.

11.1. Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctrica.Si los campos magnticos del estator en un motor sncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habr ningn problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magntico del estator. Entonces, se puede incrementar la velocidad de los campos magnticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominar de 50 Hz. Para esto pueden utilizar accionadores de estado solido como ciclo convertidores.

Arranque con un motor primario externo.Para llevar al motor a su velocidad sncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. Una vez alcanzada esta velocidad, se conecta la maquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho mas pequeo que el motor que arranca ya que solo debe supera la inercia de la maquina sncrona en vaco.

Arranque con devanados de amortiguamiento.Este es el mtodo ms popular de arranque. Recibe el nombre de devanado amortiguador por que reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las maquinas, como son:

Acoplamiento a la red.

Vibraciones bruscas de carga elctrica o mecnica, etc. Los devanados de amortiguamiento son barras especiales dispuestas en ranuras hechas en la cara del rotor en un motor y en cortocircuito en cada extremo con un anillo, como se muestra en la figura 10. Creando as un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrnico trifsico.

Arranque Automtico.Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automtica, como se muestra en la figura 8. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor. En el instante de arranque el rotor tiene la frecuencia de la red (alta frecuencia). En el circuito der rotor, que alimenta la resistencia de arranque, para que esta absorba la tensin elevada de las bobinas de los polos, aparece una diferencia de potencia a los bornes de la reactancia. Esta diferencia de potencial alimenta una bobina del rel polarizado, que mantiene abierto los contactos del mismo. La maquina arranca como motor asncrono debido a la jaula de ardilla que poseen los polo del rotor. A medida que aumenta la velocidad, la frecuencia del rotor disminuye, por consiguiente disminuye la diferencia de potencia a los bornes de la reactancia hasta que esta no puede mantener le yugo del rel, ya cercana a la velocidad de sincronismo, y cierra los contacte de l. Al cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en sincronismo.