FACULTAD DE ING.ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA TEMA: MOTORES SÍNCRONOS CÁTEDRA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS III CATEDRÁTICO: Ing. DE LA CRUZ MONTES, Efraín ESTUDIANTES: CABRERA PALACIOS, Luis Alejandro CHAMORRO MEZA, C GALVAN ZEVALLOS, Frank Keler JORGE HILARIO, Juan Carlos MATOS CAPCHA, Erik MÁQUINAS ELÉCTRICAS III FACULTAD DE ING. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA HUANCAYO – 2015 MÁQUINAS ELÉCTRICAS III DEDICATORI A: A nuestros padres. por su apoyo incondicional que nos brindan y por estar siempre con nosotros. A nuestros profesores: Quienes son nuestros guías en dando los el aprendizaje. últimos conocimientos ELECTRÓNICA INDUSTRIAL ii . Los alumnos ELECTRÓNICA INDUSTRIAL ii .para el buen desenvolvimiento en la sociedad. a nuestros queridos padres.AGRADECIMIE NTO Agradecemos en primer lugar. y en segundo lugar. pero no menos importante. por iluminarnos durante este trabajo y por permitirnos finalizarlo con éxito. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 3 . único dueño de todo saber y verdad. al ser Supremo. por su apoyo incondicional y el esfuerzo diario que realizan por brindarme una buena educación. 17 Bibliografía……………………………………………………………………………... 1 III. Arranque con devanados de amortiguamiento. Circuito Equivalente……………. 5 VI...3. 6..………………………………… 6......... Aspectos constructivos.………………………….………………………………...………………………………. Principio de Funcionamiento….………………...……….....……………………………….. Problemas sobre motores síncronos.. 4 V. 2 IV. 9 Conclusiones……………………………………………………………………...………………. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA ÍNDICE GENERAL I. Curvas en V………………………. Arranque automático………..2.………………....1. 1 II..…………………………………………….………….... Diagrama Fasorial…..……………….FACULTAD DE ING.…………………………………………………… 6 7 7 7 7 VII...……. Arranque por medio de la reducción de la frecuencia eléctrica..………………...... 18 ..4....………………………………….. 6. Métodos de arranque…………….…………………………………………….……………………………………… 6.……………….... Arranque con un motor primario externo. ... 4 5 Motor síncrono bajo carga. ………...... ………...…………. ……………. 8 ... ………………………………….… 5 6 Diagrama vectorial.... 6 8 Devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla). ……………………………………………………………….Índice de figuras 1 Tipos constructivos de máquinas síncronas..... ………………………………………………...... 4 4 Diagrama fasorial de Blondel…………………………………... 7 9 Circuito de arranque automático.. …………………………………………………………………………………...... ……………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………..……... 1 2 Principio de funcionamiento del motor síncrono. 2 3 Circuito equivalente de un motor síncrono trifásico…………………………………………….… 5 7 Familia de curvas por cada estado de carga…………………………………………………………... principio de funcionamiento y campo de aplicación.INTRODUCCI ON En la presente monografía se describen los motores síncronos. sus aspectos constructivos. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL vi . Se analizan los distintos métodos de arranque y al motor funcionando como compensador síncrono. Los alumnos. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL vi . alimentado por corriente continua. por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar. cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor síncrono. Los polos del rotor están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo. b) Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que está construido de un material ferromagnético. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 1 . generalmente de chapas de acero al silicio. Está constituido por dos devanados independientes: a) Un devanado inductor. Si en estas circunstancias. que da lugar a los polos de la máquina y que se coloca en el rotor. y p es el número de pares de polos del rotor. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Si a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifásico de corriente alterna se genera en el estator un campo magnético giratorio. con el rotor parado. construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras. Figura 1: tipos constructivos de máquinas síncronas 2. La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese solo un par de polos. se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magnético rotórico fijo. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Motor Síncrono 1.FACULTAD DE ING. delante del cual pasa el campo magnético del estator. a lo sumo vibrará. FACULTAD DE ING. al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magnético ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 2 . ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo. haciéndolo girar mediante un motor auxiliar. el efecto del límite de máxima corriente de campo se expresa como un valor nominal a un factor de potencia en adelanto. Figura 2: principio de funcionamiento del motor síncrono En la figura 2 se muestran dos conductores del inducido enfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dos instantes de tiempo consecutivos. Así mismo. en lugar de uno en atraso. Se puede concluir que si el rotor está en reposo o gira a otra velocidad diferente a la de sincronismo. 3.FACULTAD DE ING. el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo por lo que el motor no arranca. . La única gran diferencia resida en que un valor alto de EA produce un factor de potencia en adelanto. los valores nominales de las dos máquinas también son iguales. y en consecuencia. puesto que la salida de un motor sincrónico es potencia mecánica. DIAGRAMA FASORIAL: Puesto que los motores sincrónicos son físicamente iguales a los generadores sincrónicos. el valor nominal de la potencia de un motor sincrónico esta dado usualmente en caballos de potencia (HP) en lugar de kilowatts (kW). ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA que les obliga a seguir girando juntos. pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magnético se produce ya que el campo giratorio estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo sentido y velocidad. un motor sincrónico pequeño debería tener en su placa de características un valor de factor de servicio. Además de la información mostrada en la figura. son utilizados para cargas de baja velocidad y alta potencia. los motores sincrónicos son más adaptables a aplicaciones de bajas velocidades y altas potencias que los motores de inducción. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 3 . Por tanto. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Figura: Diagramas fasoriales que muestran la generación y el consumo de potencia real P y de potencia reactiva Q por generadores y motores sincrónicos.FACULTAD DE ING. La figura muestra la placa de características de un motor sincrónico de gran potencia. En general. que . En la figura 3 se puede ver el circuito eléctrico equivalente (diagrama de Blondel) que representa al motor síncrono conectado a la red en el cual el estator se comporta como el primario de un transformador.Ev + R Ig + jLw I Figura 4 : diagrama fasorial de Blondel (note que la f. Figura 3 : circuito equivalente de un motor síncrono trifásico Por la Ley de tensiones de Kirchhoff. está atrasada con respecto a U. se cumple: U = . La única diferencia es que el sentido de flujo de potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 4.e.FACULTAD DE ING. ocurre un desplazamiento δ del eje de los polos del rotor respecto de los polos ficticios del estator (figura 5). potencia y par son las mismas. Suponemos que la reactancia de dispersión es constante. al revés que para el generador) Una vez que se produce la conexión del motor a la red. CIRCUITO EQUIVALENTE Ya que el motor síncrono es igual físicamente al generador. que se pueden despreciar las pérdidas en el hierro y que el entrehierro es uniforme. Consideremos un motor síncrono funcionando en régimen estacionario con una tensión por fase U. las ecuaciones básicas de velocidad.m. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA aumenta con la carga del motor. . y si este desplazamiento supera un límite el motor se para.FACULTAD DE ING. llamada por su forma "curva de V". la corriente comienza a disminuir. se hace mínima para cos ϕ = 1 y vuelve a aumentar cuando se hace capacitivo.Figura 5: motor síncrono bajo carga 5. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 5 . Esta ley de variación es la que reproduce la característica I = f (Iex ). CURVAS EN V: Se estudia la relación entre la corriente de carga I y la de excitación Iex. para carga constante. En el diagrama: Figura 6: Diagrama vectorial. Se observa que al crecer la excitación (cuya consecuencia es Em). Para cos ϕ = 1 la corriente es mínima. la máquina se desengancha y se detiene. Estos puntos se encuentran desplazados hacia la derecha porque a mayor carga más reacción de inducido. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Se puede trazar una familia de curvas. en el primer caso se detiene (punto 1') en cambio en el segundo caso solo pasa a un estado de carga mayor (punto 2'). Para muy bajos valores de excitación. para un mismo estado de carga (punto 1 ó 2 a ½Pc).I1). Un motor puede trabajar sub o sobreexcitado. media carga (½ Pc) y un cuarto de (¼ Pc). Para bajos valores de excitación la máquina es inductiva (zona izquierda). Figura 7: familia de curvas por cada estado de carga Así en la (Figura 7) se han trazado para plena carga (Pc). una para cada estado de carga. la máquina es capacitiva (zona de la derecha). llega a un punto que la fuerza de atracción magnética no es suficiente para mantener al rotor ligado al campo rodante. estos puntos determinan el límite de estabilidad. 6. para cada estado de carga. pero ante una sobrecarga (I2 . MÉTODOS DE ARRANQUE ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 6 . por lo tanto se necesita aumentar la excitación.FACULTAD DE ING. por consiguiente los mínimos determinan la curva de cos ϕ = 1. Para valores grandes de excitación. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 6 .Como se mencionó antes. A continuación se describirán los tres métodos más utilizados y finalmente se mostrará un circuito para el arranque automático. éste vibrará fuertemente y se sobrecalentará. cuando el motor está detenido y se lo conecta a la red. Existen varios métodos para arrancarlo de forma segura. Arranque con un motor primario externo Para llevar al motor a su velocidad síncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. 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.FACULTAD DE ING. etc.2. En el instante de arranque el resistencia rotor tiene la de laque red ésta (altaabsorba frecuencia). En elelevada circuitode dellas rotor. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor.4. 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 10). vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica. se puede incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal de 50 Hz. 6.1. para la tensión bobinas de los polos.Arranque con devanados de amortiguamiento Éste es el método más popular de arranque. que alimenta la defrecuencia arranque. aparece una diferencia de potencial a los bornes de la reactancia. Figura 8: devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla) 6. Para esto pueden utilizar accionadores de estado sólido como ciclo convertidores. Una vez alcanzada esta velocidad. 6. se conecta la máquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. Recibe el nombre de devanado amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas: acoplamiento a la red. Entonces.3. Arranque automático Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automática. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 6. Esto crea un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrónico trifásico.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. Esta ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 7 . no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator. diferencia de potencial alimenta una bobina del relé polarizado. A medida que aumenta la velocidad. por consiguiente disminuye la diferencia de potencial a los bornes de la reactancia hasta que ésta no puede mantener el yugo del relé. y cierra los contactos de él. La máquina arranca como motor asíncrono debido a la jaula de ardilla que poseen los polos del rotor. ya cercana a la velocidad de sincronismo. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 8 . quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en sincronismo. que mantiene abierto los contactos del mismo. Al cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto. la frecuencia del rotor disminuye. Figura 9: circuito de arranque automático. Las pérdidas de potencia por fricción mecánica y del aire más las del núcleo suman 9 kW.7. La potencia de salida es de 390 HP. conectado en estrella a 1732 volt entre línea. ra=0. PROBLEMAS SOBRE MOTORES SÍNCRONOS: 1. Un motor sincrónico trifásico de polos cilíndricos. Determinar: a) La corriente de armadura Ia.xs=10 Ω. b) EFmin . el factor de potencia a EFmax. La tensión de excitación máxima (EFmax)es de 2500 volt por fase. considere resistencia de armadura despreciable. tiene un rendimiento igual a un 85%.2. su ángulo par es de 7º. xs=11 Ω. Determinar: a) EF. Un motor sincrónico trifásico de rotor cilíndrico conectado en estrella a 2300 (V). Potencia de salidad 100 HP. b) Ia c) FP . a 60 Hz. Determinar el rango dentro del cual puede variarse la fem de excitación mediante el ajuste de la corriente de campo.FACULTAD DE ING. xs=50 Ω. Ra=0. La corriente nominal potencia de plena carga es de 52 A. Si la corriente de armadura Ia no debe exceder del 135% del valor de plena carga. trifásico con 1250 HP recibe una constante de 800 kW a 1100 V. Un motor sincrónico de polos cilíndricos. conectado en estrella. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 3. . resistencia de armadura despreciable. Un motor sincrónico trifásico conectado en estrella. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 4. tensión de excitación de 200 reactancia (V/f-n) y un ángulo par de 36.0. tiene una sincrónica de 6.06 Ω. a 440 (V). Determinar: a) Corriente de armadura y el factor de potencia b) La tensión de excitación si el factor de potencia es igual a 1.FACULTAD DE ING.4º. . FACULTAD DE ING. tiene una reactancia sincrónica de 3 Ω y una resistencia de 0. Un motor sincrónico de rotor cilíndrico de 2300 V. b) El factor de potencia c) La potencia desarrollada d) La caída de tensión interna. Calcular: a) La corriente de armadura Ia. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 5. Si trabaja con un ángulo de potencia (par) δ=15º y la excitación (corriente de campo) está ajustada de forma tal que EF sea igual a la tensión nominal aplicada al motor.25 Ω. conectado en estrella. . Determinar: a) Bosqueje el diagrama fasorial de este motor y encuentre los valores de Ia. 45 (kVA) a un factor de potencia 0. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 6. b) Suponga que ahora se incrementa la carga en el eje a 30 (HP). xs= 2. y Ef . Il.80 en adelanto. conectado en triángulo. Un motor sincrónico de 208 (V).FACULTAD DE ING. repita a) c) Nuevo factor de potencia ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 14 .80 adelanto. Las pérdidas por fricción y ventilación son de en 1. Inicialmente su eje está alimentando una carga de 15 HP a factor de potencia 0. 60 (Hz).5 Ω.5 (kW) y las perdidas en el núcleo son de 1 (kW). c) Si la tensión de campo (EF) aumente en un 5 % la magnitud de la nueva corriente de armadura.80 en adelanto.80 en atraso ¿cuáles son las magnitudes y los ángulos de la tensión de campo y la corriente de armadura. ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 15 . 400 (HP).FACULTAD DE ING. b) El torque inducido y luego haga una relación con el torque máximo en porcentaje. luego indique el nuevo factor de potencia. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA 7. FP= 0. 60 (Hz) 8 polos. Un motor sincrónico de 480 (V). así como también la perdidas en el núcleo. Determine: a) Si el motor está suministrando inicialmente 400 HP a un factor de potencia 0. No tenga en cuenta el rozamiento. conectado en triángulo. xs = 1 Ω. . El motor sobreexcitado es capacitivo. El motor sobreexcitado es más estable y presenta mejor cos ϕ. la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser que se cuente con un sistema automático de arranque. Otra particularidad del motor síncrono es que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de potencia. Este tipo de motor funciona a velocidad síncrona solamente. A diferencia de los motores asincrónicos.CONCLUSIO NES Los motores síncronos son máquinas síncronas que se utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica de rotación. La característica principal de este tipo de motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos de la máquina. Buscador Interactivo Google ELECTRÓNICA INDUSTRIAL 18 . Máquinas Eléctricas – Stephen Chapman – 3ra ed. Máquinas Eléctricas – Jesús Fraile Mora. ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA BIBLIOGRAFÍA Universidad de Chile – Cátedra de Electrotecnia – Tema: Motores síncronos.FACULTAD DE ING.