Motores Sincronos - Huber Murillo

Ing. Huber Murillo M.Especialista en máquinas eléctricas

UNAC

ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA

MOTORES SINCRONOS ING. HUBER MURILLO M

INTRODUCCION

Reciben el nombre de maquinas sincronías todos aquellos convertidores electromecánicos rotativos capaces de transformar energía mecánica en eléctrica a una frecuencia mecánica y eléctrica iguales. Los motores síncronos son usados como servo-controladores en aplicaciones como equipos periféricos de computadoras, robóticos y como controladores de velocidad ajustables en una variedad de aplicaciones como: bombas de carga, grandes abanicos y compresores. En aplicaciones de baja potencia, son usados motores síncronos de imán permanente.Estos motores son a menudo referidos como motores "DC sin brocha" o motores conmutados electrónicamente.


GENERAL ELECTRIC - SINCHRONOUS MOTOR

RATED HP 21,000 RPM 1200 FREQ 60 HZ

VOLTS 6,600 AMPER. 1404 PHASE 3

PF 1.0 CODE B FRAME 9398

EXCITATION VOLTS. 125 AMPER. 5.2

ESTATOR Y ISOLAT. B CAT: GEK - 42582

CAUTION BEFORE INSTALLINGOR OPERATING READ

MADE IN USA

ESPECIFICACIONES NOMINALES DE LOS MSA CONTINUACION PRESENTAMOS LAS CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES A UTILIZARSE EN LA OPERACION DE LOS MOTORES SINCRONOS, QUE PUEDEN TRABAJAR COMO MOTOR PARA USO ESPECIAL Y /O COMPENSADOR DINAMICO. TIENE LA CAPACIDAD DE TRABAJAR COMO MOTOR ( MOVER UNA CARGA ) Y SUMINISTRAR POTENCIA REACTIVA A LA LINEA.


Q ( MVAR )

Q ( MVAR )

+

-

SISTEMA

MW

SISTEMA

SISTEMA

SISTEMA

MW+-

OPERACION DE LAS MAQUINAS SINCRONAS

MS GP

Q

P P

P

Q

Q

MS G

OPERACION NORMALDEL GENERADOR

SINCRONO

OPERACION ANORMALDEL GENERADOR

SINCRONO

OPERACION NORMALDEL MOTOR SINCRONO

“ COMPENSADORDINAMICO”

OPERACION NORMALDEL MOTOR

SINCRONO “ PARACARGAS PESADAS ”


V

Er

Ia

Em

α1

EXCITACION NORMAL - FACTOR DE POTENCIA UNITARIO Em ≈ V

SUB EXCITACION - FACTOR DE POTENCIA ATRAZADO Em < V

Em

Ia Ia SenθV

Ia Cosθθ

α3

Er

Em Er

VIa CosθIa Senθθ

SOBRE EXCITACION - FACTOR DE POTENCIA ADELANTADO Em > V

CONTROL DEL FACTOR DE POTENCIA EN LOS MOTORESSINCRONOS VARIANDO LA EXCITACION DE CAMPO

α2


GENERADORES Y MOTORES SINCRONOS

SUMINISTRA QEA SEN δ > V

CONSUME QEA SEN δ < V

GENERADOR EA ADELANTA A V

MOTOR EA ATRAZA A V

SUMINISTRA POTENCIA ACTIVA

P

CONSUME POTENCIA ACTIVA

P

EA

EA

EA EA

VV

V V

IA

IA

IA

IA

δ

δ

δ

δ


CURVAS V DE LOS MOTORES SINCRONOS

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 50 100 150 200 250 300 350

CORRIENTE DE EXCITACION If ( p.u. )

CO

RR

IEN

TES

DE

CA

RG

A

( p.

u

I1I2I3I.U.F.P.

F.P.UNITARIO

F.P.ADELANTO

F.P. ATRASO


A

A

V

V SW1 SW2

R

S

T

+

_

MOTOR SINCRONO

FASE R

FASE S

FASE T

CONEXIONES DEL MOTOR SINCRONO PARA EL ARRANQUE Y CONTROLDEL FACTOR DE POTENCIA VARIANDO LA EXCITACION DEL CAMPO

U1 U2

V1 V2

W2W1F1 F2


CONSITUCION ELECTROMECANICO DE LOS MOTORES SINCRONOS DE ANILLOS ROZANTES

ESTATOR PRINCIPAL

RECTIFICADOR DE ONDA

COMPLETA

L1

L3

+ -

ESTATOR PRINCIPAL

L1L2L3

SISTEMA DE ARRANQUE PARA BAJA

TENSION

ROTOR PRINCIPAL

ESCOBILLAS

VENTILADOR

ANILLOS ROZANTES

EJE

DESDE LA FUENTE


ESTATOR ( MASA FIJA )

ROTOR + SISTEMA DEARRANQUE ( MASA MOBIL )

RANILLOS ROZANTES

S

FUENTE DC

T

DEVANADO TRIFASICO AMORTIGUA-DOR

CAMPO DC

Radj.

Banco externo de resistencias

SISTEMA DE ARRANQUE CON DEVANADO AMORTIGUADOR DE LOS MOTORES

SINCRONOS TRIFASICOS

RED TRIFASICA EXTERNA

ESCOBILLAS


400

300

200

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100PORCENTAJE DE LA VELOCIDAD SINCRONA ( % )

TORQUE NOMINAL

ROTOR DEVANADOCON CONTROL

DE RESISTENCIAEXTERNA

ALTA RESISTENCIA

BAJA RESISTENCIA

ARRANQUE POR MOTOR PRIMO

TORQUE EN ( % )

CURVAS CARACETRISTICAS DE LOS MOTORES SINCRONOS

Carcateristicas del torque de arranque ( % ) vs velocidad ( % )

Ws


SISTEMA DE CONTROL CON FUENTE DC ESTATICA DE ESTADO SOLIDO PARA LOS MOTORES

SINCRONOS TRIFASICOS

CARGAMECANICA

ANILLOS ROZANTES

T

S

R

CAMPO DC

Radj.RED TRIFASICA EXTERNA

Supresor de subidas Vac

ESTATOR DEL MOTOR SINCRONO

TRANSFORMADOR ∆ - Y

Supresor de subidas Vac

Rectificador Filtro

SISTEMA DE CONTROL DE LOS MOTORES SINCRONOS TRIFASICOS SIN ESCOBILLAS ( COMPLETAMENTE INDUCTIVO )

FUENTE DC ESTATICA DE ESTADO SOLIDO

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA + FILTRO

ESTATOR

R

S

T

ROTOR DEL MOTOR SINCRONO

CAMPO FIJO DC

ALTER NADOR

EXCITATRIZ

CAMPO MOBIL

VARIAC MONOFASICO

Fuente Vac monofasica

MOTOR SINCRONO

MASA MOBIL


CONSITUCION ELECTROMECANICA DE LOS MOTORES SINCRONOS COMPLTAMENTE NDUCTIVOS

ESTATOR PRINCIPAL

ROTOR PRINCIPAL


COMPLETA

L1

L3

+ -

ESTATOR PRINCIPAL

L1L2L3

L2

ESTATOR

ESTATOR

ROTOR

+

-

SISTEMA DE ARRANQUE PARA BAJA

TENSION

VENTILADORRECTIFI-CADOR 0NDA

COMPLETA

EXCITATRIZ

DESDE LA FUENTE


CONSITUCION ELECTRICA DE LOS MOTORES SINCRONOS COMPLETAMENTE INDUCTIVOS

EXCITATRIZ DESDE LA FUENTE

PUENTE RECTIFICADORESTATOR ROTOR ROTOR ESTATOR

Fase r

Fase s

Fase t

MASA MOVIL


COMPLETA

+ - L3L2

L1

Radj

L1

FASE R

L2

FASE S

FASE TL3


Fase r

Fase s

Fase t

MASA MOVIL

RECTIFICADOR ONDA

COMPLETA

+ - L3

L2

EXCITATRIZROTORESTATOR ESTATORROTOR

PUENTE RECTIFICADOR

DESDE LA FUENTE

TRIFASICA

CONEXION DE MOTORES SINCRONOS 06 TERMINALES

U1 V1 W1

1 2 3

4 5 6

U2 V2 W2

L3

L2


CONEXION DE LOS MOTORES SINCRONOS 12 TERMINALES

EXCITATRIZPUENTE

RECTIFICADORESTATOR ROTOR ROTOR

1 7 2 8 3 9

4 10 5 11 6 12

Fase r

Fase s

Fase t

MASA MOVIL


COMPLETA

+ -L3

L2

ESTATOR

L3

L2


CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES SÍNCRONOS

• El factor de potencia es elevado.

• Trabaja a toda carga con f.P. = 1.

• La velocidad es constante a toda carga.

• No admite variaciones bruscas de carga , ya que pierde la velocidad del sincronismo.

• Deben ponerse en marcha con motores asíncronos.

• No se puede emplear motores síncronos cuando ha de arrancarse en carga.

• Gastos de instalación mas elevados.


APLICACIÓN DE LOS MOTORES SÍNCRONOS

• En Centrales Eléctricas y en las Subestaciones en paralelo a las barras mejorando el factor de potencia .

• Industrias que tienen un elevado numero de motores de inducción para mejorar el f.d.p.

• Al final de algunas líneas de transmisión para controlar el voltaje mediante el procedimiento de variar la excitación.

• Como elemento de accionamiento de grandes cargas : molinos de cemento, industria minera, molinos textiles, etc.

• Operan en forma continua y velocidad constante tal como bombas centrifugas compresores de aire, grupos motor generador, etc.


ARRANQUE DE LOS MOTORES SINCRONOS

Para hacer la maniobra de conexión es preciso que se cumplan con exactitud estas tres condiciones:

• Llevar el motor a la velocidad del Sincronismo (con un motor auxiliar).

• Conectar el motor a la línea en un motor en que la tension de línea o fuerza contraelectromotriz del motor se encuentren en oposición.

• Cerrar el interruptor de alimentación del motor una vez cumplida las anteriores condiciones.


VENTAJAS DE LOS MOTORES SINCRONOS

- El factor de potencia se puede variar como sea requerido.- Puede dar velocidad constante de condiciones de vacío

a condiciones de plena carga.- La Potencia varía linealmente con el voltaje.


DESVENTAJA DE LOS MOTORES SINCRONOS

• No tiene aplicaciones donde la velocidad sea variable.• Requiere de excitación de cc , proveer en algunos

casos de una fuente externa.• No puede arrancar bajo carga ya que su par de

arranque es cero.• Requiere de anillos colectores y escobillas• Puede salir del sincronismo y parar cuando se

sobrecarga.


SINCRONIZACIÓN

Cuando un generador tiene que alimentar una red de gran capacidad , ésta le impone la frecuencia y la tensión . En el mismo instante en el que se acople a la red , su frecuencia y su tensión deben coincidir con las de la red ; la tensión debe coincidir no solo en lo que respecta a la magnitud , sino también en la fase. Esta condición debe cumplirse en las tres ramas o fases . Implica la exigencia de que la sucesión de las tensiones en las ramas o fases del arrollamiento de la maquina coincida con las de la red.


Estructura de un motor síncrono

(a) imán permanente (b) polos salientes


PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO

El devanado de campo en el rotor produce un flujo Øfen el entrehierro. Este flujo rota a una velocidad sincrónica ws rad/s, la cual es la misma que la velocidad del rotor. El flujo Øfa se une al devanado de fase del estator, por ejemplo la fase a, varia senosoidalmentecon el tiempo:

donde;

y p es el número de polos en el motor. Si asumimos Nscomo un número equivalente de vueltas en cada devanado del estator, la fem inducida en la fase a es:


• Este voltaje inducido en el devanado del estator es llamado voltaje de excitación cuyo valor rms es:

En controladores de motores síncronos, el estator es alimentado con un juego de corrientes trifásicas balanceadas, cuya frecuencia es:


• La componente de la frecuencia fundamental de la corriente del estator produce una amplitud de flujo constante ØS en el entrehierro, la cual rota a la velocidad sincrónica ws. La amplitud de ØS es proporcional a las amplitudes de las componentes de la frecuencia fundamental en las corrientes del estator.El voltaje resultante en el entrehierro es:


Todos estos fasores están definidos. Basados en esta última ecuación y en diagrama fasorial, el circuito equivalente por fase de un motor sincrónico, donde Rs y LIs son la resistencia del devanado y la inductancia de fuga, respectivamente. Incluyendo la caída de voltaje a través de la Rs y LIs en la fase a es:

De el circuito equivalente por fase y el diagrama fasorial, el torque electromagnético Tem puede ser obtenido como sigue: La potencia eléctrica que puede ser convertida en potencia mecánica es:


• donde el ángulo Øf es llamado ángulo de torque y ktes la constante de proporcionalidad.La Ia adelanta a Va. Este adelanto de factor de potencia se requiere si el motor sincrónico es alimentado por un controlador donde la corriente a través de los tiristores inversores es conmutada por los voltajes del motor sincrónico.


a) diagrama fasorial.b) circuito equivalente.

c) voltaje terminal.

REPRESENTACIÓN POR FASE


• En un motor síncrono la velocidad en estado estable está determinada por el número de polos y la frecuencia de la corriente de armadura, exactamente como lo indica la siguiente ecuación:

• donde n = velocidad mecánica en rpm y Wm = velocidad mecánica en rad/seg.


Por lo tanto un motor síncrono operado por una fuente de AC de frecuencia constante debe trabajar a velocidad constante en su estado estable.En un motor el par electromagnético está en la dirección de giro y compensa al par de reacción necesario para impulsar la carga mecánica. El flujo que producen las corrientes en la armadura de un motor síncrono gira adelante del que produce el campo, y así actúa sobre el campo y efectúa trabajo.


SERVO CONTROLADOR CON TENSIÓN SENOIDAL

• Aplicación de Controles de Estado Sólido para ajuste de Velocidad de Motores Síncronos:

• Se puede obtener control de velocidad para motores de inducción mediante control de frecuencia y voltaje, así como por recuperación de la potencia del rotor a la frecuencia de deslizamiento mediante dispositivos especiales.

• El empleo de dispositivos electrónicos de estado sólido para implementar estás técnicas en los sistemas de impulsión de motores síncronos ha conducido al mayor uso de las máquinas de inducción en casos donde se necesita controlar la velocidad


Los sistemas de control de estado sólido de AC son más complejos que sus contrapartes de DC; sin embargo, aunque los motores de DC han dominado el campo de control con velocidad ajustable, los motores síncronos se usan en sistemas de control en los que se deben utilizar sus características especiales, como por ejemplo la ausencia de conmutadores, escobillas y corregir el factor de potencia. El avance en la tecnología de sistemas de control de AC ha ocasionado mayor flexibilidad y grandes reducciones en tamaño, peso y costo de los dispositivos, y ha hecho que aumente el interés en otros tipos de máquinas de AC como las de Imán Permanente y de Reluctancia Variable para aplicaciones de velocidad variable.


• La potencia de frecuencia ajustable se puede generar mediante un circuito tiristor, llamado Inversor. Un tiristor (Rectificador Controlado de Silicio, SCR) es un dispositivo con tres terminales semejante al diodo, con la excepción de que una señal en su compuerta lo debe encender antes de comenzar la conducción de la corriente, cuando tiene voltaje directo.

• Los inversores se emplean para transmitir energía de una fuente de DC a una carga de AC con frecuencia y fase arbitrarias. Se utilizan en los sistemas de control de AC para suministrar corriente de frecuencia ajustable a los motores síncronos, y para regenerar la potencia del circuito del rotor y regresarla a la línea de AC en los motores de inducción de rotor devanado.


• Un control típico para motores consta de un rectificador que convierte la corriente del suministro de AC a la forma de DC, un inversor que forma la corriente alterna de frecuencia ajustable a partir de la barra de DC, y un sistema de control para ajustar la frecuencia y el voltaje del motor, y asegurar que no se rebase el par máximo de éste.Los inversores para suministrar corriente a frecuencia ajustable para los sistemas de control de motores síncronos en general son trifásicos.


• El inversor trifásico tiene como mínimo seis tiristoresdispuestos en la configuración de un puente, como se muestra enseguida.

Configuración de un puente trifásico inversor


• Estos tiristores (TR) se conmutan en forma secuencial para sintetizar un conjunto de voltajes trifásicos en las terminales de AC, que se aplica al motor.La salida de un inversor trifásico se aplica a los motores síncronos para obtener funcionamiento de velocidad ajustable mediante control de frecuencia.

• Cuando se necesita en uno o más motores una velocidad estrechamente controlada, como en las aplicaciones en la industria textil, se usan motores síncronos; éstos trabajan en sincronismo con el oscilador que controla al inversor, independientemente de su carga. La velocidad sincrónica es directamente proporcional a la frecuencia.


Controladores de Servomotores Sincrónicos con Ondas Senosoidales

La distribución de la densidad de flujo en el entrehierro y los voltajes de excitación inducidos en el estator en un motor son casi senoidales. Para controlar controladores servo-sincrónicos, la posición del campo del rotor es medida para saber de una posición absoluta del sensor, con respecto a su eje estacionario, como se muestra en la Figura 4 para un motor de dos polos. Reconociendo que a ø=0 en un motor de dos polos, Ia debe ser a su pico positivo:


• Para un motor de p polos, en general, si ø es el ángulo mecánico medido, entonces el ángulo eléctrico øe es:

Medida de la posición del rotor en el tiempo.

• Si usamos estas ecuaciones y sabemos que las fases b y c están desfasadas 120° y 240°:


• Esta estrategia de control también puede ser usada para controladores de motor de inducción.

Con la frecuencia de la corriente del estator "bloqueada" o sincronizada a la posición del rotor, la cual es continuamente medida, no hay posibilidad de pérdida de sincronismo, y el ángulo de torque ø se mantiene en su óptimo valor de 90°.


• La Figura muestra el diagrama de bloque de un servomotor sincrónico con ondas senosoidales.

Controlador sincrónico de un servo motor


CONTROLADORES DE MOTORES SINCRÓNICOS CON ONDAS TRAPEZOIDALES

•Los motores descritos en la sección previa están diseñados para que las fem inducidas en el estator debido al flujo del campo sean senosoidales y las corrientes del estator produzcan un campo senosoidal. •En ésta sección los motores están diseñados con bobinas concentradas, para que la densidad de flujo de el campo, debido a los imanes permanentes y a los voltajes de excitación inducidos, tenga ondas trapezoidales.

En la última figura se muestra la fem inducida efa(t) en la fase a, donde el rotor gira en la dirección de las manecillas del reloj a una velocidad de ws rad/s y ø es medido con respecto a el estator como se mostró en la figura anterior.


• La onda de la fem tiene una porción plana, la cual ocurre para al menos 120° (eléctricos) durante cada medio ciclo. La amplitud Ef es proporcional a la velocidad del rotor;

• para producir tanto torque libre de risos como sea posible en un motor, la fase de la corriente suministrada debe tener ondas rectangulares como se muestra en la Figura 6b. Como la potencia total es independiente del tiempo, el torque electromagnético instantáneo es también independiente del tiempo y depende solamente de la amplitud de la corriente Is:


•Un regulador de corriente VSI, se utiliza donde las referencias de corriente senosoidales son reemplazadas por referencias de corriente rectangulares. Un ciclo completo es dividido en seis intervalos de 60° eléctricos cada uno. En cada intervalo, la corriente a través de dos fases es constante y proporcional al torque. Para obtener estas referencias de corriente, la posición del rotor es usualmente medido por sensores de efecto Hall que indican la sexta conmutación de corriente instantánea por ciclo eléctrico de onda.


Onda Trapezoidal de un motor síncrono


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