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Arranque del motor síncrono Juan Pablo Pesantez
[email protected] Abstract En E n el siguie sigui ente informe inf orme se detallan tall an los l os pasos pasos nesesarios sarios para realizar el arranque de un motor sincrono, se realizaron mediciones que nos permiten verificar el correcto desempeño del motor su uso, su correcto arranque, estructura, aplicabilidades y características que permitirán tener una amplia idea de su aplicabilidad dentro de la industria, principio que nos servirá de mucho en la industria para que este funcione a su máxima eficiencia
Palabras Clave — motor — motor síncrono, eficiencia, manejo
NTRODUCCION I. I NTRODUCCION
P
ara realizar el arranque de nuestro motor síncrono utilizaremos un motor que llamamos de lazamiento, para que el motor principal pueda romper la inercia y funcione correctamente, este será desconectado una vez que el motor síncrono alcance la velocidad de sincronismo, estos procedimientos se indican a continuación y se encuentran documentados por la fotografías que fueron tomadas durante las pruebas de laboratorio, estas mediciones se realizaron tanto para el motor conectado en forma sobrexcitada como subexitada.
Mantener la velocidad constante El motor sincrónico mantiene mantiene la velocidad constante en las situaciones de sobrecarga y también durante momentos de oscilaciones de tensión, respetando los limites del par máximo máximo (pull-out). Alto rendimiento La eficiencia en la conversión de energía eléctrica en mecánica es más eficiente, generando mayor ahorro de energía. Los motores sincrónicos son proyectados también para operar con alta eficiencia en un largo rango de velocidad y suministrar un mejor aprovechamiento de energía para una grande grande variedad de cargas. cargas. APLICACIONES Los motores sincrónicos son fabricados especialmente especialmente para atender las necesidades de cada aplicación. Debido a sus características constructivas, operación con alto rendimiento y adaptabilidad a todos los tipos de ambientes, son utilizados prácticamente en todos los segmentos de la industria, tales como: . Minería (zarandas, molinos, cintas transportadoras y otros) . Siderurgia (laminadoras, ventiladores, bombas, compresores) . Papel y celulosa (extrusoras, picadores, desfibradoras, compresores, cepilladoras) . Saneamiento (bombas) . Química y petroquímica petroquímica (compresores, ventiladores, extractores extractores de aire) . Cemento (zarandas, molinos, cintas transportadoras) . Coucho (extrusoras, molinos, mezcladores).
II. MARCO TEORICO ¿POR QUÉ UTILIZAR MOTORES SÍNCRONOS? La aplicación de motores sincrónicos en la mayoría de los casos resulta en ventajas operativas considerables para el usuario características de trabajo. Las principales utilización de los motores sincrónicos son:
industria en la económicas y debido a sus ventajas para
Corrección del factor de potencia Los motores sincrónicos pueden ayudar a la reducción de los los costos de energía eléctrica eléctrica y mejorar el rendimiento de sistemas de energía, corrigiendo el factor de potencia de la red en que están instalados. En pocos años, el ahorro de energía eléctrica puede igualar el valor invertido en el motor.
TIPOS DE INDUSTRIA
MOTORES
SINCRONOS
EN
LA
Motores sincrónicos verticales Estos pueden ser suministrados con rodamientos de esferas, de rodillos o de
2 contacto angular, lubricados con grasa. Dependiendo de la aplicación, como cuando están sujetos a altas cargas de empuje axial pueden ser fabricados con descansos de rodamientos lubricados con aceite o descansos de deslizamiento. Los motores sincrónicos con construcción vertical son proyectados para atender las solicitaciones de los clientes para aplicaciones en bombas, zarandas, mezcladores y otros.
Motores sincrónicos para atmósferas explosivas Estos se usan para las aplicaciones en atmósferas explosivas con características de seguridad específicas, aptos para trabajar en locales donde se manipulan, procesan o almacenan productos inflamables, preservando la vida humana y garantizando el mantenimiento del patrimonio. Son suministrados con tipos de protección Ex - n (no encendible) y Ex – p (presurizado) VELOCIDADES Velocidad fija Las aplicaciones de motores sincrónicos con velocidad fija se justifican por los bajos costos operativos, una vez que presentan alto rendimiento y pueden ser utilizados como compensadores sincrónicos para corrección del factor de potencia. Velocidad variable Las aplicaciones de motores sincrónicos con velocidad variable se justifican en aplicaciones de alto par con baja rotación y larga banda de ajuste de velocidad. La construcción de los motores para estas aplicaciones puede ser con o sin escobillas, dependiendo de las características de carga y ambiente. Debido al mayor rendimiento, menor tamaño y mayor capacidad de potencia, los motores sincrónicos pueden sustituir a los motores de corriente continua en aplicaciones de alto rendimiento. En muchos casos los motores sincrónicos pueden ser utilizados para obtener valores de par inferiores al Standard trayendo una reducción ventajosa de la corriente de arranque del motor lo que implica en menor disturbio en el sistema eléctrico durante el arranque y reducción en las tensiones mecánicas resultantes en los bobinados del motor. Para un concreto dimensionamiento y aplicación de los motores sincrónicos TIPOS DE EXCITACIÓN Los motores sincrónicos necesitan de una fuente de corriente continua para alimentar el bobinado de campo (bobinado del rotor), que usualmente es suministrado a través de anillos colectores y escobillas (excitatriz estática) o a través de una excitatriz girante sin escobillas (brushless). Excitatriz estática (con escobillas) Motores sincrónicos con excitatriz estática son constituidos de anillos colectores y escobillas que posibilitan la alimentación de corriente de los polos del rotor a través de contacto deslizante. La corriente continua para alimentación de los polos debe ser proveniente de un convertidor y controlador estático CA/CC. Los motores sincrónicos con excitatriz estática actualmente están siendo muy utilizados en aplicaciones con variadores de velocidad (convertidores de frecuencia).
Excitatriz brushless (sin escobillas) Motores sincronicos con sistema de excitacion brushless poseen una excitatriz girante, normalmente localizada en un compartimiento en la parte trasera del motor. Excitatriz con alimentacion de corriente continua en el estator Excitatriz con alimentacion de corriente alterna en el estator El rotor de la excitatriz alimenta el bobinado de la excitacion del motor, a traves de un puente rectificador trifasico.
Figura 3 - Excitatriz brushless
ARRANQUE DE UN MOTOR SÍNCRONO Primeramente tenemos que tener presente que el motor síncrono no puede arrancar por si solo. Este necesita que le den vuelo para poder hacerlo, se utilizara un motor de corriente continua para poder darle vuelo al motor síncrono, en este proceso tenemos que tener presente que la velocidad que puede tener este motor debe estar cercana o casi igual a la velocidad de sincronismo del motor síncrono. Una vez que se cumpla este proceso podemos ponerlo en marcha al motor síncrono. También me pude dar cuenta que la velocidad de un motor síncrono no cambia con carga o sin carga siempre será la misma velocidad de sincronismo. A diferencia de los motores de corriente continua que la velocidad varía de acuerdo a la carga con la que esté trabajando. Para que un motor síncrono funcione correctamente tenemos que hacerlo trabajar con la misma potencia para el cual fue
3 diseñado es decir que si el motor es de 10 Hp tenemos que hacerlo trabajar a una potencia de 10 Hp. Con ayuda de un cosfimetro se observara el cambio del factor de potencia al momento de conectarlo con una carga es decir se pudo analizar un momento cuando el motor funcionaba en forma capacitiva y otro momento que funcionaba en forma inductiva.
Para llevar al motor a su velocidad síncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. Una vez alcanzada esta velocidad, se conecta la máquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho más pequeños que el motor que arranca ya que sólo debe superar la inercia de la máquina síncrona en vacío.
Arranque con devanados de amortiguamiento Éste es el método más popular de arranque. Recibe el nombre de devanado amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas: acoplamiento a la red, vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. Los devanados de amortiguamiento son barras especiales dispuestas en ranuras hechas en la cara del rotor en un motor y en cortocircuito en cada extremo con un anillo (figura). Esto crea un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrónico trifásico.
La alta velocidad con la que gira el campo magnético giratorio en el entrehierro de un motor síncrono, no le permite al rotor alcanzarlo desde el reposo, por eso se dice que el motor síncrono tiene un par promedio igual a cero en el arranque, por tal motivo el motor síncrono no puede arrancar por sí mismo. En consecuencia para que un motor síncrono arranque es necesario dotarlo de ciertos medios, que le permitan desarrollar un par de arranque o impulsar al rotor a una velocidad muy próxima a la síncrona mediante una maquina primaria y enseguida sincronizarlo, excitando el devanado de campo con corriente continua. Para el arranque de este motor podemos desarrollar un par de arranque elevado. Este proceso lo podemos hacer al colocar en la ranura del rotor, con la misma cantidad de polos que la armadura y se conecta a unos anillos rasantes, y con una resistencia externa en serie con cada devanado amortiguador se controla el par. Como se mencionó antes, cuando el motor está detenido y se lo conecta a la red, éste vibrará fuertemente y se sobrecalentará. Existen varios métodos para arrancarlo de forma segura. A continuación se describirán los tres métodos más utilizados y finalmente se mostrará un circuito para el arranque automático.
Arranque por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica Si los campos magnéticos del estator en un motor síncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator. Entonces, se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal de 60 Hz. Para esto pueden utilizar accionadores de estado sólido como ciclo convertidores. Arranque con un motor primario externo
Arranque automático Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automática. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor. En el instante de arranque el rotor tiene la frecuencia de la red (alta frecuencia). En el circuito del rotor, que alimenta la resistencia de arranque, para que ésta absorba la tensión elevada de las bobinas de los polos, aparece una diferencia de potencial a los bornes de la reactancia. Esta diferencia de potencial alimenta una bobina del relé polarizado, que mantiene abierto los contactos del mismo. La máquina arranca como motor asíncrono debido a la jaula de ardilla que poseen los polos del rotor. A medida que aumenta la velocidad, la frecuencia del rotor disminuye, por consiguiente disminuye la diferencia de potencial a los bornes de la reactancia hasta que ésta no puede mantener el yugo del relé, ya cercana a la velocidad de sincronismo, y cierra los contactos de él. Al cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en sincronismo.
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PROCEDIMIENTO para realizar la practica utilizaremos un motor un motor Shunt de corriente continua para el lanzamiento, los datos de placa son: 220 - 230 V 1500rpm 19.5 A-12ª 4.5 kVA-3.3 kVA motor síncrono datos 230V-127V 8.8 A - 15.2 A 3.5 KVA 1800 rpm 60 Hz excitación de 110 V - 2.2 A.
Figura motor shunt corriente continua
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Figura motor Sincrono Figura fuente de voltaje regulable
Para llegar a la velocidad de sincronía aumentamos el voltaje de nuestro motor hasta que tenga la velocidad de sincronia que para nuestro caso es de 1800 rpm.
Comportamiento del motor Cuando el motor esta con su velocidad de sincronismo( 1800rpms), se tiene una excitación de 50v y una potencia de 380W. Mediante los datos obtenidos, los cuales se presentaron anteriormente podemos observar el comportamiento del motor. podemos notar que sobreexcitando a la máquina esta tenía un comportamiento capacitivo, mientras que subexcitándola se comportaba como un inductor rotativo, pudiendo medir los siguientes datos: Cuadro 1 TABLA DE MEDICIONES Capacitivo 50 V 60 V 70 V 85 V
2.7 A 4.72 A 6.87 A 6.86 A
6 Inductivo
35 V 30 V 25 V 20 V
1.48 A 2.48 3.3 A 3.83 A
Con estos resultados se pudo obtener el siguiente Diagrama en V de comportamiento del motor Síncrono:
Figura Comportamiento del motor variando su voltaje de excitación
3 CONCLUSIONES Con la realización de esta practica se ha podido comprender de mejor manera al motor síncrono en su totalidad, estos son muy utilizados por las industrias por tener características especiales de trabajo. El rendimiento en aplicaciones donde se exige corrección del factor de potencia, altos pares y bajas corrientes de arranque, velocidad constante ante variaciones de carga, bajo costo de operación y mantenimiento, son los principales motivos que hacen seleccionar motores sincrónicos para el accionamiento de diversos tipos de cargas. Para el correcto funcionamiento de un motor síncrono tenemos que tener en cuenta varios aspectos empezando con un buen arranque del motor es decir tenemos que tener un proceso adecuado para la puesta en marcha del motor síncrono ya que si no lo hacemos este puede sufrir algunos desperfectos, aspectos muy importantes que nos servirán de mucho para que el motor tenga una vida útil mayor y su eficiencia sea la máxima. Un aspecto muy importante a tener en cuenta al momento de trabajar con este tipo de motores es que los mismos no pueden arrancar de manera autónoma, en nuestro caso optamos por utilizar un motor de lanzamiento, sin embargo existen otros dos métodos que nos pueden ayudar a poner en funcionamiento un motor de estas características
BIBLIOGRAFIA [1] http://www.neoteo.com/motorsincrono.neo [2] http://www.slideshare.net/motor-sincronos
