Máquinas síncronas
Definición
Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía eléctrica, en potencia mecánica. La máquina sincrónica es la más ampliamente utilizada para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica.La palabra síncrono proviene del griego; el prefijo syn significa con, y chronossignifica tiempo.
Un motor síncrono opera literalmente "en tiempo con" o "en sincronismo" con la fuente de alimentación del sistema.
Debido al hecho de que los motores síncronos se pueden ajustar para operaciones con características especiales, las industrias se deciden cada vez más por este tipo de motor.
Entre las principales razones de la industria para utilizar este tipo de motor, es la capacidad de ser utilizado en un amplio rango de aplicaciones con una alta eficiencia, así como el hecho de que se pueden utilizar para operar como compensadores síncronos. Además de esto, estos motores también se caracterizan por un alto torque, una velocidad constante bajo variaciones de carga, además de un costo de mantenimiento menor, permitiendo un ahorro en tiempo y trabajo para sus usuarios.
Dependiendo del sistema mecánico de accionamiento, las máquinas sincrónicas pueden construirse de rotor liso cuando deban operar en altas velocidades, o con rotor de polos salientes cuando son accionadas a menor velocidad.
La característica de velocidad constante se logra por la interacción entre un campo magnético constante y de rotación.
Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores en las plantas de producción de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como motor. Como otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el número de aplicaciones donde puede ser utilizada con grandes ventajas, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable.
Principio de funcionamiento
Los embobinados del estator y del rotor son idénticos a los que se encuentran en un motor de inducción trifásico. Idéntico a los motores de inducción, la corriente que fluye a través del estator, genera un flujo de campo magnético rotatorio que circula alrededor del entrehierro.
Para entender el principio de operación de un motor síncrono, debemos examinar que ocurre si conectamos el embobinado de la armadura a una fuente de alimentación trifásica balanceada, así como el embobinado del rotor a una fuente de corriente directa.
Lo que podemos observar es que la corriente que fluye a través del rotor generará un campo magnético con sus correspondientes polo norte y sur, de una forma estática; en cambio, las bobinas conectadas a la fuente de CA generaran un campo magnético rotatorio a una velocidad de sincronismo (relacionada con la frecuencia de la fuente, así como el número de pares de polos del motor)
Podemos ver en esta imagen la fuerza de atracción entre los polos del estator y el rotor, produciendo un torque en dirección de las manecillas del reloj.
Entonces tenemos que en las bobinas del estator tenemos un campo alternante, y en las del rotor un campo fijo.
Estos dos campos tratan de alinearse, y entonces el polo del rotor trata de seguir al polo del estator, sin embargo, el rotor no se puede mover de forma instantánea debido a su inercia mecánica, por lo que requiere de un tiempo para moverse. Mientras esto sucede el polo del estator cambiará rápidamente su polaridad y volverse un polo sur; entonces la fuerza de atracción será reemplazada por una fuerza de repulsión provocando un torque en el sentido contrario.
Debido a esta acción de cambio en el sentido de giro del motor (que se efectúa en un tiempo menor al que requiere el eje para superar su inercia mecánica) a una frecuencia del doble de la frecuencia de la fuente de alimentación, el motor no podrá comenzar a moverse, y sólo se quedará en una posición vibrando, sin poder ser utilizado.
Si por el contario, el rotor estuviera girando a una velocidad cercana a la velocidad de sincronismo gracias a algún agente externo, como un motor auxiliar, montado en el mismo eje que el motor síncrono, los polos del rotor sí podrían quedar "enganchados" a los polos del estator, y entonces, si se desconecta el motor auxiliar, el motor síncrono podría continuar girando a la velocidad de sincronismo.
De esto podemos decir que el motor síncrono no puede comenzar a girar por sí mismo (es decir, no tiene un par inicial), por lo que algún mecanismo se le debe agregar al motor (ya sea interna, o externamente) para ayudarlo a arrancar.
Partes principales
La máquina sincrónica es un convertidor electromecánico de energía con una pieza giratoria denominada rotor o campo, cuya bobina se excita mediante la inyección de una corriente continua, y una pieza fija denominada estator o armadura por cuyas bobinas circula corriente alterna. Las corrientes alternas que circulan por los enrollados del estator producen un campo magnético rotatorio que gira en el entrehierro de la máquina con la frecuencia angular de las corrientes de armadura. El rotor debe girar a la misma velocidad del campo magnético rotatorio producido en el estator para que el torque eléctrico medio pueda ser diferente de cero. Si las velocidades angulares del campo magnético rotatorio y del rotor de la máquina sincrónica son diferentes, el torque eléctrico medio es nulo. Por esta razón a esta máquina se la denomina sincrónica; el rotor gira mecánicamente a la misma frecuencia del campo magnético rotatorio del estator durante la operación en régimen permanente.
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 por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red.
Una máquina síncrona es una maquina 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.
Estator
El estator, o parte estática, de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado trifásico de corriente alterna denominado devanado inducido y un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas.
El campo magnético presente en el estator de una máquina sincrónica gira con una velocidad constante. La velocidad de giro en régimen permanente está ligada con la frecuencia de la tensión en bornes y el número de pares de polos.
Rotor
El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado de corriente continua 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.
El resto de las características del rotor están relacionadas con el objetivo de obtener un campo entre el rotor y el estator de carácter senoidal y dependen del tipo de máquina síncrona:
Métodos de arranque
Básicamente hay tres métodos que son utilizados para arrancar un motor síncrono:
1. Reduciendo la velocidad del campo magnético rotatorio de tal forma que el rotor pueda de una forma más sencilla acelerar y engancharse al estator durante un medio ciclo de la rotación del campo magnético
2. Usando un motor auxiliar para acelerar el rotor a una velocidad cercana a la de sincronismo, y entonces alimentar el rotor y el estator.
3. Usando embobinados de amortiguamiento. El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina asíncrona; contiene un devanado de corriente continua 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.
El devanado amortiguador en un generador síncrono no es más que una jaula de ardilla que se coloca a lo largo de los polos del generador por medio de barras y se cierra en los costados con anillos de corto circuito. Sirve para ayudar al generador en el momento del arranque, después se "desconecta" ya cuando alcanzó el estado síncrono.
En el arranque, las bobinas del estator (las que se conectar a la corriente continua) no se encuentran energizadas, Así que el campo magnético producido por las bobinas del estator induce electricidad en las barras de la jaula de ardilla y el motor comienza a rotar, justo como en el funcionamiento de un motor de inducción.
Cuando el rotor alcanza su máxima velocidad, se energizan las bobinas de CD, con lo cual los polos del rotor se enganchan con los del estator, alcanzando la velocidad de sincronismo.
Ventajas máquinas síncronas
Ventajas
Entre las ventajas que se encuentran en estos motores se encuentra:
- Alta eficiencia
- Corrección del factor de potencia.
- Características de arranque especiales
- Velocidad constante bajo variaciones de carga
- Bajo costo de mantenimiento
Alta eficiencia
Asociado al costo de compra inicial de un motor síncrono, mayores ganancias resultan de bajo costo operacional, también es importante considerar esto.
En estos casos, cuando la eficiencia es un factor importante cuando se especifica un motor, un motor síncrono con un factor de potencia de 1 es la solución.
Cuando la potencia reactiva (kVAr) no es requerida, y solo la potencia real (kW) es aplicable, la corriente es minimizada resultando en menores pérdidas en los embobinados
Los motores síncronos con un factor de potencia igual a 1 son más eficientes que motores de inducción de las mismas características eléctricas.
Se muestra una comparación entre los niveles de eficiencia de un motor síncrono con eficiencia de 0.8, 1, así como un motor de inducción de las mismas características.
Corrección del factor de potencia
Los motores síncronos también se pueden utilizar para mejorar el factor de potencia total del sistema. Cuando el único propósito de aplicación es la mejora del factor de potencia motores síncronos son referidos como condensador síncrono. En tal situación eje del motor no está conectado a ninguna carga mecánica y gira libremente.
Los sistemas eléctricos de potencia se basan no sólo en la potencia activa generada por el suministro de energía activa en kW, sino también en el factor de potencia que se genera