Motor Sincrono

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Motor Síncrono

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(3)

Generalidades

•

El motor síncrono es el único tipo de motor trifásicoEl 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 trifásicoSe 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 campoCambiando 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 ySe emplea mucho en la industria por su alta eﬁciencia y

para mejorar el factor de potencia en los circuitos

trifásicos.

(4)

•

Debido a la posibilidad de variación de laDebido a la posibilidad de variación de la

excitación de campo, el motor síncrono de ca

posee una característica que ningún otro motor

tiene:

tiene: que el que el factor de factor de potencia al potencia al cual funciona secual funciona se

puede

puede variarvariar a voluntad.a voluntad.

•

Algunos no tienen arranque propio inherente, yaAlgunos 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

caras polares con lo cual ya tiene arranque prtiene arranque propioopio

como el motor de inducción.

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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.

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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,

(7)

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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.

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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.

(10)

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.

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•

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.

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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.

(13)

•

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:

α θ

Egp

Er

Vp

Ia

Relación entre el voltaje generado E gp en un motor síncrono y

(14)

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

(15)

I _a

=

V p

−

E gp

R_a

+

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

(16)

•

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:

en la cual P es el número de polos y α es el ángulo del par en grados eléctricos.

 = 2

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•

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:

en la cual α es el ángulo del par y todos los demás términos son los deﬁnidos en la ecuación

Er = (V p - E gp cosα)+ j(E gp senα)

Egp α Vp - Egp cos α Egp sen α Er Vp Egp cos α δ

Determinación del voltaje resultante, generado de armadura, por fase

(18)

Ejemplo 1

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:

a. El desplazamiento del rotor con respecto a la posición síncrona en grados eléctricos.

b. La FEM Er resultante a través de la armadura por fase.

c. La corriente de armadura Ia por fase.

d. La potencia por fase y la potencia total que toma el motor de la barra.

e. La pérdida de potencia en la armadura y los hp internos que se desarrollan sin carga.

(19)

solución

a)  P  2      20 0.5 2      5º b)V _p  V L 3  660 3  _381V E_gp  _381V E_r  _(V

P  E gp cos) j ( E gpsen)

 ₍₃₈₁ _381cos5º) _j_{(381sen5 º )}  _1.45  _j_33.2  _33.2_{87.5ºV/fase} c) Z _s  R_a  jX _s 1.0  j 10 10.0584.3º/fase  I _a  E r Z _s  33.287.5ºV 10.0584.3º  3.313.2ºA/fas

d)P_p  V _p I _a cos  ₍₃₈₁ _{3.31)cos3.2º}

  1259W/fase P_r  3P_p _ 3₁₂₅₉  _3777W e)3 2  _I2 a Ra  3 2 _(3.31)2 _1.0 _16.42W P_d  377716.42W 746W/hp  5hp

(20)

Efecto del aumento de carga a

excitación normal

•

Suponiendo que la excitación del campo sea normal y no varíe (Egp ≅V_p), ¿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.

(21)

Efecto de la carga sobre la

posición del rotor

S β conductor Movimiento N Par Sin carga S β conductor Movimiento N Par Con carga

(22)

Ejemplo 2

Repetir el ejemplo 1 con un ángulo de

desplazamiento mecánico de 5º entre el

rotor y su posición síncrona cero.

(23)

solución

a)  P  2      20 5 2      50º b)E_r  (V

P  E gp cos) j ( E gpsen)

 (381 381cos50º) j (381sen50º ) 136.1 j 291.9  32265ºV/fase c) I _a  E r Z _s  322_65ºV 10.05_84.3º_  32 19.3ºA / fase

d)P_p  V _p I _a cos  ₍₃₈₁ _32)cos19.3º

 11507W/fase P_r  3P_p  3₁₁₅₀₇  _34520W e)P_L  3 2 I 2 a Ra  3 2  (32) 2 1.0 1536W P_d  34520 1536W 746W/hp  44.21hp

(24)

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

.

(25)

θ₃ θ₂ θ₁ E_r1 E_r2 E_r3 E_gp E_gp E_gp α₁ α2 α₃ I_a3 I_a2 I_a1 V_p

(26)

Efecto del aumento de carga en

condiciones de sobreexcitación

•

Cuando está sobreexcitado, Egp es mayor que Vp.

•

Un motor síncrono es capaz de generar un voltaje mayor que su voltaje de alimentación y seguir tomando corriente y potencia de la fuente.

•

Esto sucede debido a que la FEM generada y el voltaje de la fuente no están 180º fuera de fase y que Er, el voltaje

resultante, sigue representando la diferencia fasorial de los dos voltajes.

(27)

θ₃ θ₂ θ₁ E_r1 E_r2 E_r3 E_gp E_gp E_gp α₁ α₂ α₃ I_a3 I_a2 I_a1 V_p

(28)

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.

(29)

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.

(30)

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.

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E_r E_gp1 α₁ I_a Vp E_r1 E_r2 E_gp2 E_gp1 α₁ α₂ I_a2 I_a1 V_p E_r1 E_r2 E_gp1 E_gp2 α₁ α₂ I_a2 I_a1 V_p I_a I_a 0 0 0

a) Excitación normal a carga constante

b) Excitación disminuida a carga constante

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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