motor sincrónico

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INACAP RENCA Máquinas Eléctricas MOTOR SINCRONICO En el tema anterior se estudió la máquina sincrónica considerándola desde el punto de vista de su trabajo como máquina generadora de C.A. En este tema se tratará su comportamiento como motor. En general, éste tipo de motor, cuya principal característica es la de tener una velocidad constante , se utiliza cuando se precisan bajas velocidades, elevado torque y cuando se tiene un alto factor de potencia inductivo. Usualmente son más eficientes que los motores de inducción a potencias similares y operan a factor de potencia más ventajoso. Con poca carga en su eje o aún mejor en vacío, al estar sobreexcitados absorben de la red una corriente en adelanto (capacitiva), esto hace que se les utilice para mejorar el factor de potencia o regular la tensión de la red, siendo entonces conocidos como “ Condensadores Sincrónicos . La contrapartida del generador sincrónico es el motor sincrónico. En éste caso el devanado inducido (Estator) se alimenta con C.A. 3 y el inductor (Rotor) se alimenta con C.C. pudiendo entonces obtenerse potencia mecánica en el eje del motor. El campo magnético producido por la corriente del estator gira a velocidad de sincronismo. Para que el par electromagnético se mantenga constante es necesario que los campos del rotor y del estator sean de amplitud uniforme y el movimiento relativo de uno con respecto al otro sea nulo. En un motor sincrónico su velocidad está fijada por el n° de polos y por la frecuencia de la red de alimentación: Prof. Guido Maldonado 1

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Caracteristicas, funcionamiento, aplicaciones y ejercicios planteados.

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Page 1: Motor Sincrónico

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MOTOR SINCRONICO

En el tema anterior se estudió la máquina sincrónica considerándola desde el punto de vista de su trabajo como máquina generadora de C.A. En este tema se tratará su comportamiento como motor.

En general, éste tipo de motor, cuya principal característica es la de tener una velocidad constante, se utiliza cuando se precisan bajas velocidades, elevado torque y cuando se tiene un alto factor de potencia inductivo. Usualmente son más eficientes que los motores de inducción a potencias similares y operan a factor de potencia más ventajoso.

Con poca carga en su eje o aún mejor en vacío, al estar sobreexcitados absorben de la red una corriente en adelanto (capacitiva), esto hace que se les utilice para mejorar el factor de potencia o regular la tensión de la red, siendo entonces conocidos como “ Condensadores Sincrónicos ” .

La contrapartida del generador sincrónico es el motor sincrónico. En éste caso el devanado inducido (Estator) se alimenta con C.A. 3 y el inductor (Rotor) se alimenta con C.C. pudiendo entonces obtenerse potencia mecánica en el eje del motor.

El campo magnético producido por la corriente del estator gira a velocidad de sincronismo. Para que el par electromagnético se mantenga constante es necesario que los campos del rotor y del estator sean de amplitud uniforme y el movimiento relativo de uno con respecto al otro sea nulo.

En un motor sincrónico su velocidad está fijada por el n° de polos y por la frecuencia de la red de alimentación:

ns = Velocidad de sincronismo

Por consiguiente, un motor síncrono alimentado por una C.A. de frecuencia constante girará a una velocidad también constante.

Campo Magnético Giratorio

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El C.M.G. se produce debido a que los devanados del estator están distribuidos de modo que quedan desplazados 120° geométricos. Además, como en todo instante el campo magnético producido por cada una de las fases en particular, depende de la intensidad de la corriente en esta fase, entonces si la I es 0, el campo magnético también será 0 y si la I es máxima, el campo magnético también lo será. Como las intensidades de los tres devanados tienen una diferencia de fase de 120°, los campos magnéticos producidos por ellas tendrán también una diferencia de fase de 120°. Ahora bien, los tres campos magnéticos producidos por cada uno de los devanados se combinan en todo instante para producir un solo C.M.G.

Principio de funcionamiento del motor sincrónico

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Cuando se alimenta el estator con una tensión alterna 3 se establece en éste un C.M.G. Si el rotor está excitado con C.C. se establecerán en éste dos polos magnéticos fijos, por lo que el rotor hace las veces de barra imantada. Si ésta barra imantada se coloca dentro de un campo giratorio (C.M.G.) se orientará hasta alinearse con el campo. Si el C.M.G. es fuerte, ejercerá una intensa fuerza de rotación sobre la barra imantada, quedando ésta acoplada magnéticamente con el C.M.G. Por lo tanto, la barra (rotor) podrá accionar una carga mientras gira a velocidad sincrónica.

Si el motor se encuentra en vacío, los polos del rotor y los del estator se encuentran perfectamente alineados, sin embargo, si se le aplica carga al rotor, éste se retrasará una cierta cantidad, formándose un ángulo entre los polos del rotor y los polos del C.M.G., el cual se denomina ”ángulo de carga” y se representa por la letra “”. Si se sigue aumentando la carga, el ángulo delta seguirá incrementándose, pudiendo llegar a un valor máximo de 90°, el cual corresponde al par máximo que puede entregar el motor. Si se sobrepasa este valor de carga, se producirá la rotura del acoplamiento magnético y el motor se saldrá de sincronismo, produciéndose la consiguiente paralización de la máquina.

Método de partida del motor sincrónico

El motor sincrónico, tal como se ha descrito hasta el momento, no puede ponerse en marcha por sí solo debido a la alta velocidad con que gira el campo magnético del estator. En el momento de la partida, los polos magnéticos del rotor son atraídos y repelidos prácticamente en el mismo instante, razón por la cual el rotor no puede ponerse en movimiento. Debido a esto se dice que el motor sincrónico no posee par de arranque.

Para poner en funcionamiento a éste motor es necesario entonces impulsar al rotor por algún medio externo, que puede ser otro motor que lleve al motor sincrónico a una velocidad cercana a la de sincronismo y luego alimentar los devanados del rotor con C.C. para que se produzca el acoplamiento magnético. Esta velocidad debe tener un deslizamiento menor al 3% para que se pueda cumplir con el acoplamiento.

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Otro método utilizado para poner en marcha un motor sincrónico consiste en incorporar en el mismo rotor una jaula de ardilla, la cual permite al motor arrancar como si fuera un motor de inducción, además de impulsar al rotor a una velocidad cercana a la de sincronismo. La jaula de ardilla permite amortiguar oscilaciones instantáneas de carga, razón por la cual recibe el nombre de “Devanado amortiguador”.

La puesta en marcha o sincronismo de un motor sincrónico, es decir, alimentar el rotor con C.C. una vez que éste ha alcanzado un deslizamiento menor a un 3% puede hacerse en forma manual o automática. Una forma de hacerlo automáticamente es utilizando un relé de baja tensión, el cual es alimentado por la f.e.m.i. en el rotor en el momento del arranque. Dicha tensión constituye una curva en función del tiempo, similar a la del deslizamiento, las cuales se indican en las siguientes figuras.

Deslizamiento:

Es un índice porcentual que indica la variación de la velocidad de giro del rotor con respecto a la velocidad de giro del campo magnético giratorio. Se define por la siguiente expresión:

Resistencia de descarga

Sabemos que en el momento de arranque se induce una tensión en los devanados del rotor, la que para motores de 380V, fluctúa entre los 2000 y 3000 Volts.

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A pesar de que dicho valor de tensión permanece en el rotor sólo durante el lapso de algunos segundos, es más que suficiente para destruir la aislación de los devanados del rotor. Para impedir la formación de esta peligrosa tensión se conecta durante la partida, a los devanados del rotor, una resistencia denominada “Resistencia de descarga” que limita la f.e.m.i. a valores no superiores a los 300V.

Circuito equivalente del motor sincrónico por fase

Normalmente Ra se desprecia por ser mucho menor que Xs.

Circuito equivalente aproximado

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Diagramas fasoriales con distintos nieles de Iexc en el motor sincrónico

Expresiones de potencia y par en un motor sincrónico

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Del diagrama:

El torque en el eje de un motor se define como:

Efecto de los cambios de carga en un motor sincrónico

Si el motor se encuentra funcionando con una determinada carga acoplada a su eje, éste deberá desarrollar un par suficiente para mantenerse girando a la velocidad sincrónica. Si la carga en el eje se incrementa, el motor inicialmente bajará su velocidad

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cos IV3TP LL

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y eso hará que el ángulo de par () llegue a ser más grande, incrementándose el par producido.

El incremento del par acelerará al motor y éste girará nuevamente a velocidad sincrónica pero con un ángulo de par () más grande.

Por otro lado la tensión generada depende solamente de la corriente de campo y de la velocidad del motor.

La velocidad está restringida a ser constante por la frecuencia de la fuente alterna y puesto que la corriente de campo (IF) no se ha modificado, la tensión Ea debe permanecer constante aunque el motor sufra cambios de carga.

En el diagrama de la figura se observa que a medida que se incrementa la carga el ángulo aumenta y por lo tanto Ea se atrasa cada vez más. La cantidad Ia*XS tiene que aumentar para alcanzar desde el extremo de Ea al de VF, por lo tanto la corriente de armadura Ia deberá aumentar su valor. Se observa además que el ángulo del factor de potencia también cambia llegando a ser menos adelantado y luego más atrasado.

Ejemplo:

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Nota: desfase de 90° entre Ia e Ia*Xs de desfase entre VF e Ia

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Una máquina sincrónica de 280 V, 60 Hz, 45 KVA, con f.p.=0.8 en adelanto, conectado en triángulo tiene una Xs=2,5 y una Ra despreciable. Sus pérdidas mecánicas son de 1.5Kw y las pérdidas en el núcleo de 1Kw. Inicialmente se encuentra trabajando con una carga acoplada a su eje de 15 HP y f.p. = 0.8 adelantado.

Determine:

a) Los valores de Ia, IL, Ea, dibuje diagrama fasorial.b) Suponga que se aumenta la carga en el eje a 30 HP. Dibuje el comportamiento en

respuesta a este cambio en el diagrama fasorial.

c) Calcule Ia, IL, Ea, después del cambio de carga determine el nuevo factor de potencia del motor.

Efecto de los cambios de la corriente de campo sobre el motor sincrónico

Para un incremento de la corriente de campo (IF) se incrementa la magnitud de Ea, pero no afecta la potencia real suministrada por el motor. Esta sólo cambia cuando el par de carga en el eje cambia. Puesto que un cambio en IF no afecta la velocidad del eje y puesto que la carga acoplada al eje es invariable, la potencia real suministrada no cambia. VF es constante, pues la fuente de alimentación que alimenta al motor no varía.

En el diagrama fasorial en el cual se muestra al motor sincrónico operando con un factor de potencia en atraso, las distancias proporcionales a la potencia Ea*sen e Ia*cos serán constantes. Cuando se incrementa IF, Ea debe aumentar pero sólo puede hacerlo deslizándose a lo largo de la línea potencia constante.

A medida que Ea aumenta, la magnitud de Ia decrece en primera instancia, para luego aumentar otra vez. Con Ea pequeña, la corriente de armadura (I a ) está atrasada y el motor es una carga inductiva para la red. Cuando la corriente de campo se incrementa la I a se alineará con V F y el motor se verá puramente resistivo. Al incrementar adicionalmente IF, I a pasa a estar adelantada y el motor se comporta como una carga capacitiva, consumiendo potencia reactiva negativa (-Q) o, si se prefiere suministrando potencia reactiva Q al sistema.

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Curvas en V del Motor Sincrónico

En la figura anterior (b) se muestra la gráfica de I a v/s I F para un motor sincrónico, tal gráfica se conoce por el nombre de curvas en V del motor sincrónico, que corresponden a diferentes niveles de potencia real. Para cada curva la corriente mínima de armadura se presenta con f.p. unitario, o sea, cuando al motor sólo se le suministra potencia real, en cualquier otro punto de la curva se suministra potencia reactiva al motor, o por el motor. Para las corrientes de campo menores que el valor que da la

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Fig. b

025

5075

100%

Potencia en el eje

Sub Excit. Sobre Excit. IF

f.p. adelantadof.p. atrasado

Ia

f.p. U

nitario

Fig. a

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mínima Ia la corriente de armadura está en atraso, consumiendo Q. Para corrientes de campo más grandes, que el valor que da la mínima Ia, la corriente de armadura está en adelanto suministrando Q al sistema de potencia, tal como lo hará para un condensador.

Por consiguiente, mediante el control de la IF, puede controlarse la potencia reactiva suministrada o consumida desde el sistema de potencia.

Cuando la proyección de Ea sobre VF (Ea*cos) es más corta que el mismo VF, el motor sincrónico tiene la I a en atraso y consume Q, puesto que IF es pequeña, por lo que el motor esta subexcitado.

En caso contrario cuando la proyección de Ea sobre VF es más grande que el mismo VF, el motor sincrónico tiene la I a en adelanto y suministra al sistema de potencia. Puesto que la corriente de excitación es más grande y el motor se encuentra sobre excitado.

Ejemplo:Características: 280 V, 60 Hz, 45 KVA, f.p.= 0.8 adelantado, conectado en

triángulo del ejemplo anterior. Está moviendo una carga de 15 HP con f.p. inicial de 0.85 en atraso determine:

a) Diagrama fasorial inicial de éste motor y encuentre Ia y Ea.b) Si el flujo del motor se incrementa en un 25%, grafique la variación en el diagrama fasorial, calcule el nuevo valor de Ia y f.p.

El motor sincrónico usado como condensador sincrónico

Un motor sincrónico puede ser usado para mejorar el factor de potencia. Actuando en esta condición se denomina “Condensador sincrónico”. Para ello debe sobre excitarse con el propósito de proporcionar potencia reactiva Q a un sistema de potencia para lo cual debe funcionar sin carga. En la figura siguiente se muestra el diagrama fasorial de un motor sincrónico actuando sin carga y sobreexcitado.

Puesto que no hay potencia tomada por el motor (en el eje), las distancias proporcionales a la potencia ( Ea*sen ó Ia*cos) son cero.

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Ia j XsVF

Ia

Ea

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En la figura siguiente se muestra la curva en V para un condensador sincrónico.

La potencia real suministrada a la máquina es cero (excepto las pérdidas) a f.p. real unitario, lo que implica que I a es aproximadamente igual a cero.

En la figura siguiente se muestra una barra infinita que opera a 480 V. La carga n°1 es un motor de inducción que consume 100 Kw con un f.p. igual a 0.78 en atraso. La carga n°2 es un motor de inducción que consume 200 Kw con un f.p. igual a 0.8 en atraso. La carga n°3 es un motor sincrónico cuyo consumo de potencia real es 150 Kw.

Responda las siguientes preguntas:

a) Si se ajusta el motor sincrónico para operar con f.p. igual a 0.85 en atraso, ¿Cuál es la “ IL “ en éste sistema?.

b) Si se ajusta el motor sincrónico para operar con f.p. igual a 0.85 en adelanto, ¿Cuál es la “ IL “ en la línea de transmisión?.

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