MOTOR SÍNCRONO Principio de funcionamiento, curvas y...

MOTOR SÍNCRONO Principio de funcionamiento,

curvas y aplicaciones

18/06/2013

Electrotecnia y Máquinas Eléctricas

• Motor

Principio de funcionamiento

18/06/2013 Máquinas Eléctricas 3

Principio de funcionamiento

4 18/06/2013 Máquinas Eléctricas

• Funcionamiento

Diagrama Vectorial

• Generador:

Circuito equivalente para generador y motor

18/06/2013 Máquinas Eléctricas

Diagrama Vectorial

• Motor

rmsmmm

EIjXEU

• ANALOGÍA MECÁNICA Máquinas Eléctricas 18/06/2013 9

Comparación mecánica

• Generador • Motor

rmsmmm

EIjXEU

• Estabilidad del motor

Modificación del cosφ

rmsmmm

EIjXEU

• Curvas en V de Mordey

Máquinas Eléctricas 18/06/2013 14

• Curvas en V de Mordey

I = f(Iex)

a potencia de

carga constante

Curvas en V

• Estabilidad Estática

• Con = 90º “límite teórico

de estabilidad estática” E03

Cualquier

excitación

menor no permite

la transferencia

de potencia

mecánica y la

máquina se sale de

sincronismo

• ESTABILIDAD ESTÁTICA

Estabilidad Estática

)ABsegmento(senXs

)()cos( 11 ACsegmentoUEXs

)( BCsegmentoQjPS

Se concluye que los valores de Eo pueden oscilar entre dos límites,

uno mínimo por debajo del cual se pierde el sincronismo y uno

máximo determinado por el calentamiento del devanado de excitación,

por la gran corriente de excitación

e • P1 = potencia mecánica nominal

suministrada a la máquina accionada

• Estabilidad Dinámica. Teorema de las áreas

• Un solo punto de funcionamiento estable estáticamente, el

punto A, el ángulo interno 1 es ahora inferior a 90º .

• Examinemos por ejemplo para un aumento repentino de la carga de P1 a P2.

• El ángulo interno de la máquina no podrá cambiar instantáneamente, el punto de funcionamiento pasará de A a B, fuera de la senoide Pe = f().

• La potencia eléctrica es ahora inferior a la potencia mecánica demandada por el eje, el rotor se retrasa y el ángulo interno aumenta gradualmente de 1 a 2.

• Entonces = 2, en el punto C sobre la sinusoide, ahí se tiene un equilibrio de las potencias eléctricas y mecánicas, no obstante la máquina no se puede estabilizar en ese punto porque la velocidad relativa del rotor respecto a la de

sincronismo no es nula.

• En efecto, durante el desplazamiento BC (de 1 a 2 )

la velocidad del rotor es disminuida por debajo de

la velocidad de sincronismo, el suplemento de

energía demandada al árbol es suministrada por la

desaceleración de las masas en rotación.

• Un excedente de la energía eléctrica es necesaria para anular la desaceleración del rotor.

• Al punto C el ángulo interno continua aumentando pero esta vez la potencia eléctrica es superior a la potencia del árbol, la velocidad de crecimiento de disminuye hasta m donde se anula.

• El punto D ( = m) no corresponde a un equilibrio estable; porque está fuera de la sinusoide.

• Como ahora hay un excedente de la potencia eléctrica, las masas se aceleran, el ángulo disminuye y el punto de funcionamiento vuelve de D a C.

• Empero, la máquina no se puede estabilizar en el punto C por las mismas razones expuestas anteriormente, la velocidad relativa del rotor no es mas nula y no se puede anular a izquierda del punto C porque hay una falta de potencia eléctrica.

• Si no hay un efecto amortiguador, el motor oscilará indefinidamente entre los puntos B y D.

• En realidad, las resistencias mecánicas y el amortiguamiento eléctrico disminuyen las oscilaciones y estabilizan la máquina en el punto C.

Estabilidad Dinámica. Teorema de las áreas

• El área ABC representa la falta de energía eléctrica del motor para

atender el desplazamiento del rotor de B a C y corresponde a la energía

entregada por la desaceleración de las masas en rotación.

• El área CDE representa el excedente de energía eléctrica por el

desplazamiento CD y corresponde a la energía restituida por las masas

en rotación.

• En efecto, el movimiento de las masas esta regido par la ecuación

de la Dinámica de Rotación

• En la cual J es el momento de inercia de las partes rotantes, la

velocidad angular de rotación, Ce y Cr respectivamente las cuplas

eléctricas y resistentes.

)(CCdt

dw.JJ re 1

• Recordando: w = wS +d/dt siendo wS la velocidad síncrona,

la velocidad angular de desplazamiento relativo, la

ecuación (1) resulta:

• Multiplicando ambos miembros por d e integrando se

obtiene:

• El primer miembro de esta ecuación representa la energía

cinética de rotación entregada ó restituida por las masas

en rotación debido al desplazamiento relativo d.

• La energía cinética de

rotación es igual al

trabajo de las cuplas.

d)CC(d.dt

dwJ re

d)CC(Jwdw re

d)CC(Jw re2

Estabilidad Dinámica. Teorema de las áreas

• La estabilidad impone la igualdad de las energías cinética almacenada y restituida, requiere la igualdad de las áreas ABC y CDE y luego la verificación de la igualdad.

• Es de remarcar que esta teoría de las áreas es

aplicable a las curvas Pe = f () y Pm = f ().

• En el curso del desplazamiento del rotor, el punto D no puede pasar la sinusoide en su rama descendente.

• Si la igualdad de áreas no se respeta entonces la caída de la potencia mecánica encuentra la curva de la potencia eléctrica en la rama descendente, ello no se podrá más obtener porque la potencia eléctrica deviene ahora inferior a la potencia mecánica. Tiene entonces pérdida de sincronismo o desenganche de la máquina.

• El límite de la estabilidad dinámica es entonces dada por la horizontal que determine la igualdad de las áreas por la superficie ABC y la comprendida entre la sinusoide y la recta CD. (Fig.18 ).Este límite es superior al límite de estabilidad estática, el ángulo interno , puede sobrepasar los 90° dependiendo de las oscilaciones.

• Este límite de estabilidad, no es único, depende de la potencia inicial P1 y esta fijado por la sobrecarga máxima (P2 - P1) que se le puede imponer bruscamente.

• Amortiguamiento • El diagrama del motor síncrono en • carga es:

Recordar que en el motor E atrasa respecto a U, a la inversa que en el generador. Si se retira el momento resistente súbitamente, E tendera a coincidir con U pero esto no puede suceder rápidamente por la inercia del rotor, y en ese instante el estator recibe mas energía eléctrica que la que necesita el par motor; que en principio servía para vencer el par resistente, entonces acelera la rueda polar tendiendo a hacer = 0 .-

• Amortiguamiento • Cuando llega a ese punto ( = 0) su energía cinética hace

que sobrepase ese valor, la máquina se transforma en generador, se frena porque no tiene un motor que lo

mantenga y vuelve a =0 y así oscila transitoriamente hasta que se estabiliza, siempre y cuando tenga amortiguamiento.

• En el caso que 90° (motor al máximo de su carga) y se

produzca una sobrecarga, se corre el peligro que las

oscilaciones sobrepasen los 90° y el motor se desenganche.

• Con el objeto de tener el amortiguamiento necesario es que se provee a las máquinas de una jaula de ardilla, en las expansiones polares, que es la que provee de una cupla asíncrona que se opone a los cambios de energía cinética.-

• Arranque de Motor Síncrono

Arranque del motor síncrono

• ARRANQUE MOTOR SÍNCRONO • No arranca solo Soluciones:

• Arranque

Arranque del motor síncrono 34 18/06/2013 Máquinas Eléctricas

Arranque automático del motor síncrono

• El circuito de control, la resistencia de descarga, los diodos rectificadores y el inducido de la excitatriz son solidarios en el mismo eje de la rueda polar y giran con ella fig. 24. El circuito de control, cuando la rueda polar llega cercana al sincronismo, actúa sobre el thyristor 2_ (SCR2) desconectando la resistencia y conectando, por el SCR1, la c.c de la excitatriz.

18/06/2013 36 Máquinas Eléctricas

Arranque por regulación de frecuencia • Un método que se está usando cada vez más, es el de regular

la frecuencia de alimentación del motor, a través de “convertidores estáticos de frecuencia”. Básicamente, estos están constituidos por un rectificador, transforma la c.a. en c.c. y luego esta es convertida nuevamente en c.a. a frecuencia variable a través de un circuito de control y regulación

Estos equipos se los encuentra hasta 27 MW de potencia.

Como ejemplo mencionamos que el barco de pasajeros “ Carnival Destiny” que recorre el Caribe, tiene sus dos hélices principales accionadas por motores síncronos de 27.000 HP cada uno, a través de convertidores de frecuencia de alta tensión.

Momento del motor síncrono En el tema de “Potencia electromagnética “ se dedujo la expresión de dicha potencia. Por simplicidad, consideremos inicialmente, un motor síncrono trifásico de rotor liso. Para este la potencia es: Cuando el motor gira a una velocidad angular mecánica mec el par será: y siendo, donde = 2 es la pulsación eléctrica, el par queda: que será máximo para = 90º. • El par nominal se obtiene para un ángulo = 25º a 30º eléctricos, por lo

cual el cociente suele estar comprendido entre 2 a2,5.- Aumentado la excitación, crece Eo y se aumenta el par máximo, pudiendo llegar a 3,5 a 4 el nominal.- En el caso de motores de polos salientes, la expresión del momento será y el par máximo menor de 90º.- De esta última se infiere que el motor síncrono de polos salientes tiene mayor par que el de rotor liso, porque tiene el par de excitación (1º término del 2º miembro) más el par de reluctancia (2º término del 2º miembro).

Aplicaciones del motor síncrono

Trabajando como

motor, entregando

potencia útil solamente.

• Trabajando

como motor,

entregando

potencia útil y

sobreexcitado.

Conectado como

compensador

Síncrono se puede

aumentar la Pinst.

Caso que no se Disponga de

mayor potencia aparente

Comparación de costos de motores síncronos

Compensador síncrono 44 18/06/2013 Máquinas Eléctricas

• Motor a reluctancia • Cuando se estudió el momento del motor síncrono, quedo

establecido que, en el caso de un motor sin excitación, hay

par debido a las diferentes reactancias del circuito; pero con

solo esta condición no arranca por si solo, entonces hay que

proveerlo de un medio para que lo haga. Para ello el rotor

tiene barras y anillos en c.c. fundidos en aluminio que

rellenan las ranuras; con una distribución tal de los dientes

que quedan notoriamente diferenciados los polos, para que

sean distintas las reactancias en los ejes directo y cuadratura;

por consiguiente estos motores son de arranque automático,

pues lo hacen como asíncronos con jaula..

• El estator es igual al de un motor normal a inducción.

• Se pueden clasificar en a) trifásicos y b) monofásicos de fase

dividida o con capacitor. Se los suele encontrar hasta de 10

HP de potencia.

• En la figura se observa un rotor de 4 polos, motor de 1.500 r.p.m., en el que ha sido reforzado el camino en el eje directo y debilitado el en cuadratura,

para aumentar la diferencia Xd - Xc

• 2°) MOTOR A HISTÉRESIS

• Forma constructiva: el estator es igual al de un motor asíncrono, el rotor es un cilindro liso constituido por un anillo exterior de cobalto o acero al cromo sobre un núcleo de aluminio.

• Principio de funcionamiento: el rotor está constituido por material magnético, la corriente inducida provoca una magnetización radial del rotor, retardada por histéresis, por consiguiente se comporta en marcha, como un imán permanente, el cual viene arrastrado a la velocidad de sincronismo por el campo rodante del estator.

• Aplicaciones: Es silencioso y de operación muy uniforme; rodillos impulsores de cintas en grabadores; giroscopios en sistemas de navegación y control inercial.

• Arranque: lo hace debido al par producido por las corrientes parásitas: en general: M = K .R21.I2

21/s = K. potencia secundaria /s, la potencia por corrientes parásitas es Pp =K.f2

2.B2 = k.s.f1.B2

• luego el par será Mp =k.s2.f12.B2/s = s.f1

• Es decir hay par durante su funcionamiento asíncrono (s) y se anula cuando llega al sincronismo (s = 0) .-

• Marcha: lo hace en sincronismo debido al par histerético, la potencia por histéresis es :

Ph = K f2 B2 = K s f1 B2 y el par será: Mh = K s f1 B2 /s = K f1 B2 constante e independiente de

• Para ello es que el material del rotor debe tener altas pérdidas par histéresis.

• Se pueden clasificar en: a) polifásicos, b) monofásicos con capacitor y c) monofásicos

con polos sombras.

• Otra forma de explicar el momento motor es: el material de alta histéresis del rotor,

deforma el campo por consiguiente hay dos flujos desfasados, luego hay par:

• F = 1.2 sen

MOTOR CON ROTOR DENTADO • Motor sincrónico monofásico, que gira en base al principio de que el

circuito magnético tiende a la posición de mínima reluctancia. Por

cada ciclo del flujo monofásico en el hierro, los dientes tienden a

enfrentarse (mínima reluctancia)

• Pasan al siguiente diente por inercia en los momentos cero de cada

ciclo .

• Tienen muy poco par y su velocidad depende del Nº de dientes m:

• No arranca por si mismo.

• Es también un motor a reluctancia.-

ALTERNADOR PARA AUTOMÓVILES

• Es un generador trifásico, estator conectado en

estrella y con polos en el rotor en forma de garras,

lo que permite tener unas sola bobina cilíndrica en

el rotor para todos los polos.

• Otra ventaja: permite altas velocidades, 5000 a 6000 rpm.

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