Motor Síncrono.docx

Motor síncrono

Los motores síncronos son un tipo de motor de corriente alterna en el que la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentación; el período de rotación es exactamente igual a un número entero de ciclos de CA. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electromagnetos en el estátor del motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo. La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

donde:    

f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) P: Número de pares de polos que tiene la máquina p: Número de polos que tiene la máquina n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto)

Por ejemplo, si se tiene una máquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la máquina operará a 1.500 revoluciones por minuto. Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores síncronos debemos distinguir:   

Los motores síncronos. Los motores asíncronos sincronizados. Los motores de imán permanente.

Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estátor son iguales. Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Cuando la corriente atraviesa los arrollamientos de las tres fases del motor, en el estator se origina un campo magnético que induce corriente en las barras del rotor. Dicha corriente da origen a un flujo que al reaccionar con el flujo del campo magnético del estator, originará un para motor que pondrá en movimiento al rotor. Dicho movimiento es continuo, debido a las variaciones también continuas, de la corriente alterna trifásica. Solo debe hacerse notar que el rotor no puede ir a la misma velocidad que la del campo magnético giratorio. Esto se debe a que a cada momento recibe impulsos del campo, pero al cesar el empuje, el rotor se retrasa. A este fenómeno se le llama deslizamiento. Después de ese momento vendrá un nuevo empuje y un nuevo deslizamiento, y así sucesivamente. De esta manera se comprende que el rotor nunca logre alcanzar la misma velocidad del campo magnético giratorio. Es por lo cual recibe el nombre de asíncrono o asincrónico. El deslizamiento puede ser mayor conforme aumenta la carga del motor y lógicamente, la velocidad se reduce en una proporción mayor. Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. El conductor tiende a funcionar como un electroimán debido a la corriente eléctrica que circula por el mismo adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la interacción con los polos ubicados en el estator, el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Partiendo del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo magnético, además si lo ponemos dentro de la acción de un campo magnético potente, el producto de la interacción de ambos campos magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la energía mecánica. Dicha energía es comunicada al exterior mediante un dispositivo llamado flecha.

Metodos de Arranque método de arranque se puede aplicar tanto a motores de rotor devanado como a motores de rotor jaula de ardilla, la única condición que debe cumplir el motor para que pueda aplicarse este método de arranque es que tenga acceso completo a los devanados del estator (6 bornes de conexión). Este método solamente se puede utilizar en aquellos motores que estén preparados para funcionar en delta con la tensión de la red, si no es así no se le puede conectar. La maquina se conecta en estrella en el momento del arranque y se pasa después a delta cuando está en funcionamiento. La conmutación de estrella-delta generalmente se hace de forma automática luego de transcurrido un lapso (que puede regularse) en que el motor alcanza determinada velocidad. El arranque estrella-delta es el procedimiento más empleado para el arranque a tensión reducida debido a que su construcción es simple, su precio es reducido y tiene una buena confiabilidad. En el caso más simple tres contactos realizan la tarea de maniobrar el motor, disponiendo de enclavamientos adecuados. La protección del motor se hace por medio de un relé térmico. El térmico debe estar colocado en las fases del motor.

La regulación del mismo debe hacerse a un valor que resulta de multiplicar la corriente de línea por 0,58. La protección del circuito más adecuada también es el fusible. Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: el pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa delta) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella. Asimismo, el relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Habitualmente, un arranque normal puede durar hasta 10 segundos, si supera los 12 segundos se debe consultar al proveedor del equipo. Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactos, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo.

La operación se realiza en la actualidad con automatismos de contactores, con un circuito de fuerza y otro con mando o control; se requiere tres contactores, uno denominado principal, para la alimentación de los principios de la bobina de los devanados del motor; otro un contactor que se encarga de realizar la conexión al devanado en estrella, y el tercero ejecuta la conexión triangulo; además se necesita de un relé de tiempo para ajustar el momento en que se pasa de la conexión estrella a la conexión triangulo.

Curva De Funcionamiento Para determinar el circuito equivalente de la Máquina de Inducción se deben hacer las siguientes consideraciones: 

 

La diferencia entre la tensión aplicada a las fases del estator y la tensión inducida en éstas por el flujo resultante en el entrehierro, es igual a la suma de las caídas de tensión en la resistencia y en las reactancias de dispersión de los devanados del estator (situación idéntica a la del transformador). La corriente magnetizante requerida para producir el flujo del entrehierro es proporcional a este último (en ausencia de saturación) y por lo tanto a la tensión que induce. Las pérdidas en el hierro las podemos considerar (sin gran error) como proporcionales al cuadrado de la inducción máxima en el entrehierro, es decir, proporcionales al cuadrado de la tensión inducida.

circuito equivalente de la máquina Donde:

R1 :Resistencia por fase del estator () R2 :Resistencia por fase del rotor, referido al estator () X1 :Reactancia de dispersión del bobinado de estator () X2 :Reactancia de dispersión del bobinado de rotor, referido al estator () Rc :Resistencia de pérdida en el núcleo () Xm :Reactancia de magnetización () S :Deslizamiento (%) Vf :Voltaje de fase (v) E1 :Voltaje inducido por fase (v) I1 :Corriente de estator (A) Mi :Corriente de magnetización (A) I2 :Corriente de rotor, referida al estator (A)

Cuando se necesita hacer resaltar

las relaciones de torque y potencia, y a fin de simplificar los cálculos se propone el circuito equivalente simplificado. Como normalmente Rm es mucho más grande que Xm, y Xm >> (R1+X1), entonces Vf es aproximadamente igual a E1, luego el circuito simplificado es el siguiente:

Deslizamiento y Frecuencia Eléctrica en el Rotor Deslizamiento Se le llama deslizamiento "S" a la diferencia entre la velocidad del campo magnético rotatorio y a la velocidad del rotor, es decir;

S = ns - nm (rpm) donde:

ns nm

=

Velocidad del campo magnético rotatorio

=

Velocidad del rotor

rpm

S

=

deslizamiento

(%)

rpm

A menudo se prefiere indicar el deslizamiento en porcentaje de la velocidad sincrónica:

S

= ns -

nm

x

100

(%)

ns Esta ecuación también puede expresarse en términos de velocidad angular (radianes por segundo) como:

S

= ws -

wm

x

100

(%)

ws Obsérvese que si el rotor gira a velocidad sincrónica , S=0, mientras que si el rotor está fijo, S=1. Todas las velocidades normales del motor, están en algún lugar entre estos dos límites. Es posible expresar la velocidad mecánica del eje del rotor, en términos de velocidad sincrónica y de deslizamiento. Resolviendo las ecuaciones anteriores para velocidad mecánica resulta:

nm = ( 1 - S ) x ns

o

wm = ( 1- S ) x ws

Estas ecuaciones son útiles en la deducción del momento de torsión de los motores de inducción y de la relación de potencia. Normalmente el valor de S, en estado estacionario, se encuentra entre un 4 y un 8%

Frecuencia eléctrica en el rotor

El motor de inducción trabaja induciendo voltajes y corrientes en el rotor de la máquina y por esa razón algunas veces se ha llamado Transformador giratorio. A la manera de un transformador, el primario (estator) induce un voltaje en el secundario (rotor) a través del flujo magnético, pero a diferencia del transformador, la frecuencia secundaria no es necesariamente la misma frecuencia primaria. Si el rotor del motor es bloqueado, de forma tal que no se pueda mover, entonces el rotor y el estator de la máquina estarán a la misma frecuencia. Por el contrario, si el rotor gira a la velocidad sincrónica, la frecuencia del rotor será cero. En consecuencia para cualquier velocidad, la frecuencia del rotor será función directa del deslizamiento, y de la frecuencia eléctrica del estator. Lo anterior queda de manifiesto en la siguiente relación:

fr = S x fs

(Hz)

donde: fr fs S

= Frecuencia del rotor = Frecuencia del estator = deslizamiento

Hz Hz (%)

Potencia y torque desarrollado De la figura anterior se puede deducir: La potencia desarrollada por el motor

La impedancia de entrada del motor

La corriente RMS del motor

Por otra parte, el torque en función de la potencia desarrollada por el motor, se obtiene de la siguiente expresión.

Donde:

Ws: es la velocidad sincrónica (rad/seg) Por ultimo si consideramos el circuito equivalente propuesto en la figura 1.2, la expresión para el torque desarrollado por el motor queda como: (Ecuación 1.0)

Característica de torque máximo y torque de arranque Torque máximo se obtiene cuando la potencia consumida por la resistencia R2/s sea máxima y un deslizamiento dado por S = Stmáx. Derivando la ecuación (1.0)respecto del deslizamiento, se obtiene:

si reemplazamos Stmáx en la ecuación (1.0), obtenemos el torque máximo desarrollado;

Para obtener el torque de arranque se sustituye la velocidad de la máquina igual a cero y el deslizamiento igual a uno, por lo que se obtiene:

Funcionamiento sin carga, a media carga y a carga máxima de un Motor Trifásico de Inducción

Fig1

Fig1- Funcionamiento sin a

Fig 2

Fig2-Funcionamiento a

Fig 3

Fig3- Funcionamiento

carga de un motor de inducción

media carga de un motor de inducción

carga máxima de un motor de inducción

donde: Fe = Fuerza Magnetomotriz del estator Fr = Fuerza Magnetomotriz del rotor Fi = Ángulo de Torque T = Torque desarrollado por la máquina

Curva característica torque - velocidad del motor de inducción Si el motor está alimentado a partir de una tensión fija a una frecuencia constante, el torque desarrollado por el motor es una función del deslizamiento. En consecuencia la relación torque velocidad pueden determinarse a partir de la ecuación (1.0). Aquí se obtiene una curva como la que se muestra a continuación.

Existen tres regiones de operación: Funcionamiento como motor, (0 S 1): El motor gira en la misma dirección que el campo. Una vez que el torque alcanza su nivel máximo, éste se reduce con el aumento del deslizamiento debido a una reducción del flujo en el entrehierro. Regeneración, (S 0): La velocidad del rotor es mayor que la velocidad sincrónica en igual dirección y con un deslizamiento negativo. Por lo que la potencia es devuelta al circuito de estator y el circuito opera como generador. Operación en sentido contrario, (S 1): La velocidad del motor tiene sentido contrario a la dirección del campo, y el deslizamiento es mayor que la unidad.

Variaciones en las características de torsión-velocidad de un motor de inducción

Característica T/S con resistencia adicional en el circuito del rotor Si la tensión de estator y la frecuencia de la red son constantes y con su valor nominal, al incorporar resistencia adicionales el circuito del rotor, las curvas características en función de la resistencia rotórica se muestra en la figura siguiente.

De a)El

valor

de

la torque

máximo

figura es

independiente

podemos de la

resistencia

deducir: rotórica.

b)El aumento de resistencias en el rotor implica un aumento en el torque de partida y deslizamiento al cuales se produce el torque máximo.

Característica T/S con tensión de alimentación variable Si la frecuencia de la red es constante y no existe resistencia adicional en el circuito del rotor al variar la tensión de estator se obtienen las curvas siguientes:

De la figura podemos deducir: a)El valor del torque disminuye cuadráticamente con la disminución de la tensión de alimentación. b)La variación de la tensión de alimentación no afecta el valor del deslizamiento al cual se produce el torque máximo.

Característica T/S con frecuencia de alimentación variable La tensión inducida en el rotor se puede expresar:

Para operar la máquina a flujo constante, es decir, a torque constante se tiene:

Como no es posible actuar sobre la tensión “e”, si se desprecia la caída de tensión en el estator, se obtiene:

Por lo tanto, en el rango de frecuencia bajo la frecuencia nominal, se debe operar la máquina a torque constante. Ahora para operar la máquina a frecuencias mayores que la nominal, se mantiene la alimentación constante, lo cual implica operar en la zona de potencia constante con flujo en disminución. Esta situación implica que el torque en la máquina disminuye con el aumento de frecuencia manteniéndose constantes las pérdidas. En la siguiente figura se muestran las zonas de operación de la máquina operando con frecuencia variable.