MAQUINAS SINCRONICAS

INTRODUCCIÓN •Alimentación: Estator con C.A., rotor con CC. •Uso en altas potencias, generadores, en bajas o altas revoluciones •La velocidad del eje depende de la frecuencia de alimentación y el número de polos. •Controlando la alimentación del rotor, la máquina puede operar absorbiendo o inyectando reactivos a la red (reactor o condensador síncrono, respectivamente). Esto se podría usar para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS CARACTERÍSTICAS DE ESTATOR De características muy similares al estator de la máquina de inducción

CARACTERÍSTICAS DE ROTOR Tres tipos: 1. De imanes permanentes: • Evita el uso de anillos rozantes para alimentar al rotor. • No se aplica a altas potencias. • No se puede controlar el flujo magnético del rotor.

LOS ROTORES CON ENROLLADOS DE EXCITACIÓN SON: 3. Rotor cilíndrico: De geometría simétrica. Inductancias mutuas del rotor y estator son constantes. 4. Rotor de polos salientes: De geometría asimétrica. Inductancias complejas de modelar.

MOTORES SÍNCRONOS Estos motores son llamados así, debido a que la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales, funcionan a la velocidad de sincronismo, sin deslizamiento. Por consiguiente, la velocidad de rotación está asociada con la frecuencia de la fuente. Como la frecuencia es fija, la velocidad del motor permanece constante, independientemente de la carga o voltaje de la línea trifásica. Los motores síncronos son utilizados en máquinas de gran tamaño que tienen una carga variable y necesitan de una velocidad constante, también existen motores síncronos monofásicos de tamaño pequeño utilizados en control y relojes eléctricos.

CONSTRUCCIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO. Los motores síncronos tienen las siguientes características: Tienen un estator de trifásico similar al de un motor de inducción. Son usados por lo general en instalaciones de voltajes medianos. Tienen un rotor bobinado (campo rotatorio) que tiene el mismo número de polos que el estator, el cual es excitado por medio de una fuente externa de corriente continua. El rotor puede ser de polos lisos o polos salientes. Arranca como un motor de inducción. El motor síncrono tiene también un devanado tipo jaula de ardilla conocido como devanado amortiguador que sirve para producir la fuerza de torsión para el arranque del motor. Los motores síncronos funcionan como se mencionó anteriormente a la velocidad de sincronismo de acuerdo con la fórmula:

n = (120 x frecuencia)/Número de polos

En la figura se pueden apreciar otras partes del motor como son los anillos rozantes y los rodamientos

De acuerdo con la figura, un generador trifásico relativamente pequeño, llamado excitador, y un rectificador trifásico van montados en un extremo del eje del motor. La corriente directa Ix del rectificador es alimentada directamente a los devanados de polos salientes, sin pasar a través de las escobillas y anillos colectores. La corriente se puede variar controlando la pequeña corriente de excitación Ic que fluye en el devanado de campo estacionario del excitador

ARRANQUE DE UN MOTOR SÍNCRONO Un motor síncrono no puede arrancar por sí mismo; en consecuencia, el rotor casi siempre está equipado con un devanado de jaula de ardilla para que pueda arrancar como motor de inducción. Cuando el estator se conecta a la línea trifásica, el motor acelera hasta que alcanza una velocidad un poco por debajo de la velocidad síncrona. La excitación de cd se suprime durante este periodo de arranque. Mientras el rotor se acelera, el flujo rotatorio creado por el estator pasa frente a los polos salientes que se mueven lentamente. Como las bobinas en el rotor poseen un número relativamente grande de vueltas, se induce un alto voltaje en el devanado del rotor cuando gira a bajas velocidades. Este voltaje aparece entre Los anillos colectores y disminuye conforme el rotor se acelera, hasta volverse insignificante cuando el rotor se aproxima a la velocidad síncrona. Para 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 auxiliar durante el periodo de arranque.

PAR O MOMENTO DE TORSIÓN DE AJUSTE A SINCRONISMO En cuanto el motor está funcionando cerca de la velocidad síncrona, el rotor es excitado con la corriente directa. Esto produce polos N y S alternos alrededor de la circunferencia del rotor. Si en este instante los polos quedan frente a polos de polaridad opuesta en el estator, se crea una fuerte atracción magnética entre ellos. Esta atracción mutua mantiene juntos los polos del rotor y del estator, y el rotor es literalmente obligado a sincronizarse con el campo rotatorio. Por ello, el momento de torsión desarrollado en este instante se llama momento de torsión de ajuste a sincronismo.

El par o momento de torsión de ajuste a sincronismo de un motor síncrono es poderoso, pero la corriente directa se debe aplicar en el instante correcto. Por ejemplo, si los polos emergentes N, S del rotor están opuestos a los polos N, S del estator, la repulsión magnética resultante producirá un violento choque mecánico. El motor se desacelerará de inmediato y los cortacircuitos se activarán. En la práctica, los arrancadores de motores síncronos están diseñados para detectar el instante preciso en que se deberá aplicar la excitación. Entonces el motor se acelera automáticamente y se sincroniza con el campo rotatorio. Básicamente, un motor síncrono gira a causa de la atracción magnética entre los polos del rotor y los polos opuestos del estator. Para invertir la dirección de rotación, simplemente se intercambian dos líneas cualesquiera conectadas al estator.

MOTOR BAJO 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.

Si la carga mecánica excede el par o momento de torsión crítico o límite del motor, los polos del rotor se apartan repentinamente de los polos del estator y el motor se detiene. Un motor que se desincroniza crea una perturbación importante en la línea, por lo que se activan de inmediato los cortacircuitos. Esto protege el motor porque tanto el devanado de jaula de ardilla como el del estator se sobrecalientan rápidamente y la máquina deja de funcionar a velocidad síncrona. El ángulo mecánico entre los polos del rotor y del estator tiene una relación directa con la corriente del estator. Conforme se incrementa el ángulo, la corriente aumenta. La fmm de los polos del rotor depende de la excitación de cd Ix, mientras que la del estator depende de la corriente alterna que fluye en los devanados. El par o momento de torsión crítico generalmente es 1.5 a 2.5 veces el par o momento de torsión nominal a plena carga.

El circuito equivalente mostrado en la figura, representa una fase de un motor conectado en Y. El flujo Ø creado por el rotor induce un voltaje Eo en el estator.

Este flujo depende de la corriente directa de excitación Ix. Por consiguiente, Eo varía con la excitación. Los polos del rotor y del estator están alineados sin carga. En estas condiciones, el voltaje Eo inducido está en fase con el voltaje E de línea a neutro. Si además ajustamos la excitación para que Eo = E, el motor “flota” en la línea y la corriente de línea es prácticamente cero. De hecho, la única corriente necesaria es para compensar las pérdidas por fricción en los cojinetes y fricción del aire en el motor, y por lo tanto es insignificante.

POTENCIA Y PAR O MOMENTO DE TORSIÓN

Cuando un motor síncrono opera bajo carga, absorbe potencia activa de la línea. La potencia está dada por la ecuación: la potencia activa absorbida por el motor depende del voltaje de suministro E, del voltaje de excitación Eo y del ángulo de fase entre ellos. Si omitimos las pérdidas relativamente pequeñas en el hierro y eléctricas I2R en el estator, toda la potencia se transmite al rotor a través del entrehierro. Esto es similar a la potencia Pr transmitida a través del entrehierro de un motor de inducción. Sin embargo, en un motor síncrono, las pérdidas eléctricas I2R en el rotor son compensadas completamente por la fuente de cd. En consecuencia, toda la potencia transmitida a través del entrehierro está disponible en forma de potencia mecánica. Así, la potencia mecánica desarrollada por un motor síncrono se expresa mediante la ecuación:

Esta ecuación indica que la potencia mecánica se incrementa con el ángulo del par o momento de torsión y su valor máximo se alcanza cuando es de 90°. Los polos del rotor están entonces a la mitad entre los polos N y S del estator. La potencia pico Pmáx (por fase) está dada por:

En lo concerniente al par o momento de torsión, es directamente proporcional a la potencia mecánica porque la velocidad del rotor es fija. El par o momento de torsión se obtiene con la ecuación:

El par o momento de torsión máximo que el motor puede desarrollar se llama momento de torsión crítico o límite. Ocurre cuando

PAR O MOMENTO DE TORSIÓN DE RELUCTANCIA Si se reduce gradualmente la excitación de un motor síncrono cuando está funcionando sin carga, el motor continúa funcionando a velocidad síncrona aun cuando la corriente de excitación sea cero. La razón es que el flujo producido por el estator cruza el corto entrehierro entre los polos salientes y el estator en lugar de hacerlo por el entrehierro mucho más largo entre los polos. En otras palabras, como la reluctancia del circuito magnético es menor en el eje de los polos salientes, el flujo se concentra como se muestra en la figura. A causa de este fenómeno, el motor desarrolla un par o momento de torsión de reluctancia. Si se aplica una carga mecánica al eje, los polos del rotor se retrasarán con respecto a los del estator, y el flujo a través del estator tendrá la forma mostrada en la figura. Por lo tanto, se puede desarrollar un considerable momento de torsión de reluctancia sin ninguna excitación de cd.

El par o momento de torsión de reluctancia llega a ser cero cuando los polos del rotor están a la mitad entre los polos del estator. La razón es que los polos N y S del estator atraen a los polos salientes en direcciones opuestas como se observa en al figura. Por consiguiente, el momento de torsión de reluctancia es cero precisamente en el ángulo con el que el par o momento de torsión regular T alcanza su valor máximo, o sea con δ = 90°.

EXCITACIÓN Y POTENCIA REACTIVA Considere un motor síncrono conectado en Y a una fuente trifásica cuyo voltaje de línea EL es fijo. Las corrientes de línea I producen una fuerza magnetomotriz Ua en el estator. Por otra parte, el rotor produce una fuerza magnetomotriz de cd, Ur . Así, el flujo total Φ es creado por la

acción combinada de Ua y Ur . El flujo Φ induce un voltaje Ea de línea a neutro en el estator. Si omitimos la pequeñísima caída IR en el estator, entonces Ea = E. Sin embargo, como E es fijo, Φ también lo es, como en el caso de un transformador. La fmm requerida para crear el flujo constante Φ puede ser producida por el estator o por el rotor o por ambos. Si la corriente de excitación Ix del rotor es cero, todo el flujo tiene que ser producido por el estator, que debe absorber una potencia reactiva considerable de la línea trifásica. Pero si excitamos el rotor con una corriente directa Ix ,la fmm del rotor ayuda a producir una parte del flujo Φ, y se absorbe menos potencia reactiva de la línea de ca. Si elevamos gradualmente la excitación, con el tiempo el rotor producirá por sí mismo todo el flujo requerido. El estator ya no absorberá más potencia reactiva, por lo que el factor de potencia del motor se volverá unitario (1.0).

¿Qué sucede si excitamos el motor por encima de su nivel crítico? En lugar de absorber potencia reactiva, el estator la suministra a la línea trifásica. El motor funciona entonces como una fuente de potencia Reactiva, justo como si fuera un capacitor. Por lo tanto, variando la excitación de cd podemos hacer que el motor absorba o suministre potencia reactiva. Debido a esta importante propiedad, los motores síncronos en ocasiones se utilizan para corregir el factor de potencia de una planta al mismo tiempo que proporcionan potencia mecánica a la carga que están impulsando.

17.11 TASA DE FACTOR DE POTENCIA La mayorías de los motores síncronos están diseñados para operar con un factor de potencia unitario. Sin embargo, si también tienen que suministrar potencia reactiva, en general se diseñan para operar con un factor de potencia a plena carga de 0.8 (adelantado). Un motor diseñado para un factor de potencia de 0.8 puede suministrar potencia reactiva igual a 75 por ciento de su carga mecánica nominal. Los motores diseñados para operar con factores de potencia adelantados son más grandes y más costosos que los motores de factor de potencia unitario. La razón es que para una capacidad de caballos de fuerza dada, tanto la corriente directa de excitación como la corriente del estator son más altas.

CURVAS V Suponga que un motor síncrono está operando con su carga mecánica nominal. Necesitamos examinar cómo funciona cuando la excitación es variada. Como un cambio en la excitación no afecta la velocidad, la Potencia mecánica permanece fija. Ajustemos primero la excitación Ix para que el factor de potencia sea unitario, y para obtener el diagrama fasorial mostrado en la figura. Supongamos que Ix = 100 A y P = 800 kW.

Si reducimos la excitación a 70 A, el motor absorberá potencia reactiva de la línea además de la potencia activa. Supongamos que S se incrementa a S = 1000 kVA. Como resultado, la corriente de línea se incrementará de Ip a Is1. Observe que el componente de Is1 en fase con Eab es igual que antes porque el motor continúa desarrollando la misma potencia mecánica. La corriente Is1 se retrasa con respecto a Eab, por lo que el factor de potencia se retrasa. La corriente de campo Ix en el rotor es más pequeña que antes, pero la potencia aparente S absorbida por el estator es mayor.

Si se incrementa la excitación a Ix = 200 A, el motor suministra potencia reactiva a la línea a la que está conectado. La potencia aparente es nuevamente mayor que en el caso de factor de potencia unitario. Se supone que S = 1000 kVA. La corriente de línea se vuelve Is2 y se adelanta a Eab. Sin embargo, el componente en fase de Is2 sigue siendo igual a Ip porque la potencia mecánica es la misma.

Variando la excitación de esta manera, podemos graficar la potencia aparente del motor síncrono como una función de la corriente directa de excitación. Esto da una curva en forma de V como se observa en la figura. La curva en V siempre se muestra para una carga mecánica fija. En este caso, la curva en V corresponde a plena carga. También se muestra la curva en V sin carga, para ilustrar la gran potencia reactiva que puede ser absorbida o suministrada con sólo cambiar la excitación.

FRENADO DE MOTORES SÍNCRONOS Debido a la inercia del rotor y su carga, un motor síncrono grande puede tardar varias horas en detenerse después de que se desconecta de la línea. Para reducir el tiempo, se utilizan los siguientes métodos de frenado: 1. Mantener toda la excitación de cd con la armadura en cortocircuito. 2. Mantener toda la excitación de cd con la armadura conectada a tres resistores externos. 3. Aplicar frenado mecánico. En los métodos 1 y 2, el motor se desacelera porque funciona como generador y disipa su energía en los elementos resistivos del circuito. Por lo general, el frenado mecánico se aplica sólo después de que el motor funciona a media velocidad o menos. Una velocidad baja evita el desgaste excesivo de las zapatas de freno.

EL MOTOR SÍNCRONO EN COMPARACIÓN CON EL MOTOR DE INDUCCIÓN

Los motores de inducción tienen propiedades excelentes para velocidades superiores a 600 r/min. Pero a bajas velocidades se tornan pesados y costosos, además de que su eficiencia y factores de potencia son relativamente bajos. Los motores síncronos son particularmente atractivos como impulsores de baja velocidad porque el factor de potencia siempre se puede ajustar a 1.0 y la eficiencia es alta. Aunque su construcción es más compleja, con frecuencia su peso y costo son menores que los de los motores de inducción de igual potencia y velocidad. Esto es particularmente cierto para velocidades inferiores a 300 r/min. Un motor síncrono puede mejorar el factor de potencia de una planta al mismo tiempo que soporta su carga nominal. Además, se puede hacer que su par o momento de torsión de arranque sea considerablemente más grande que el de un motor de inducción. La razón es que la resistencia del devanado de jaula de ardilla puede ser alta sin que se afecte la velocidad o la eficiencia a velocidad síncrona.

En la figura se comparan las propiedades de un motor de inducción de jaula de ardilla y un motor síncrono que tiene la misma capacidad nominal. La principal diferencia radica en el par o momento de torsión de arranque. Los convertidores electrónicos de alta potencia que generan frecuencias muy bajas nos permiten poner a funcionar motores síncronos a velocidades ultrabajas. Por lo tanto, los enormes motores en el rango de los 10MW impulsan trituradoras, hornos de secado rotatorios y molinos de bolas de velocidad variable.

Comparación entre la eficiencia (a) y el par o momento de torsión de arranque (b) de un motor de inducción de jaula de ardilla y un motor síncrono, ambos de 4000 hp, 1800 r/min, 6.9 kV y 60 Hz.

CAPACITOR SÍNCRONO Un capacitor síncrono es en esencia un motor síncrono que funciona sin carga. Su único propósito es absorber o suministrar potencia reactiva en un sistema trifásico para estabilizar el voltaje. La máquina actúa como un enorme capacitor (o inductor) trifásico cuya potencia reactiva se puede variar cambiando la excitación de cd. La mayoría de los capacitores síncronos tienen capacidades que van de 20 a 200 Mvar y muchos son enfriados por hidrógeno. Son arrancados como los motores síncronos. Sin embargo, si el sistema no puede suministrar la potencia de arranque requerida, se utiliza un motor pony (pequeño) para acelerarlos a la velocidad síncrona. Por ejemplo, en una instalación, un capacitor síncrono de 160 Mvar es arrancado y acelerado por medio de un motor de rotor devanado de 1270 kW.

EJERCICIO Un motor síncrono trifásico de 800 hp, 2.4 Kv y 60 Hz opera con un factor de potencia unitario. El voltaje de línea disminuye repentinamente a 1.8 kV, pero la corriente de excitación no cambia. Explique cómo se ven afectadas las cantidades siguientes: a. La velocidad del motor y la salida de potencia mecánica. b. El ángulo del par δ. c. La posición de los polos del rotor. d. El factor de potencia. e. La corriente del estator.