Motores Sincronos, principios de funcionamiento y sus aplicaciones.pptx

Se realiza una descripción del motor síncrono de su principio de funcionamiento, partiendo de la descripción inicialmente como generador síncrono, mostrando los componentes (barras de amortiguación) que la diferencian de un generador síncrono y como estos componentes lo ayudan en el arranque, que inicialmente lo realiza como un motor asíncrono para luego trabajar de firma sincrónica. Se describe que trabajan con cargas que requieren velocidades constantes y tambien como compensadores del factor de potencia.

1. C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os 3 . 1 . - Principios básicos de operación del motor síncrono 3.2.- Arranque del motor sincrónico 3.3.- Operación del motor sincrónico en régimen permanente 3 . 4 . - Generadores sincrónicos y motores sincrónicos 3 . 5 . - Características de funcionamiento 3.6.- El motor sincrónico como mejorador del factor de potencia M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

2. 3 . 1 Principios básicos de operación del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

3. C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

4. 3 . 1 Principios básicos de operación del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Motor síncrono con dos polos La corriente de campo I F del motor produce un campo magnético en estado estacionario B R (B) . Un conjunto de corrientes trifásicas en el inducido de un devanado produce un campo magnético giratorio uniforme B S (B N ) . Entonces hay dos campos magnéticos presentes en la máquina y el campo del rotor tenderá a alinearse con el campo del estator , igual que dos imanes tenderán a alinearse si se colocan uno cerca del otro. El principio básico de la operación de los motores síncronos es que el rotor “persigue” al campo magnético giratorio del estator alrededor de un círculo y nunca lo alcanza .

5. 3 . 1 Principios básicos de operación del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

6. 3 . 2 Arranque del motor sincrónico C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

7. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio El motor síncrono no tiene intrínsecamente Par de Arranque. Es necesario disponer de algún medio que consiga poner el motor en rotación, ya que una vez esté girando a velocidad próxima a la síncrona, podrá "engancharse y ponerse a girar a dicha velocidad", manteniéndola para cualquier carga hasta el par máximo o crítico. Entre las diversas formas de arranque se citan las siguientes: Arranque como motor asíncrono (Usando devanados amortiguadores). Arranque como motor asíncrono (Usando variador de frecuencia). Arranque mediante un motor auxiliar de lanzamiento hasta la velocidad síncrona. METODOS DE ARRANQUE

8. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Para arrancar tanto un motor síncrono como uno asíncrono es necesario colocar un arrollamiento en jaula de ardilla sobre los polos de la máquina. Para efectuar el arranque asíncrono el devanado de la excitación debe estar cerrado sobre una resistencia óhmica cuya magnitud sea de 10-15 veces superior a la propia . Sería peligroso dejar abierto el arrollamiento de excitación, debido a que el campo giratorio podría inducir en él una F.e.m. muy elevada, lo que podría provocar la rotura del aislamiento. Arranque como motor asíncrono (Usando devanados amortiguadores) (1) Devanado amortiguador

9. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Generalmente la jaula de ardilla colocada en estos motores y que aquí se utiliza para producir un arranque asíncrono, se coloca también en los generadores y recibe el nombre de devanado amortiguador ya que reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas asíncronas: acoplamiento a la red, variaciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. El efecto de estos devanados amortiguadores en régimen permanente es nulo ya que al girar la máquina a la velocidad de sincronismo no se inducen corrientes en los mismos. Una vez efectuada la puesta en marcha como asíncrono, cuando se obtiene la velocidad de régimen cercana a la de sincronismo, se conecta la c.c al devanado de excitación, entonces se producen unas oscilaciones de velocidad respecto a la síncrona y al cabo de unos períodos se llega a la velocidad nominal. Este proceso constituye la llamada autosincronización del motor. Una vez finalizada la operación del arranque del motor síncrono, se podrá ya regular su corriente de excitación para que la máquina trabaje en régimen de subexcitación o sobreexcitación con el fin de regular su f.d.p .; de esta forma esta máquina puede cumplir la doble misión de arrastrar una carga mecánica y compensar la corriente reactiva de la red.

10. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Un sistema para conseguir el arranque del motor es reducir la velocidad del campo magnético giratorio del estátor hasta un valor suficientemente bajo como para que el rotor se pueda acelerar y enganche con él durante medio ciclo de rotación del campo magnético. Los sistemas para reducir la frecuencia son los mismos que los utilizados en motores asíncronos. Arranque como motor asíncrono (Usando variador de frecuencia )

11. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Arranque mediante un motor auxiliar de lanzamiento hasta la velocidad síncrona

12. 3 . 2 Arranque del motor síncrono C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio En los motores síncronos que pueden arrancar en vacío , la puesta en marcha se realiza por medio de un motor auxiliar (motor pony), generalmente asíncrono con igual número de polos que el motor principal , de tal forma que se consigue una velocidad de rotación casi síncrona y la conexión a la red se realiza empleando equipos de sincronización al igual que se hacía en el acoplamiento de un alternador a la red. También se pueden emplear para este fin motores de c.c , debido a su ventaja de regulación de velocidad o motores asíncronos con un par de polos menos que el motor síncrono, en este caso la conexión a la red se efectúa una vez que se ha desconectado el motor auxiliar y el grupo pasa suavemente por la velocidad de sincronismo.

13. 3 . 3 Operación del motor sincrónico en régimen permanente C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

14. 3 . 3 Operacion del motor síncrono en régimen permanente C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Los polos del rotor son atraídos por los polos opuestos del estator. Sin carga o no suministra potencia mecánica, los ejes de los polos coinciden. Operación del motor síncrono en régimen permanente o después del periodo de arranque, sin carga mecánica.

15. 3 . 3 Operacion del motor síncrono en régimen permanente C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Los polos del rotor son desplazados con respecto a los ejes de los polos del estator cuando el motor esta bajo carga o suministra potencia mecánica. Operación del motor síncrono en régimen permanente o después del periodo de arranque, con carga mecánica.

16. 3 . 3 Operacion del motor síncrono en régimen permanente C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Fig.-b Motor sin carga, con E o ajustado para igualar a E. Motor síncrono bajo carga mecánica. Cálculos simples. Fig.-a Circuito equivalente de un motor síncrono, que muestra una fase. Fig.-c El motor bajo la carga E o tiene el mismo valor que la Fig.-b, pero ésta va detrás de E.

17. 3 . 4 Generadores sincrónicos y motores sincrónicos C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

18. 3 . 4 Generadores y motores sincrónicos C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio GENERADORES SINCRONICOS: El generador síncrono, o también conocido como alternador síncrono, es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. Entre los diferentes tipos de generadores síncronos existen los de tipo trifásico, que son los más comunes a la hora de generar energía eléctrica para uso domiciliario, y también existen generadores monofásicos usados para ferrocarriles. MOTORES SINCRONICOS: Los motores sincrónicos son fabricados específicamente para atender las necesidades de cada aplicación. Debido a sus características constructivas, operación con alto rendimiento y adaptabilidad a todo tipo de ambiente, son utilizados en prácticamente todos los sectores de la industria, tales como: Minería (chancadoras, molinos, cintas transportadoras y otros) Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores) Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadoras) Saneamiento (bombas) Química y petroquímica (compresores, ventiladores, extractores y bombas) Cemento (chancadoras, molinos y cintas transportadoras) Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras) Transmisión de energía (compensadores sincrónicos)

19. 3 . 4 Generadores y motores sincrónicos C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Los motores síncronos son cada vez más el motor eléctrico preferido para las aplicaciones de alta potencia con cargas pesadas . Esto se debe a su capacidad de reducir los costes derivados del consumo eléctrico y la mejora del rendimiento mediante la corrección del factor de potencia en la alimentación del motor. Debido al tamaño y naturaleza de las aplicaciones en las que se emplean los motores síncronos, los ahorros de energía pueden ser considerables y a menudo resultan en la rápida amortización de la inversión en el motor, y una vez obtenida la amortización, los ahorros contribuyen a reducir los costes de explotación para el usuario. Motor síncrono trifásico de factor de potencia unitário, de 3000 hp (2200 kW), 327 r/min, 4000 V y 60 Hz, que acciona un compresor utilizado en una estación de bombeo en el gasoducto Trans- Canada . La excitación sin escobillas es proporcionada por un alternador/rectificador, montado en el eje entre el soporte de cojinetes y el rotor principal. (Cortesía de General Electric)

20. 3 . 5 Características de funcionamiento C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

21. 3 . 5 Características de funcionamiento C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio (a) Motor síncrono opera con la corriente de excitación ( I x ) para obtener un factor de potencia unitario y tiene carga mecánica de 800 kW. La excitación de campo es de 100 A. (b) El diagrama fasorial muestra la corriente en fase con el voltaje. Funcionamiento del motor síncrono con carga mecánica nominal, variando su corriente de excitación. Se examina el funcionamiento del motor variando su excitación, viendo como un cambio de esta ultima (la excitación) no afecta a la velocidad del motor síncrono, permaneciendo en eje del motor la potencia mecánica constante.

22. 3 . 5 Características de funcionamiento C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio (c) Excitación de campo ( I x ) reducida a 70 A. subexcitado pero con la misma carga mecánica. El motor absorbe potencia reactiva de la línea. (d) El diagrama fasorial muestra la corriente retrasada con respecto al voltaje. Funcionamiento del motor síncrono con carga mecánica nominal, variando su corriente de excitación. Se examina el funcionamiento del motor variando su excitación, viendo como un cambio de esta ultima (la excitación) no afecta a la velocidad del motor síncrono, permaneciendo en eje del motor la potencia mecánica constante. (c) (d)

23. 3 . 5 Características de funcionamiento C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio (e ) Excitación de campo ( Ix ) elevada a 200 A. sobreexcitado pero con la misma carga mecánica. El motor suministra potencia reactiva a la línea. (f ) El diagrama fasorial muestra la corriente adelantada respecto al voltaje. Funcionamiento del motor síncrono con carga mecánica nominal, variando su corriente de excitación. Se examina el funcionamiento del motor variando su excitación, viendo como un cambio de esta ultima (la excitación) no afecta a la velocidad del motor síncrono, permaneciendo en eje del motor la potencia mecánica constante. (e) (f)

24. 3 . 5 Características de funcionamiento C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Fig. -d Curvas en V sin carga y a plena carga de un motor síncrono de 1000 hp. Variando la corriente de excitación de esta manera, se puede graficar la potencia aparente del motor síncrono como una función de la corriente directa de excitación. Esto da una curva en forma de V (Fig.-d). La curva en V siempre se muestra para una carga mecánica fija . En este caso, la curva en V corresponde a plena carga. También se muestra la curva en V sin carga, para ilustrar la gran potencia reactiva que puede ser absorbida o suministrada con sólo cambiar la excitación.

25. 3 . 6 El motor sincrónico como mejorador del factor de potencia C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio

26. 3 . 6 El motor síncrono como mejorador del factor de potencia C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio (g) Curva en V de un capacitor síncrono (I F =I X ). (h) Diagrama fasorial de la máquina correspondiente. Capacitor o condensador síncrono. Un motor síncrono adquirido para accionar una carga mecánica puede operar sobreexcitado para suministrar potencia reactiva Q a un sistema de potencia. Un motor síncrono puede operar en vacío, simplemente para corregir el factor de potencia . (g) (h) En (g) se puede observar la curva en V de un capacitor síncrono. Ya que la potencia real que suministra a la máquina es cero (excepto por las pérdidas), con un factor de potencia unitario, la corriente I A =0. Conforme se incrementa la corriente de campo por arriba de este punto, la corriente en la línea (y la potencia reactiva que suministra el motor) aumenta de manera casi lineal hasta llegar al punto de saturación. En (h) muestra el efecto de incrementar la corriente de campo en el diagrama fasorial del motor.

27. BIBLIOGRAFIA C A P Í TUL O 3 Motores Sín c r o n os M á quinas Eléct ricas II y Laboratorio Máquinas Eléctricas-Jesús Fraile Mora, 6ta. Edición. Máquinas Eléctricas, Stephen J. Chapman, 5ta. Edición, Ed Mc Graw Hill. Máquinas Eléctricas Análisis y Diseño Aplicando MATLAB, Jimmie Cathey , Ed Mc Graw Hill. Electrical Machines with MATLAB Second Edition By Turan Gonen . Máquinas Elétricas . Teoria e Ensaios , 4a Ed. Geraldo Carvalho.