Motor Síncrono
Generalidades •
El motor síncrono es el único tipo de motor trifásico de c.a. que opera a velocidad constante desde sin carga hasta plena carga.
•
Se parece en su construcción a un generador trifásico de c.a. en que tiene un campo giratorio que debe excitarse por separado mediante una fuente de c.d.
•
Cambiando la corriente de excitación del campo puede variarse el factor de potencia ya sea de adelanto o atraso de este motor.
•
Se emplea mucho en la industria por su alta eficiencia y para mejorar el factor de potencia en los circuitos trifásicos.
Generalidades •
El motor síncrono es el único tipo de motor trifásico de c.a. que opera a velocidad constante desde sin carga hasta plena carga.
•
Se parece en su construcción a un generador trifásico de c.a. en que tiene un campo giratorio que debe excitarse por separado mediante una fuente de c.d.
•
Cambiando la corriente de excitación del campo puede variarse el factor de potencia ya sea de adelanto o atraso de este motor.
•
Se emplea mucho en la industria por su alta eficiencia y para mejorar el factor de potencia en los circuitos trifásicos.
• Debido
a la posibilidad de variación de la excitación de campo, el motor síncrono de ca posee una característica que ningún otro motor tiene: que el factor de potencia al cual funciona se puede variar a voluntad.
• Algunos no tienen arranque propio inherente, ya
que se debe acelerar hasta su velocidad mediante algún método auxiliar y conectar entonces a la línea. Para evitar esto se emplean devanados amortiguadores en la fabricación de los rotores, dicho devanado es una jaula de ardilla sobre las caras polares con lo cual ya tiene arranque propio propio como el motor de inducción.
Ventajas contra el motor de inducción 1. Los motores síncronos se pueden emplear para la corrección del factor de potencia. 2. Son más eficientes, cuando se trabajan a factor de potencia unidad, que los motores de inducción de potencia y voltaje nominales correspondientes. 3. Pueden ser más baratos para la misma potencia, velocidad y voltaje nominales.
Construcción •
Un núcleo laminado del estator con devanado trifásico de armadura.
•
Campo giratorio completo con devanado amortiguador y anillos colectores.
•
Escobillas y porta escobillas.
•
Tapas en los extremos en forma de escudos, en las que se alojan los cojinetes en que se apoya la flecha del motor,
Principios de funcionamiento • Cuando se aplica el voltaje trifásico a los devanados
del estator se genera un campo magnético giratorio que se mueve a velocidad sincrónica.
• El
campo magnético generado por los devanados del estator, moviéndose a la velocidad síncrona, corta el devanado amortiguador o en jaula de ardilla del rotor e induce voltajes y corrientes en las barras de este devanado.
• El campo magnético resultante en el devanado en
jaula de ardilla, que está dentro de los polos del campo del rotor, reacciona con el campo del estator de manera que hace girar al rotor.
Excitación de corriente continua del campo
• En la mayor parte de las instalaciones de motores
síncronos se obtiene la c.d. para el campo de un circuito excitador de c.d. que pueda suministrar la excitación del campo a varias máquinas de c.a.
• Algunos motores síncronos tienen un generador de c.d. acoplado directamente a la flecha del motor.
• En
otras instalaciones se obtiene la c.d. de excitación por medio de rectificadores electrónicos.
Arranque
•Los motores síncronos nunca se arrancan con el circuito de c.d. excitado porque el campo, que gira rápidamente, produce un par alterno en los polos del rotor estacionario.
•El método más común de arrancarlo es
conectar el devanado de su campo (del rotor) a un resistor de descarga del campo para evitar los riegos que produce el alto voltaje inducido en dicho devanado en el momento del arranque.
•
El rotor aumentará su velocidad hasta un punto ligeramente inferior al de la velocidad síncrona del campo del estator y se desconecta la resistencia de descarga de campo.
•
El circuito del campo se excita ahora con una fuente de c.d. y en los núcleos del campo del rotor se generan polos magnéticos de polaridad fija.
•
Los polos magnéticos fijos del rotor son atraídos por los polos contrarios del campo giratorio del estator.
•
La velocidad del rotor es, entonces, la misma que la del campo del estator, que es la velocidad síncrona.
Funcionamiento después del arran ue • Durante el período transitorio, cuando el motor está alcanzando su velocidad como motor de inducción, una corriente de armadura fluye en su devanado de estator.
• Esa corriente está limitada esencialmente por el voltaje que se induce y por la corriente que pasa en las barras del devanado amortiguador en el rotor por acción del transformador.
• Sin embargo, una vez energizado el campo con c.d. y estando el rotor asegurado en su sincronismo, el flujo en el rotor induce un voltaje de c.a. en los conductores del estator.
• Ya
que el motor síncrono está en paralelo con la barra de distribución, la corriente que toma el motor como resultado de la acción de motor es una corriente de sincronización, y se necesita potencia de sincronización para mantener a su rotor en sincronismo con la frecuencia de rotación del flujo en el estator.
• La relación fasorial se resume en la siguiente figura: Er Egp α
θ
Ia
Vp
Relación entre el voltaje generado E gp en un motor síncrono y el voltaje de barras V p después de la sincronización.
El voltaje generado E gp aparece igual al voltaje de barras V p , tal como se ajustaría en el momento de la sincronización con la barra, pero está desplazado de la posición de 180º un ángulo α como resultado de la potencia de sincronización que se recibe.
A pesar del hecho de que el voltaje generado E gp es igual al voltaje de barras, se debe notar que la corriente de armadura en el motor y la corriente de sincronización Ia es producto del voltaje resultante Er .
La corriente Ia se obtiene mediante la siguiente ecuación
I a =
V p − E gp Ra + jX sa
=
E r Z p
Ia= corriente de armadura por fase, consumida por el motor síncrono de la barra de distribución V p= El voltaje de fase aplicado a la armadura de estator del motor síncrono E gp= El voltaje que se genera en los conductores de la armadura, por fase. Er = Es la diferencia fasorial entre el voltaje aplicado a la armadura y el voltaje generado por fase Z p= Es la impedancia por fase, que consta de Ra y X sa Ra= Resistencia efectiva de armadura por fase, del estator del motor. X sa= Es la reactancia síncrona de armadura por fase
•
En la operación en vacío el rotor gira a una velocidad síncrona constante con un retraso fijo de posición de fase, α, entre el centro de un polo N del rotor y el centro del polo S opuesto en el campo rotatorio del estator.
•
Se debe hacer notar que el ángulo α de retraso de par sin carga entre el campo rotatorio y los polos del rotor representa unos pocos grados eléctricos. En número de grados mecánicos, β, es igual o aun menor que α y la relación entre ellos es:
=
2 P
en la cual P es el número de polos y α es el ángulo del par en grados eléctricos.
•
El cálculo de Er para determinados valores de ángulo α, del voltaje de excitación y del voltaje aplicado de fase de una dínamo síncrona de ca dada se puede hacer mediante la figura siguiente y la ecuación: Er = (V p - E gp cosα)+ j(E gp senα) en la cual α es el ángulo del par y todos los demás términos son los definidos en la ecuación Er
Egp Determinación del voltaje resultante, generado de armadura, por fase
Egp sen α
δ
α Vp - Egp cos α Egp cos α
Vp
Ejemplo 1
a. b. c. d. e.
Un motor síncrono trifásico conectado en estrella, de 20 polos, 40 h.p., 660 V, 60 Hz, está trabajando sin carga y su voltaje generado por fase es exactamente igual al voltaje de fase que se aplica a su armadura. Sin carga, el rotor está retrasado 0.5º mecánicos con respecto a su posición síncrona. La reactancia síncrona es de 10 Ω, y la resistencia efectiva de armadura es 1Ω por fase. Calcular: El desplazamiento del rotor con respecto a la posición síncrona en grados eléctricos. La FEM Er resultante a través de la armadura por fase. La corriente de armadura Ia por fase. La potencia por fase y la potencia total que toma el motor de la barra. La pérdida de potencia en la armadura y los hp internos que se desarrollan sin carga.
solución 0.5 20 5º 2 2
a) P
c) Z s
b)V p E gp E r
660
3
3
381V
381V
(V P
jX s
1.0 j 10
E r Z s
33.2 87.5ºV 10.05 84.3º
3.31 3.2ºA/fas
d) P p V p I a cos (381 3.31)cos3.2º 1259W/fase Pr 3P p 3 1259 3777W
E gp cos ) j ( E gp sen )
(381 381cos5º) j ( 381sen5 º ) 1.45
10.0584.3º/fase I a
V L
Ra
j 33.2
33.2 87.5ºV/fase
e)
3 2
I 2a Ra
Pd
3 2
2
(3.31) 1.0
3777 16.42W 746W/hp
16.42W
5hp
Efecto del aumento de carga a excitación normal •
Suponiendo que la excitación del campo sea normal y no varíe (Egp Vp), ¿cuál es el efecto de aplicar una carga al eje del motor sobre la corriente de armadura y el factor de potencia? ≅
•
La velocidad de un motor síncrono no puede disminuir debido a la mayor carga; pero el ángulo α del par aumenta.
•
A plena carga, el desplazamiento mecánico nunca es mayor de 4º a 5º.
•
En la siguiente figura se muestran los efectos que provocan los aumentos de carga a un motor síncrono con excitación normal.
Efecto de la carga sobre la posición del rotor β β conductor
conductor
S
S
Movimiento
Par
N
Sin carga
Movimiento
Par
N
Con carga
Ejemplo 2
Repetir el ejemplo 1 con un ángulo de desplazamiento mecánico de 5º entre el rotor y su posición síncrona cero.
solución c) I a
E r Z s
322 65ºV 10.05 84.3º
32 19.3ºA / fase
5 a) P 20 50º 2 2 d) P p V p I a cos (381 32)cos19.3º 11507W/fase Pr 3P p 3 11507 34520W
b)E r
(V P
E gp cos ) j ( E gp sen )
e) P L
(381 381cos50º) j (381sen50º )
136.1 j 291.9
322 65ºV/fase
Pd
3
2
I a Ra
3
(32)2
2 2 34520 1536W 746W/hp
1.0 1536W
44.21hp
Efecto del aumento de carga en condiciones de subexcitación
•
No se puede generalizar acerca del efecto de la carga sobre un motor síncrono, a menos que la carga se estudie en condiciones de subexcitación, excitación normal y sobreexcitación. El siguiente diagrama vectorial muestra tres condiciones de carga, cuando deliberadamente se subexcita, E gp < V p.
Er3
Egp
Er2
Egp Egp
α3 α1
Er1
α2 θ3
Vp θ2 θ1
Ia1
Ia2
Ia3
Efecto del aumento de carga en condiciones de sobreexcitación • •
Cuando está sobreexcitado, Egp es mayor que Vp.
•
Esto sucede debido a que la FEM generada y el voltaje de la fuente no están 180º fuera de fase y que E r, el voltaje resultante, sigue representando la diferencia fasorial de los dos voltajes.
Un motor síncrono es capaz de generar un voltaje mayor que su voltaje de alimentación y seguir tomando corriente y potencia de la fuente.
Er3 Ia1
Egp
Er2 θ1
Egp α3 Egp
Ia2
α2 α1
Er1
Ia3 θ2 θ3
Vp
Resumen del efecto del aumento de carga (sin tomar en cuenta la reacción de armadura) en condiciones de excitación constante 1. A medida que aumenta la carga mecánica, la corriente de armadura Ia aumenta independientemente de la excitación. 2. Cuando el motor síncrono está sobre o subexcitado, su factor de potencia tiende a alcanzar a la unidad con un aumento de carga. 3. Cuando el motor está sobre o subexcitado, el cambio en el factor de potencia es mayor que el cambio en la corriente al aplicar la carga. 4. Sin embargo, cuando el motor está excitado normalmente, el cambio en la corriente es mayor que el cambio en el factor de potencia a medida que aumenta la carga, y el factor de potencia tiende a retrasarse cada vez más.
Efectos de la reacción de armadura 1. Un motor síncrono sobreexcitado tomará una corriente en adelanto de la barra de distribución, produciéndose un efecto desmagnetizante como resultado de la reacción de armadura. 2. Un motor síncrono subexcitado tomará de la barra una corriente en retraso y de magnetización. En las figuras 8-14 y 8-15 se resumen los efectos que tiene la reacción de armadura en el caso de subexcitación y sobreexcitación con distintos tipos de carga.
Ajuste del factor de potencia con carga constante A continuación se da el resumen de este efecto en el siguiente diagrama vectorial a. Efecto de excitación normal (factor de potencia unidad) b. E f e c t o d e e x c i t a c i ó n d i s m i n u i d a o subexcitación c. Efecto del aument o de excit ación o sobreexcitación.
Er Egp1
α1 0
Vp
Ia
a) Excitación normal a carga constante
Er2
Egp2
α2
Egp1
Er1
α1
Vp
Ia
0
b) Excitación disminuida a carga constante
Ia2 Ia1
Ia2
Egp1 Er2 Egp2
Er1
Ia1
α2 α1 0
c) Excitación aumentada a carga constante
Ia
Vp
Ejemplo 3 Una línea de alimentación trifásica de 220 V abastece a dos motores. Uno de los motores es de inducción, trifásico, de rotor devanado, que consume 40 A con un factor de potencia de 81% de retraso. El otro motor es síncrono, que consume 30 A con un factor de potencia de 65% de adelanto. Determinar: 1. Los watts, los voltampéres y voltampéres vars de retraso en el motor de inducción de rotor devanado. 2. Los watts, los voltampéres y vars de adelanto en el motor síncrono. 3. La carga total en kw suministrada a los dos motores. 4. El factor de potencia del circuito trifásico de alimentación. 5. La corriente en la línea del circuito de alimentación trifásico
