S.E.P. S.N.E.S.T. D.G.E.S.T.INSTITUTO TECNOLGICO del istmo

TRABAJO:MOTOR SINCRONO4.1 OPERACION EN ESTADO ESTACIONARIO4.2 ARRANQUE DEL MOTOR SINCRONO4.3VALORES NOMINALES4.4 MODELADO DE LA MAQUINAALUMNOS:OSCAR ROBLES PARADALUIS ENRIQUE MNDEZ ROBLESELIZABETH CABRERA MORALESALDAIR PACHECO GARCIACAROLINA LPEZ CAUDERDANNY CARRASQUEDOSEMESTRE:SEXTO SEMESTRE.GRUPO: KESPECIALIDAD:INGENIERA ELCTRICAMATERIA:MAQUINAS SINCRONAS Y DE CD.CATEDRATICO:ING. TOMAS MARTINEZ MARTINEZH. CD. DE JUCHITN DE ZARAGOZA, OAX. 15 DE JUNIO DEL 2015.

Heroica ciudad de juchitan de Zaragoza, oax. Agosto del 2009.

AGRADECIMIENTOS

Un agradecimiento especial a cada uno de nuestros padres por apoyarnos en nuestros estudios y poder lograr ser unos profesionistas capacitados, ayudndonos a superar cada uno de los obstculos que nos dificultan no solo en parte acadmica si no en toda la vida por esta razn, dando en cada trabajo lo mejor de uno para para as enorgullecerlos.

NOTACIONES Y/O ACRNIMOS

NDICE

4.1 OPERACION EN ESTADO ESTACIONARIO DE LOS MOTORES SINCRONOS4.2 ARRANQUE DEL MOTOR SINCRONO4.3VALORES NOMINALES.4.4 MODELADO DE LA MAQUINA

NDICE DE FIGURASFigura 1.- Seccin transversal de MS con devanado de campo..Figura 2.- Devanados del estator y del rotor del MS..Figura 3.- Sistemas de voltaje trifsicos balanceados.Figura 4.- Diagrama fasorial de los voltajes y corrientes trifsicos balanceados.Figura 5.- problemas durante el arranque de un motor sncrono.Figura 6.- masa polar de campo del rotor de una maquina sincrnica que muestra los embobinados amortiguadores, en la cara polar.Figura 7. Diagrama simplificado de una mquina de dos polos salientes, que se muestra lo embobinados amortiguados

Figura 8.- Placa tpica de un motor de induccin de alta eficiencia..

Figura 9.- MS de imanes permanentes a) diagrama esquemtico y b) diagrama elctrico de los circuitos del estatorFigura 10.- circuitos del rotor y estator del MS con devanado de campo..

INTRODUCCIN

UNIDAD 4 MOTOR SINCRONO4.1 OPERACIN EN ESTADO ESTACIONARIO DE LOS MOTORES SINCRONOS Un motor sncrono (MS) es un motor de corriente alterna (CA) que tiene como caracterstica principal que su velocidad es proporcional a la frecuencia del voltaje aplicado a su estator. La velocidad a la cual gira el rotor del MS es igual a la del campo magntico giratorio generado por el estator la cual se llama de sincronismo, de aqu el nombre que se le da al motor. Existen varios tipos de motores sncronos entre los cuales se encuentran: el MS de imanes permanentes y el MS con devanado de campoConstruccin y operacin del motor sncrono El MS est formada esencialmente por una parte fija llamada estator y una giratoria llamada rotor. Entre estas dos partes se encuentra un pequeo espacio de aire que se conoce como entrehierro. En las ranuras del estator se encuentra distribuido el devanado de armadura trifsico, y en el rotor, segn el tipo de motor, se encuentra el devanado de campo o imanes permanentes. En la figura 1 se muestra un diagrama de la distribucin de los devanados del estator (a, b, c) y de campo (f ) del MS de rotor cilndrico. En esta representacin se considera que la mquina es de dos polos y que sus devanados estn concentrados en una sola bobina cada uno, aunque en la prctica los devanados se encuentran distribuidos sinusoidalmente en la periferia del estator. En la figura tambin se indican las direcciones de los ejes magnticos de las tres fases del estator y el eje magntico del rotor. Los devanados del estator estn distribuidos de manera que sus ejes magnticos estn desplazados entre si 2/3 radianes elctricos. Las cruces en el diagrama indican que las corrientes entran por esos extremos de las bobinas y salen por los extremos marcados con un punto.

Figura 1.- Seccin transversal de MS con devanado de campo

El movimiento giratorio del rotor est caracterizado por el desplazamiento angular elctrico e y la velocidad angular elctrica e del rotor. Los voltajes aplicados a los devanados de armadura son generalmente mucho mayores que los del devanado de campo, debido a esto es preferible tener el devanado de armadura fijo para facilitar las conexiones. El devanado de armadura se alimenta con CA trifsico, mientras que el devanado de campo se alimenta con corriente directa (CD). En el caso del MS con devanado de campo la alimentacin del rotor se hace generalmente mediante un sistema de dos anillos deslizantes montados sobre el eje y aislados elctricamente. La corriente de campo se lleva al rotor a travs de un juego de escobillas que hacen contacto sobre los anillos deslizantes. El rotor del MS puede ser cilndrico o de polos salientes.

El devanado de armadura al ser alimentado con CA trifsica genera un campo magntico giratorio de magnitud constante [Kundur, 1994]. La velocidad de este campo magntico giratorio en revoluciones por minuto (rpm) est dada por:

f = Frecuencia elctrica (Hz)ns =Velocidad del campo magntico (rpm)P = Numero de polos En estado estacionario el rotor del motor gira a esta misma velocidad. Como se observa en la figura 1, la velocidad depende de la frecuencia del voltaje aplicado a los devanados del estator y del nmero de polos, y no del tipo de carga mecnica que mueve. Ya que el nmero de polos por construccin es fijo, si la frecuencia del voltaje de armadura se mantiene constante la velocidad del motor en estado estacionario ser constante desde su operacin en vaco hasta la potencia mxima. Si el motor se carga ms all de la potencia mxima admisible entra en la regin de operacin inestable y el motor pierde el sincronismo; esta situacin es indeseable. Los motores sncronos pueden tener uno o varios pares de polos. Los motores sncronos con pocos pares de polos son de velocidades altas, mientras que los de un gran nmero de pares de polos son de baja velocidad. El devanado de campo se distribuye de tal manera que se alternen magnticamente las polaridades norte y sur en el rotor. Algunos anlisis en este trabajo de tesis se hacen para un motor con un nico par de polos, sin embargo los resultados pueden extrapolarse a motores con ms de un par de polos. Cuando el nmero de pares de polos np es diferente de uno, el desplazamiento angular elctrico e, no es igual al desplazamiento angular mecnico del motor m, sin embargo estos estn relacionados. Esta ltima expresin es muy importante ya que generalmente el valor que se puede medir es el desplazamiento mecnico . e p = n m m y en el modelo del subsistema elctrico el que interviene es el desplazamiento elctrico e. Una de las principales caractersticas del MS con devanado de campo es el poder operar con distintos factores de potencia, a diferencia del motor de induccin tipo jaula de ardilla que opera invariablemente en retraso. As se puede tener un MS funcionando con factor de potencia en atraso, adelanto o unitario. El factor de potencia al cual opera el motor se puede modificar variando el voltaje de CD aplicado al devanado de campo.

Determinacin del circuito equivalente del motor sncrono El devanado trifsico de armadura puede conectarse en estrella o en delta. Independientemente de la conexin cada devanado se representa por una resistencia y una inductancia, como se muestra en la figura 2 Los devanados del estator por ser simtricos tienen igual resistencia, rs, y el devanado del rotor tiene una resistencia rf. ia, ib, ic e if son las corrientes en los devanados y va, vb, vc y vf son los voltajes aplicados a cada fase del estator.

Figura 2.- Devanados del estator y del rotor del MSLos enlaces de flujo de los devanados de armadura y de campo estn dados por las siguientes ecuaciones.

Donde a, b, c y f son los enlaces de flujo correspondientes a cada uno de los devanados y l son inductancias que pueden ser dependientes del ngulo e entre los ejes magnticos de la fase a y del rotor. Si los subndices de las inductancias son iguales indican que son inductancias propias y si son diferentes indican que es una inductancia mutua entre los dos devanados indicados por los subndices. As, la inductancia mutua lij es la inductancia del devanado de la fase i, debida a la corriente ij del devanado de la fase j. Las inductancias propias de los devanados de armadura y campo, constan de dos componentes, una llamada de dispersin, debida precisamente al flujo disperso en el propio devanado y la otra llamada de magnetizacin, debida a la componente del flujo de magnetizacin causada por ese devanado. As para el devanado del rotor tenemos que su inductancia propia se descompone de la siguiente manera:

Lffl es la componente de dispersin y Lff0 es la componente de magnetizacin. Dichas componentes son independientes del tiempo. El empleo de la letra L indica que la inductancia es independiente de e. En el estator debido a la construccin simtrica de sus devanados las inductancias propias son de igual valor y estn dadas por:

En cuanto a las inductancias mutuas, estas se encuentran en funcin del coseno del ngulo entre los ejes magnticos de los devanados involucrados. Por tanto las inductancias mutuas entre los devanados del estator son de valor constante, ya que el ngulo entre los ejes magnticos de dos devanados cualesquiera del estator es fijo e igual a 2/3 radianes elctricos. Por la simetra de construccin del estator del MS, las inductancias mutuas entre los devanados del estator son iguales a:

Figura 3.- Sistemas de voltaje trifsicos balanceados

Este sistema de voltajes est dado por las siguientes ecuaciones:

Donde Vm es la amplitud mxima de estos voltajes.

Operacin del motor sncrono en estado estacionario Cuando se tiene un circuito elctrico lineal operando en estado permanente donde sus fuentes de voltaje o corriente son de una frecuencia nica, toda corriente o voltaje en el circuito se puede determinar completamente por su amplitud mxima y su ngulo de fase. El concepto de fasor nos ayuda a representar una funcin senoidal por medio de un nmero complejo en forma polar. As por ejemplo los voltajes descritos podramos describirlos por los siguientes nmeros complejos:

Para realizar la transformacin a fasores de las corrientes y enlaces de flujo se sigue un procedimiento similar al de los voltajes. Tambin existe una transformacin para los elementos pasivos resistencia R, inductor L y capacitor C. Las resistencias pasan igual al hacer la transformacin del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia y viceversa. Un inductor L al pasar al dominio de la frecuencia como XL=L, lo que se conoce como reactancia inductiva. Un capacitor C al pasa al dominio de la frecuencia como XC=-1/C, que es la reactancia capacitiva. Ambas reactancias, inductiva y capacitiva, cumplen con V=X, donde V son el voltaje y la corriente en el elemento, ambos en el dominio de la frecuencia. Para obtener una representacin grfica de los voltajes y corrientes en un circuito se emplean los diagramas fasoriales. Un diagrama fasorial es una grfica en el plano complejo de los voltajes y las corrientes. El diagrama fasorial de los voltajes y corrientes trifsicos balanceados del motor se muestra en la figura 4, se observa que el valor mximo de los 3 voltajes es igual y que el desfasamiento entre uno de los voltajes con los otros dos es de 2/3. Estas dos condiciones anteriores se cumplen tambin para las corrientes.

Figura 4.- Diagrama fasorial de los voltajes y corrientes trifsicos balanceados

4.2 ARRANQUE DE MOTOR SNCRONO. Es evidente, entonces, que el motor sncrono debe llevarse a una velocidad suficientemente a la velocidad sncrona, a fin de quedar en sincronismo con el campo giratorio, los medios con los cuales se lleva hasta la velocidad correspondiente son: (1) un motor C.C acoplado al eje del motor sncrono; (2) el uso de la excitatriz como motor de C.C.; (3) un pequeo motor de induccin de, por lo menos, un par de polos menos que el motor sncrono; (4) el uso de los devanados amortiguadores como motor de induccin de jaula de ardilla. El primer mtodo se usa veces en laboratorios con motores sncronos no equipados con devanados amortiguadores. Generalmente, el motor sncrono est pensado como motor de accionamiento de velocidad constante de velocidad constante para el generador de C.C. Pero para llevar el motor a sincronismo, el generador de CC se hace de C.A (apartado 7-16) como alternador. Una vez en paralelo con la alimentacin, la maquina sncrona funciona como motor. El motor de C.C no actuara como generador si su corriente de excitacin aumenta de manera que su FEM generada sea mayor que la tensin en barras de C.C. El segundo mtodo es realmente igual que el primero, excepto que la excitatriz (un generador derivacin de C.C) se hace funcionar como motor y la maquina sncrona de C.A esta sincronizada a la fuente C.A. El tercer mtodo en el cual se usa un motor de induccin auxiliar con menos polos, implica el mismo procedimiento de sincronizacin para el motor sncrono de C.A que un alternador. Se necesita como mnimo un par de polos menos en un motor de induccin para compensar la prdida de velocidad del motor de induccin debido al deslizamiento. En los tres mtodos mencionados anteriormente, es necesario, (1) que haya poca o ninguna carga sobre el motor sncrono. (2) que la capacidad del motor de arranque (c.c o c.a).esta comprenda entre el 5 y 10 % de la potencia nominal de motor sncrono acoplado a l. En dicha seccin siempre se supuso que inicialmente el motor giraba a "velocidad de sincronismo. Lo que an no se ha estudiado es la pregunta: como llego el motor a alcanzar la velocidad de sincronismo en primer lugar? Para entender la naturaleza del problema del arranque, vase la figura 9-15. Esta figura muestra un motor sincr6nicu de 60-Hz en el momento en que se le aplica la potencia al embobinado del estator. EI rotor del motor es estacionario y por tanto el campo magntico BR es estacionario. EI campo magntico Bs comienza a pasar rpidamente alrededor del motor a velocidad de sincronismo.

Figura 5.- problemas durante el arranque de un motor sncrono.

La figura 5 muestra la maquina a las t = Os, cuando BR y Bs estn exactamente alineados. Por la ecuacin para el momento de torsin inducido.

El momento de torsin inducido sobre el eje del rotor es cero, la Figura 5b muestra la situacin a las t =1 \240 S, En tan corto tiempo, el rotor escasamente se ha movido, pero el campo magntico del estator ahora seala hacia la izquierda. Por la ecuacin del momento de torsin inducido, el momento de torsin sabr el eje del rotor est ahora en direccin contraria al sentido de las manecillas del reloj. La figura 5c muestra la situacin a las t= 2/240 S. En esa punta BR y Bs sealan en direccin contraria y Tind es igual a cero nuevamente. A las t= 3/240 S, el campo magntico del estator apunta ahora a la derecha y el momento de torsin resultante est en el sentido de las manecillas del reloj.

Por ltimo, a las t = 4/240 S, el campo magntico del estator esta nuevamente alineado con el campo magntico del rotor y Tind = 0. Durante un ciclo elctrico, el momento de torsin primero estuvo en el sentido contrario al de las manecillas del reloj y luego en el mismo sentido y el momento de torsin promedio durante el ciclo completo fue cero. Lo que le sucede al motor es que vibra fuertemente con cada ciclo elctrico y finalmente se recalienta.

Aproximacin al arranque del motor sincrnico difcilmente se considera satisfactorio.Los gerentes tienden a molestarse con los empleados que queman los equipos costosos.Entonces. Cmo puede arrancarse un motor sincrnico?Tres mtodos bsicos pueden usarse para arrancar un motor sincrnico en forma segura:1.- Reducir la velocidad del campo magntico del estator hasta un valor suficientemente bajo como para que el rotor se pueda acelerar y enganchar con l durante medio ciclo de rotacin del campo magntico. Esto se puede hacer reduciendo la frecuencia de la potencia elctrica. 2. Usar un motor primario externo para acelerar el motor sincrnico hasta la velocidad de sincronismo, seguir el procedimiento para ponerlo en paralelo y poner la maquina en lnea como un generador. Luego, al apagar a desconectar el motor primario harn de la maquina sincr6nica, un motor.3. Usar embobinados amortiguadores. La funcin de los embobinados amortiguadores y su uso en el arranque de motores se describir ms adelante.

Arranque del motor reduciendo la frecuencia elctrica. Si los campos magnticos del estator de un motor sincrnico giran a una velocidad suficientemente baja, no habr problema para que el rotor acelere y se enganche con el campo magntico del estator. La velocidad de los campos magnticos del estator puede, entonces, incrementarse hasta obtener la velocidad de funcionamiento, aumentando gradualmente fe hasta su valor normal a 50- 0 60-Hz. Esta forma de arrancar de los motores sincrnicos tiene mucho sentido, pero tiene un grave problema: cmo se obtiene la frecuencia elctrica variable? Los sistemas de potencia normales estn cuidadosamente graduados a 50 0 60 Hz Ys610 hasta hace poco cualquier fuente de voltaje de frecuencia variable tena que provenir de un generador exclusivo para esto. Tal situaci6n era obviamente nada prctica, excepto para circunstancias poco usuales. Hoy, las cosas han variado. se describieron el rectificador-inversor y el ciclo convertidor, que pueden ser utilizados para convertir frecuencia constante de entrada en cualquier frecuencia de salida requerida. Con el desarrollo de tales accionamientos modernos de estado slido para el manejo de la frecuencia variable es perfectamente posible controlar completa y continuamente la frecuencia elctrica aplicada al motor, desde una fraccin de hertzio hasta la frecuencia nominal total y aun por encima de ella. Si tal unidad de manejo de frecuencia variable se incluye en un circuito de control de motor para lograr control de velocidad, entonces arrancar el motor sincrnico es muy fcil: sencillamente se grada la frecuencia en un valor muy bajo para arrancar y luego se eleva hasta la frecuencia de funcionamiento para que opere normalmente. Cuando un motor sincrnico se opera a una velocidad menor que la nominal, su voltaje generado ntimamente EA = K