Motores Síncronos Unidad #2 Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son m áquinas cuyo estator se encuentra alimentado por corriente alterna, en tanto el r otor tiene alimentación continua ya sea a través de un enrollado de campo o bien mediante imanes permanentes.
Landero Gruintal Carlos Erik 16/10/2018
Motores Síncronos
Instituto Tecnológico de Minatitlán Semestre: Séptimo Grupo: 2 Asignatura: Maquinas Eléctricas Alumno: Landero Gruintal Carlos Erik Numero de Control: 15230907 Docente: Cervantes Domínguez Víctor Manuel Fecha: Lunes 8ℎ , Octubre 2018
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Instituto Tecnológico de Minatitlán Semestre: Séptimo Grupo: 2 Asignatura: Maquinas Eléctricas Alumno: Landero Gruintal Carlos Erik Numero de Control: 15230907 Docente: Cervantes Domínguez Víctor Manuel Fecha: Lunes 8ℎ , Octubre 2018
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Introducción Los
motores
sincrónicos
poseen
características
especiales
de
funcionamiento, están siendo utilizados con mayor frecuencia en las más diversas aplicaciones. La eficiencia en aplicaciones donde son exigidos, la corrección del factor de potencia, altos torques y bajas corrientes de arranque, velocidad constante en variaciones de carga, bajo costo de operación y mantenimiento, son los principales motivos que resultan en la elección de los motores sincrónicos para accionamiento de diversos tipos de cargas.
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2.1 Generalidades y construccion de un motor síncrono Maquinas Síncronas Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectada y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electro magnetos en el estator del motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo. En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas. Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y corriente) y del número de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo con la red. Por ejemplo, una máquina con un par de polos conectada a una red de 50 [Hz] girará a una velocidad fija de 3000 [RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de 1500 [RPM] y así sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos que giran a bajísimas revoluciones. En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecánica del eje. Esta aplicación ha sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la energía eólica. Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautógenos (Molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera.
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Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la alimentación del rotor hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como reactor o condensador sincrónico respectivamente. Particularmente esta última aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el cual tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos. La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es: =
60 ∙
=
120 ∙
Características constructivas: Características del estator:
Dada la alimentación alterna de la armadura, el estator de la máquina sincrónica es muy similar al estator de la máquina de inducción, por lo cual las características constructivas del mismo no se repetirán en esta sección Características del rotor:
El rotor de una máquina sincrónica puede estar conformado por: - Imanes permanentes - Rotor de polos salientes - Rotor cilíndrico Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que evita el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su aplicación a altas potencias se encuentra limitada ya que las densidades de flujo magnético de los imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los imanes permanentes crean un campo magnético fijo no controlable a diferencia de los rotores con enrollados de excitación donde se puede controlar la densidad de flujo magnético. Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo cilíndrico y los de polos salientes.
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La imagen muestra el diagrama del estator de una máquina sincrónica, la figura (b) corresponde a un rotor de polos salientes, en tanto que el dibujo (c) muestra el esquema de un rotor cilíndrico. Por su parte, en las figuras (d) y (e) se observan la apariencia de una máquina sincrónica vista desde fuera y la representación de los enrollados de rotor y estator, respectivamente.
Figura 1. Rotores de máquina sincrónica Desde el punto de vista de modelamiento el rotor cilíndrico es bastante más simple que el rotor de polos salientes ya que su geometría es completamente simétrica. Esto permite establecer las relaciones para los voltajes generados respecto de las inductancias mutuas del rotor y estator, las cuales son constantes. En el caso del rotor de polos salientes, su geometría asimétrica provoca que el modelamiento de las inductancias propias de estator y rotor, así como las inductancias mutuas entre ambos, tengan un desarrollo analítico bastante complejo.
Motores síncronos: De acuerdo con lo estudiado, los motores síncronos no pueden arrancar en forma autónoma lo cual hace que requieran mecanismos adicionales para la partida:
Una máquina propulsora externa (motor auxiliar).
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Barras amortiguadoras.
Particularmente en el segundo caso, se intenta aprovechar el principio del motor de inducción para generar torque a la partida. Constructivamente, en cada una de las caras polares del rotor (polos salientes), se realizan calados donde se colocan una barras, denominadas amortiguadoras, que le dan al rotor una característica similar a los segmentos tipo jaula de ardilla del motor de inducción.
Figura 2. Barras amortiguadoras en motor síncrono De este modo, el motor se comporta como una máquina de inducción hasta llegar a la velocidad sincrónica. Es importante notar que el circuito de compensación se construye de modo que el campo magnético rotatorio inducido en el rotor sea débil comparado con el campo magnético fijo del rotor (producido por la alimentación con corriente continua). De este modo se evita que el efecto de inducción perturbe la máquina en su operación normal. Ejes directo y en cuadratura:
El estudio del comportamiento de las máquinas sincrónicas se simplifica al considerar dos ejes ficticios denominados eje directo y eje en cuadratura, que giran solidarios al rotor a la velocidad de sincronismo (ver figura 3): El eje directo es aquel que se define en la dirección Norte-Sur del rotor, con su origen en el centro magnético y en dirección hacia el Norte. El eje en cuadratura tiene el mismo origen que el anterior pero su dirección es perpendicular a éste.
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Las corrientes por ambos enrollados ficticios (Id e Iq) están desfasadas en 90º eléctricos y la suma de ambas es equivalente a la corriente por fase en los enrollados reales.
Figura 3. Ejes directo y en cuadratura
El uso de estos enrollados ficticios permite simplificar el análisis de las máquinas sincrónicas. En particular, en el caso de la máquina con rotor cilíndrico que posee una geometría simétrica es posible establecer un circuito eléctrico equivalente para definir el comportamiento de esta máquina. En el caso del rotor de polos salientes, si bien no se puede esquematizar el comportamiento de la máquina a través de un circuito eléctrico equivalente, el empleo de los ejes directo y en cuadratura contribuye a simplificar notablemente el desarrollo analítico y las ecuaciones debido a que permite independizarse del ángulo de posición entre el rotor y los ejes de las fases. En la sección siguiente se presenta el desarrollo analítico del comportamiento de la máquina de polos salientes (más compleja) y posterior a ello se analiza el comportamiento de la máquina con rotor cilíndrico a partir de su circuito equivalente. Circuito equivalente de la máquina sincrónica:
La existencia de los ejes ficticios directo y en cuadratura permite modelar eléctricamente las variables del estator a través de la resistencia del estator y las reactancias del eje directo y en cuadratura.
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Particularmente, si el rotor es de polos salientes las reactancias en ambos ejes son diferentes y su cálculo supone un desarrollo complejo como el presentado precedentemente. En el rotor cilíndrico, sin embargo, se define una única reactancia: Xs=Xd=Xq por lo cual es posible establecer un circuito como el de la siguiente figura 4.
Figura 4. Circuito equivalente por fase de la máquina sincrónica A partir de la figura se define: = ∙ ∙ ∙ sin() =
∙
Donde: E es la tensión inducida de la máquina Re es la resistencia en los enrollados del estator. Ler es la inductancia mutua entre rotor y estator. Ne, Nr son el número de vueltas de los enrollados de estator y rotor respectivamente. R es la reluctancia del circuito magnético. Ir es la corriente rotórica (de excitación). Aplicaciones:
Los motores sincrónicos son fabricados específicamente para atender las necesidades de cada aplicación. Debido a sus características constructivas,
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operación con alto rendimiento y adaptabilidad a todo tipo de ambiente, son utilizados en prácticamente todos los sectores de la industria, tales como:
Minería (chancadoras, molinos, cintas transportadoras y otros).
Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores.
Saneamiento (bombas).
Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadoras).
Química y petroquímica (compresores, ventiladores, extractores y bombas).
Cemento (chancadoras, molinos y cintas transportadoras).
Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras).
Transmisión de energía (compensadores sincrónicos).
Motores Sincrónicos para Atmósferas Explosivas
Para las aplicaciones en atmósferas explosivas, se fabrican motores sincrónicos con características de seguridad específicas, aptos para operar en locales donde los productos inflamables son continuamente manipulados, procesados o almacenados. Motores Sincrónicos Verticales
También los motores sincrónicos verticales, son aptos también para altas cargas de empuje axial, pueden ser fabricados con cojinetes de rodamientos lubrificados a aceite o con cojinetes de deslizamiento. Los motores sincrónicos con construcción vertical son proyectados y fabricados para atender las aplicaciones en bombas, moledoras, mezcladoras, entre otros. Son suministrados con tipos de protección Ex-n (no encendible) y Ex-p (presurizado)
cumpliendo
Internacionales.
1
las
exigencias
de
las
normas
nacionales
e
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Características Constructivas Carcasa
Su función principal es la de apoyar y proteger el motor, alojando también el paquete de chapas y devanados del estator. Pueden ser construidas en los tipos horizontal y vertical y con grado de protección de acuerdo con las necesidades del ambiente. La carcasa está construida en chapas y perfiles de acero soldado, formando un conjunto sólido y robusto que es la base estructura de la máquina. Este tipo de construcción proporciona excelente rigidez estructural, de manera
de
soportar
esfuerzos
mecánicos
provenientes
de
eventuales
cortocircuitos y vibración, capacitando el motor para satisfacer las más severas solicitudes. Estator
Constituido por un paquete laminado de chapas de acero silicio de alta calidad, con ranuras para alojar el devanado del estator, que opera con alimentación de potencia en corriente alterna para generar el campo magnético giratorio. Rotor
El rotor puede ser construido con polos lisos, salientes laminados o sólidos, dependiendo de las características constructivas del motor, así como de su aplicación. El rotor completo está formado por la estructura que compone o suporta los polos, los devanados de campo y la jaula de arranque para polos lisos y salientes laminados, que son las partes activas girantes del motor sincrónico. Los polos del campo son magnetizados a través de la corriente CC proveniente del rotor de la excitatriz o directamente por anillos colectores y escobillas. En funcionamiento, los polos se alinean magnéticamente por el entrehierro y giran en sincronismo con el campo giratorio del estator. Los ejes son
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fabricados en acero forjado y mecanizados según las especificaciones. La punta de eje normalmente es cilíndrica o bridada. Cojinetes
En función de la aplicación, los motores sincrónicos pueden ser suministrados con cojinetes de rodamiento o cojinetes de deslizamiento. Cojinetes de Rodamiento
Estos cojinetes están normalmente constituidos por rodamiento de esferas o de rodillos cilíndricos, dependiendo de la rotación y de los esfuerzos axiales y radiales a los que son sometidos, en algunas aplicaciones pueden ser utilizados rodamientos especiales. Los cojinetes de rodamientos pueden ser lubricados con aceite o grasa. Cojinetes de Deslizamiento
Los
cojinetes
de
deslizamiento
pueden
tener
lubricación
natural
(autolubricables) o lubricación forzada (lubricación externa). Tipos de Excitación
Los motores sincrónicos necesitan de una fuente de corriente continua para alimentar el devanado de campo (devanado del rotor), que usualmente es abastecido a través de una excitatriz giratoria sin escobillas (brushless) o a través de anillos recolectores y escobillas (excitatriz estática). Excitatriz Brushless (Sin Escobillas)
Los motores sincrónicos con sistema de excitación brushless poseen una excitatriz girante, normalmente localizada en un compartimento en la parte posterior del motor. Dependiendo de la operación del motor, la excitatriz está constituida por:
Excitatriz con alimentación de corriente continua en el estator
Excitatriz con alimentación de corriente alterna en el estator
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El rotor de la excitatriz alimenta el devanado de la excitación del motor, a través de un puente rectificador trifásico giratorio. Excitatriz Estática (Con Escobillas)
Motores sincrónicos con excitatriz del tipo estática están constituidos por anillos recolectores 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 de un controlador estático CA/CC externo al motor. Los motores sincrónicos con excitatriz estática son más utilizados en aplicaciones con variación de velocidad a través de convertidores de frecuencia, o en aplicaciones donde la respuesta dinámica del sistema necesite ser extremadamente rápida.
2.2 Análisis de las formas de arranque del motor trifásico. El motor trifásico síncrono es el motor más usado en el mundo de las instalaciones industriales y en grandes edificios. Simple en términos de diseño y manejo, flexible en diversos campos de aplicación y con un funcionamiento económico. Es la solución más favorable cuando hablamos de relación calidadprecio. Lo que caracteriza al motor trifásico es el alto consumo de intensidad cuando lo alimentamos con carga a través de un arranque directo. Cuando aplicamos tensión directa lo que obtenemos es una sobreintensidad que puede causar caídas de tensión de red y problemas en los sistemas mecánicos. Desde la invención del motor trifásico se han desarrollado diferentes conceptos y soluciones para la puesta en marcha, que tienen por objetivo eliminar efectos secundarios desagradables. Sin embargo, para que estos conceptos y soluciones cumplan el deseo de un rendimiento óptimo y satisfactorio en la puesta en marcha, dependerá de la aplicación y, finalmente, de los aspectos económicos.
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Para facilitar una descripción simplificada, se presentarán los métodos de arranque de motores asíncronos más importantes y conocidos. En el proceso, prescindiremos deliberadamente de la descripción y las funciones de los dispositivos, y de los conocimientos generales básicos del accionamiento eléctrico.
Condición de arranque El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la carga que tiene que mover. Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse la condición de arranque: durante el arranque el par del motor debe ser superior al par resistente. De no cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se puede producir el arranque. Limitaciones en la corriente de arranque
En el instante de iniciar el arranque, cuando la velocidad todavía es nula y el deslizamiento entonces vale 1, la corriente que demanda el motor es varias veces superior a la asignada. Esta corriente elevada puede provocar caídas de tensión en la instalación eléctrica que alimenta al motor afectando a otros aparatos conectados a ella. Por esta razón existen normas que establecen las máximas corrientes de arranque permitidas. Esto obliga a utilizar en muchas ocasiones procedimientos que reduzcan la corriente de línea que se demanda a la red eléctrica durante el arranque con respecto a la que circula en el arranque directo. Métodos de arranque de motores eléctricos.
Arranque a voltaje pleno (full voltage starting): consiste en arrancar el motor aplicando toda la tensión de la línea a los bornes del motor durante el periodo de arranque. Se presenta entonces disponibilidad del 100% del torque de bloqueo del motor (locked rotor torque ver figura 33 atrás) y se pueden generar picos de corriente muy altos, produciendo caídas de tensión en la red de alimentación del
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motor, además de que pueden presentarse sacudidas violentas en la máquina conducida por el motor eléctrico, debido a la aplicación del 100% del torque de bloqueo del rotor. En motores eléctricos >5 KW, el pico de corriente producido está regulado por la norma NTC 2805 y es necesario usar arrancadores suaves, no pudiéndose aplicar este método de arranque para motores de 5 KW o superiores. Arranque a voltaje reducido (reduced voltage starting): consiste en alimentar los bornes del motor a tensión reducida, osea inferior a la nominal de la línea de alimentación, durante el periodo de arranque. Es importante en este método de arranque corroborar que el par de arranque sea capaz de acelerar el motor eléctrico hasta su velocidad nominal de operación con carga. Se presentan picos de corriente inferiores a los que se presentan durante el arranque a voltaje pleno, dependiendo de la disminución el voltaje de alimentación durante el arranque, además de que la máquina conducida sufre menos sacudidas debido a la aplicación gradual del torque durante la aceleración del motor en el arranque. Arranque directo (across the line).
Es un método de arranque en el que se usa el voltaje total de la línea, se hace simplemente conectando los conductores del motor a los conductores de la línea principal mediante un interruptor. Como se ve en dicha figura, la conexión se hace de manera directa a las líneas AC de la red de distribución, teniendo todo el voltaje de la misma aplicada entre los bornes del motor y contando con el 100% del torque de arranque del motor (locked rotor torque). Durante este arranque la corriente es de aproximadamente el 600% del valor de corriente nominal (full load) y la duración de la aceleración del motor es de aproximadamente 8 segundos, como se aprecia en la figura. Arranque por resistencias primarias (primary resistance).
Es un arranque a tensión reducida, donde una resistencia es conectada en serie en cada línea del motor (en el caso monofásico, solo en una línea), con el fin
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de producir una caída de voltaje debido a la corriente de arranque del motor y disminuir el voltaje que puede usar el motor en su arranque. Un relé de tiempo es usado para que cambie de voltaje reducido a voltaje pleno luego de que el motor se ha acelerado. Un esquema de este arrancador se muestra en la figura 44, para arrancar deben estar cerrados todos los contactores S (start) y abiertos todos los contactores R (run), para funcionamiento después del arranque deben estar cerrados todos los contactores R (run) y abiertos todos los contactores S (start). Arranque con autotransformador (autotransformador).
Consiste en alimentar el motor a tensión reducida durante el arranque, siendo este valor de tensión creciente hasta lograr el valor de tensión nominal de la línea de alimentación. El crecimiento de la tensión de alimentación se logra mediante puntos de funcionamiento del autotransformador, pueden ser 2 a 3 puntos de funcionamiento. Consecuencia de la reducción de la tensión de alimentación del motor, es la reducción de corriente y el par durante el periodo de arranque del motor eléctrico. Un esquema de este tipo de arrancador se muestra en la figura 46, puede apreciarse que el autotransformador tiene 3 posiciones que varían la reducción del voltaje de la red (V1 red) durante el arranque dejando una porción disminuida de voltaje (V1 motor) al arranque durante el arranque. La curva de arranque del motor eléctrico aplicando autotransformador, en esta se ve que el torque durante el arranque con autotransformador disminuye comparado con el arranque directo (full voltage), debido a la disminución del voltaje (que se logra mediante el autotransformador). Esta reducción en el voltaje aplicado al motor eléctrico durante el arranque produce una disminución de la corriente de arranque, pero también provoca disminución del torque disponible para el arranque.
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2.3 estudio del efecto de carga en condiciones de: Excitación normal, Sub-excitación y Sobre excitación. En este caso se supone que el motor estará trabajando con una excitación normal y constante. Como sabemos, la velocidad del motor síncrono no puede variar al conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de sincronismo, sin embargo si se produce una pequeña variación en el ángulo α del par como se aprecia en la figura 2.36. El ángulo q ue se aprecia en la figura es
β y representa el desplazamiento mecánico del rotor en relación al
estator. Para apreciar mejor este efecto de carga, analicemos la figura 2.37 sin carga, con Egp = Vp se tiene la condición de un factor de potencia unitario cuando θ es pequeño y α = 0.
En la figura 2.37b se aprecia que si la excitación se mantiene constante, y se aumenta la carga al motor, aun cuando Egp = Vp, aumenta Er e Ia cuando aumentan
y
como consecuencia el ángulo
tiene un desfasamiento.
En la figura 2.37c puede apreciarse que aun cuando Egp = Vp, si el motor se trabaja con una sobrecarga todos los parámetros cambian, lo cual nos lleva a concluir que las corrientes de pérdidas en el cobre de la armadura, la potencia desarrollada y la potencia de salida serán mayores.
Sub-excitación: Esta condición de carga del motor síncrono se estudia con referencia a la figura 2.39.
En este diagrama fasorial se aprecia que cuando el motor se excita con un voltaje Egp < Vp, se produce una corriente en la armadura con un ángulo de retraso muy cercano a los 90° y a medida que la carga aumenta el factor de potencia mejora como lo muestra el diagrama con la corriente de armadura I2 e I3.
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Esta mejora del factor de potencia se debe al mayor voltaje resultante en la máquina, provocando con ello una mayor corriente
Sobreexcitación. El último caso es cuando se trabaja al motor síncrono con una sobreexcitación es decir Egp > Vp. En este caso cuando la carga es pequeño el voltaje resultante Er1tiene un pequeño desfasamiento respecto a Egp y la corriente en la armadura Ia1 se encuentra en cuadratura, sin embargo a medida que se suministra una mayor carga al motor se observa como el ángulo de factor de potencia mejora, acercándose a la unidad.
Si realizamos una comparación de los tres casos de excitación, se tienen las siguientes conclusiones: 1. Al aumentar la carga en la máquina, la corriente de armadura aumenta independientemente del tipo de excitación. 2.
Cuando
el
motor
síncrono
se
opera
con
sobrexcitación
o
sobreexcitación, al aumentar la carga, el factor de potencia tiende a la unidad. 3.
Cuando
el
motor
síncrono
se
opera
con
sobrexcitación
o
sobreexcitación, la variación del factor de potencia es mayor que la variación del a corriente en la armadura al aumentar la carga. 4. No así cuando el motor esta excitado normalmente, la variación del factor de potencia es menor que la variación del a corriente en la armadura al aumentar la carga En el funcionamiento de la máquina síncrona, se tiene que: - La potencia activa suministrada, tiene que ver con la potencia mecánica disponible en el eje: si la potencia en el eje es constante, la potencia activa suministrada (o recibida), es en teoría, constante. - La potencia reactiva suministrada, tiene que ver con la magnitud de la corriente de excitación: si la corriente de excitación cambia, la potencia reactiva suministrada (o absorbida) también cambia.
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2.4 Operación de las curvas V en el motor síncrono. Curvas en v (mordey) El motor síncrono para la misma potencia P puede absorber una corriente I variable según su excitación. El motor sub excitado absorbe potencia reactiva QL. El motor sobreexcitado suministra potencia reactiva QC. Esta propiedad se traduce gráficamente en una serie de curvas en V de Mordey. Cada una de ellas da una potencia útil constante, la variación de la corriente absorbida en función de la corriente de excitación I ex Las curvas en V de un motor síncrono, alimentado a tensión constante y frecuencia también constante, reflejan la variación de la intensidad de corriente absorbida en función de la intensidad de excitación, para una potencia suministrada por el motor constante. Es fácil hacer trabajar un motor síncrono, a potencia suministrada constante, mediante la utilización como carga en su eje de un generador. En efecto, como el motor síncrono gira a una velocidad constante, también la velocidad del generador será constante. (i se consigue que la potencia suministrada por el generador sea constante, la potencia suministrada por el motor síncrono también lo será. En el tema anterior se realizó el análisis del comportamiento del motor síncrono, rescatando las siguientes características. 1.
Cuando el voltaje en las terminales de la máquina se encuentra en fase con la corriente de armadura, esta corriente es mínima y el factor de potencia es unitario.
2.
Cuando el motor síncrono se trabaja subexcitado, el motor se comporta como una carga inductiva y por consecuencia su factor de potencia es atrasado.
3.
Cuando el motor síncrono se trabaja sobreexcitado, el factor de potencia es en adelanto comportándose como una carga capacitiva.
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Cuando estas características de corriente de armadura vs corriente de excitación se grafican para diferentes condiciones de carga, se obtiene un conjunto de curvas conocidas como curvas V mismas que se aprecian en la figura 2.41.
2.5 Corrección del factor de potencia con carga constante mediante un motor síncrono. La utilización de motores síncronos u otro equipo para incrementar el factor de potencia general de un sistema de potencia se llama corrección del factor de potencia. Debido a que los motores síncronos pueden facilitar la corrección del factor de potencia y reducir los costos del sistema de potencia, muchas cargas aceptan un motor de velocidad constante (incluso si no requieren uno necesariamente) y son manejadas por motores síncronos. Aun cuando un motor síncrono es más caro que un motor de inducción individual, la posibilidad de operar uno de ellos con factores de potencia en adelanto para corregir el factor de potencia le ahorra dinero a las plantas industriales. Esto lleva a la compra y utilización de motores síncronos. Cualquier motor síncrono que se encuentre en una planta se opera sobreexcitado para poder corregir el factor de potencia e incrementar su par máximo. Sin embargo, para operar un motor síncrono sobreexcitado se requiere una gran corriente de campo y flujo, que conllevan un calentamiento significativo
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del rotor. Los operadores deben tener cuidado de no sobrecalentar los devanados de campo excediendo la corriente de campo nominal.
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Actividades de Aprendizaje Actividad #1: Investigar en la bibliografía recomendada las partes constitutivas de la maquina síncrona. Fuentes de Información
1.
Chapman, S. (2012). Máquinas Eléctricas (5ª Ed). México: Mc Graw Hill.
2.
Kosow,I. (2001). Máquinas Eléctricas y Transformadores (2ª Ed.). México: Pearson
3.
Wildi, T. (2009). Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia (6ª Ed). México: Pearson
4.
Leander, W. (2003). Máquinas electromagnéticas y electromecánicas. (4ª Ed.) México: Alfaomega.
5.
Fitzgerald, A. & Kingsley, C.(1983). Electric Machinery (2a Ed). New York: Mc Graw Hill.
Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de giro en régimen permanente está ligada con la frecuencia de la tensión en bornes y el número de pares de polos.
dónde: 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)
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Estas máquinas convierten energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizadas como motores, o convierten energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizadas como generadores. Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna que como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.
Estator:
El estator, o parte estática, de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado trifásico de corriente alterno denominado devanado inducido y un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas. Rotor:
El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado de corriente continuo denominado devanado de campo y un devanado en cortocircuito, que impide el funcionamiento de la máquina a una velocidad distinta a la de sincronismo, denominado devanado amortiguador. Además, contiene un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas de menor espesor que las del estator.
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El resto de las características del rotor están relacionadas con el objetivo de obtener un campo entre el rotor y el estátor de carácter senoidal y dependen del tipo de máquina síncrona: Máquina de polos salientes: El rotor presenta expansiones polares que
dan lugar a un entrehierro variable. Máquina de rotor liso: El devanado de campo está distribuido en varias
bobinas situadas en diferentes ángulos.
Actividad #2: Conocer el funcionamiento de cada una de las partes que constituyen la maquina síncronas. 1.- El rotor: Es la parte de el motor síncrono que se encuentra en el eje mismo y que sirve como el inducido de esta maquina, ya que al pasar el campo mahgnetico a través de en este tiende a generar un campo magnético que se enlaza con el de el estator cmviertiend la energía eléctrica en movimiento mecanico 2.- Estator: Parte de la maquina síncrona que induce al rotor con un campo magnético de corriente alterna, provocando en este que gire y genere un par 3.- Cojinetes: Parte donde se acienta el eje de la maquina, sirve de soporte mientras permite al eje girar
Actividad #3: Observar y analizar físicamente las partes que constituyen al motor síncrono. Las partes principales que conforman el motor síncrono son el rotor, el estator, anillos deslizantes, excitatriz, etc
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Actividad #4: Determinar y comparar gráficamente los diagramas vectoriales que se producen cuando el motor síncrono es excitado de forma normal, sub-excitado y sobreexcitado.
En este caso se supone que el motor estará trabajando con una excitación normal y constante. Como sabemos, la velocidad del motor síncrono no puede variar al conectarse la carga debido a que este se encuentra funcionando a velocidad de sincronismo, sin embargo si se produce una pequeña variación en el ángulo α del par como se aprecia en la figura 2.36. El ángulo que se aprecia en la figura es β y representa el desplazamiento mecánico del rotor en relación al
estator. Para apreciar mejor este efecto de carga, analicemos la figura 2.37 sin carga, con Egp = Vp se tiene la condición de un factor de potencia unitario cuando θ es pequeño y α = 0.
En la figura 2.37b se aprecia que si la excitación se mantiene constante, y se aumenta la carga al motor, aun cuando Egp = Vp, aumenta Er e Ia cuando aumentan
y
como consecuencia el ángulo
tiene un desfasamiento.
En la figura 2.37c puede apreciarse que aun cuando Egp = Vp, si el motor se trabaja con una sobrecarga todos los parámetros cambian, lo cual nos lleva a concluir que las corrientes de pérdidas en el cobre de la armadura, la potencia desarrollada y la potencia de salida serán mayores.
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Sub-excitación:
Esta condición de carga del motor síncrono se estudia con referencia a la figura 2.39.
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Motores Síncronos
2018
En este diagrama fasorial se aprecia que cuando el motor se excita con un voltaje Egp < Vp, se produce una corriente en la armadura con un ángulo de retraso muy cercano a los 90° y a medida que la carga aumenta el factor de potencia mejora como lo muestra el diagrama con la corriente de armadura I2 e I3. Esta mejora del factor de potencia se debe al mayor voltaje resultante en la máquina, provocando con ello una mayor corriente Sobreexcitación.
El último caso es cuando se trabaja al motor síncrono con una sobreexcitación es decir Egp > Vp. En este caso cuando la carga es pequeño el voltaje resultante Er1tiene un pequeño desfasamiento respecto a Egp y la corriente en la armadura Ia1 se encuentra en cuadratura, sin embargo a medida que se suministra una mayor carga al motor se observa como el ángulo de factor de potencia mejora, acercándose a la unidad.
Si realizamos una comparación de los tres casos de excitación, se tienen las siguientes conclusiones:
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