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MAQUINAS SÍNCRONAS - partes que integran una maquina síncrona, funcionamiento principal de las maquinas síncronas





El siguiente trabajo trata acerca de las maquinas síncronas, de su clasificación, partes que la integran y funcionamiento, así como sus principios de operación. También se incluyen algunos diagramas y ecuaciones matematicas para entender un poco mas el funcionamiento de estos tipos de motores.

MAQUINAS SÍNCRONAS

Una maquina síncrona es una maquina eléctrica rotativa de corriente alterna cuya velocidad de giro en régimen permanente esta ligada con la frecuencia de la tensión en bornes y el número de pares de polos.

donde:
• f: Frecuencia de la red a la que esta conectada la maquina (Hz)
• P: Número de pares de polos que tiene la maquina
• p: Número de polos que tiene la maquina
• n: Velocidad de sincronismo de lamaquina (revoluciones por minuto)
Estas maquinas convierten energía eléctrica en energía mecanica, siendo en este caso utilizadas como motores, o convierten energía mecanica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizadas como generadores.


Las maquinas síncronas 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.

PARTES QUE INTEGRAN UNA MAQUINA SÍNCRONA

Como la generalidad de las maquinas rotativas, consta de una parte fija (estator) y una móvil (rotor), constituyendo el circuito magnético de la maquina. Igualmente dispone de dos circuitos eléctricos situados sobre el estator y rotor de la maquina, relacionados a través del circuito magnético, siendo su característica principal qu8e el devanado inducido se encuentra alojado en el ranurado del estator y el circuito inductor, alimentado por corriente continua, en el rotor. En maquinas de pequeña potencia, esta distribución suele estar invertida, estando el circuito inducido en el rotor y el inductor en el estator.

FUNCIONAMIENTO PRINCIPAL DE LA MAQUINA SÍNCRONA

Se trata de conseguir un acoplamiento magnéticoentre los campos del rotor y el estator. Normalmente (aunque también pueden encontrarse maquinas en las que no es esto así), en el rotor se sitúa un campo magnético fijo. En las maquinas de pequeña potencia ese campo magnético fijo se puede conseguir utilizando un simple iman permanente, pero para maquinas de mayor potencia no es suficiente con el iman permanente y se recurre a electroimanes. Se necesita pues, una fuente de corriente continua que pueda ser introducida en el rotor. La solución mas utilizada consiste en disponer en el eje de anillos rozantes a través de los que inyectar en el inductor la corriente continua necesaria para generar un potente campo magnético.





Las escobillas y los anillos rozantes, son siempre un engorro, especialmente en maquinas de gran potencia; las escobillas se desgastan con el uso y es preciso reponerlas y mantenerlas. También las chispas y los depósitos de carbonilla son siempre un foco de posibles problemas. De modo que en los generadores síncronos, se tiende a utilizar mecanismos de excitación del inductor sin escobillas. En la figura adjunta se indica cómo se logra este objetivo. Se parte de una maquina síncrona que hara de excitatriz, y en la que el inductor se localiza en el estator, alimentandose éste con una fuente de corriente continua estatica. Al girar el eje (arrastrado por una maquina auxiliar), en los devanados el rotor de la excitatriz aparecera una tensión alterna, la cual sera convertida en continuamediante diodos rectificadores montados en el propio eje.



Se tiene pues un inductor (generalmente el rotor) en el que se ha conseguido hacer aparecer un potente campo magnético fijo. Dos son las formas que puede tener este inductor: de polos salientes o liso. En las maquinas lentas o de múltiples pares de polos la disposición de rotor de polos salientes es la que se utiliza. En cambio, en las maquinas que giran a gran velocidad, y que estan en consecuencia sometidas a fuertes fuerzas centrífugas, la presión de los devanados inductores de los polos sobre las cabezas de los polos, puede llegar a ser intolerable, razón por la cual, en las maquinas sometidas a grandes solicitaciones se utilizan rotores “lisos”, en los que el campo inductor se consigue disponiendo un devanado en ranuras insertadas en la periferia del rotor.



Ya sea la maquina síncrona de rotor de polos salientes o liso, el campo magnético que en ellos aparezca se pretende que se senoidal. Para conseguirlo, en las maquinas de polos salientes el entrehierro no es constante. Mientras que en las de rotor liso, la distribución de las ranuras no es uniforme. De esa forma se logra que las distribuciones de campo sean apreciablemente senoidales.

Si el inductor, convenientemente excitado, es arrastrado por una maquina auxiliar, el campo magnético fijo del rotor, pasara a ser giratorio, y en cualquier bobina que se disponga en sus proximidades, se induciran tensiones senoidales,dado que el campo inductor también lo es. En consecuencia la maquina funcionara como generador (alternador).

Si por el contrario lo que hace es alimentar con un sistema polifasico de corrientes los devanados convenientemente distribuidos en el estator (inducido) de la maquina, al hacerlo, lo que se conseguira es generar un campo magnético giratorio. Este campo y el del inductor accionaran entre sí produciéndose un enclavamiento magnético, de forma que el campo del estator arrastrara al del rotor; siempre que los rozamientos y el par resistente que tenga el rotor aplicado así lo permitan. En este caso, la maquina funcionaría como motor.

CLASIFICACIÓN DE LAS MAQUINAS SÍNCRONAS

GENERADOR

El generador síncrono es un tipo de maquina eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecanica (en forma de rotación) en energía eléctrica.
El generador síncrono esta compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija o estator.
El rotor gira recibiendo un empuje externo desde (normalmente) una turbina. Este rotor tiene acoplada una fuente de 'corriente continua' de excitación independiente variable que genera un flujo constante, pero que al estar acoplado al rotor, crea un campo magnético giratorio (por el teorema de Ferraris) que genera un sistema trifasico de fuerzas electromotrices en los devanados estatóricos.
Rotor
También conocido como inductor, pues es la parte que induce el voltaje en el estator. El núcleo del rotor esconstruido de lamina troquelada de acero al silicio, material de excelentes características magnéticas, con la finalidad de evitar pérdidas por histéresis y corrientes parasitas.
El yugo es una pieza continua con zapata polar, para así eliminar la dispersión del flujo por falsos contactos magnéticos. En la zapata polar se hacen barrenos para alojar el devanado amortiguador en jaula de ardilla, diseñado con el objeto de reducir armónicas en la forma de onda que entrega el generador.
El rotor gira concéntricamente en la flecha del generador a una velocidad síncrona de 1800 revoluciones por minuto (RPM).

Tipos constructivos

La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor.


• Excitación Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas.
• Excitatriz principal y excitatriz piloto: la maquina principal de continua tiene como bobinado de campo otra maquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje.
• Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifasica del generador, se rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta conseguirarrancar.
• Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la excitatriz piloto de alterna).

MOTOR

Los motores síncronos son un tipo de motor eléctrico de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que estén conectados y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como 'velocidad de sincronismo'.
La expresión matematica que relaciona la velocidad de la maquina con los parametros mencionados es:


donde:
• f: Frecuencia de la red a la que esta conectada la maquina (Hz)
• P: Número de pares de polos que tiene la maquina
• p: Número de polos que tiene la maquina
• n: Velocidad de sincronismo de la maquina (revoluciones por minuto)
Por ejemplo, si se tiene una maquina de cuatro polos (2 pares de polos) conectada a una red de 50 Hz, la maquina operara a 1.500 r.p.m.
Funcionan de forma muy similar a un alternador.
Por regla general, la velocidad deseada de este tipo de motor se realiza por medio de un reóstato. El motor síncrono cuando alcance el par crítico se detendra, nosiendo esta la forma mas ortodoxa de hacerlo. El par crítico se alcanza cuando la carga asignada al motor supera al par del motor. Como comento, no es la forma apropiada para detener el motor, se estropea si abusamos de ello, porque se recalienta. La mejor forma de hacerlo, es ir variando la carga hasta que la intensidad absorbida de la red sea la menor posible, entonces desconectaremos el motor. Otra forma de hacerlo, y la mas habitual, es regulando el reóstato, con ello variamos la intensidad y podemos desconectar el motor sin ningún riesgo.

Tipos

- Motores síncronos trifasicos.
Tendran tres bobinados iguales desplazados 120º geométricos en la periferia del estator. La rueda polar o rotor tendra tantos polos como los que tenga el bobinado del estator.
A fin de comprender mejor el funcionamiento de los motores sincrónicos, nos referiremos al tipo de campo magnético formado por un devanado trifasico, repartido en la periferia del estator y alimentado por un sistema trifasico sinusoidal, de acuerdo a la figura, estando las tres sinusoides desplazadas 120º entre sí.

En el interior del estator el flujo magnético resultante sera la suma de los producidos por las tres bobinas, de manera que en cada instante habra que sumar graficamente los tres flujos de sus respectivas bobinas.

- Motores asíncronos sincronizados.

Son los de mayor uso en la industria. Cuando aplicamos una corriente alterna a un estator, se produce un campo magnéticogiratorio, este campo de acuerdo a las leyes de inducción electromagnéticas, induce corriente en las bobinas del rotor y estas producen otro campo magnético opuesto según la ley de Lenz y que por lo mismo tiende a seguirlo en su rotación de tal forma que el rotor empieza a girar con tendencia a igualar la velocidad del campo magnético giratorio, sin que ello llegue a producirse. Si sucediera, dejaría de producirse la variación de flujo indispensable para la inducción de corriente en la bobina del inducido.

A medida que se vaya haciéndose mayor la diferencia entre la velocidad de giro del campo y la del rotor, las corrientes inducidas en él y por lo tanto su propio campo, iran en aumento gracias a la composición de ambos campos se consigue una velocidad estacionaria. En los motores asincrónicos nunca se alcanza la velocidad del sincronismo, los bobinados del rotor cortan siempre el flujo giratorio del campo inductor.

- Motores con un rotor de iman permanente.
Las maquinas de iman permanente son extensivamente usadas en servomotores, accionamientos eléctricos para posicionamiento, robótica, maquinas herramienta, ascensores, etc. Se han llegado a construir maquinas de una potencia por encima de 1 MW por ejemplo para el accionamiento de submarinos. También es posible su aplicación en generación y bombeo a partir de energía solar o energía eólica.
La construcción de los rotores de los servomotores sincrónicos de iman permanente pueden adoptar una forma cilíndricacon un bajo diametro y gran longitud (cilinder rotor) llamados de flujo radial, o pueden tener un rotor en forma de disco mas liviano rotor de disco (disk rotor), también llamadas maquinas de flujo axial, resultando así en ambos casos un bajo momento de inercia y una constante de tiempo mecanica baja. Por otra parte, para aplicaciones industriales con arranque de línea o mediante arrancadores de voltaje reducido, los motores poseen un damper que protege los imanes de la des-magnetización durante los transitorios asociados en el arranque, y ademas amortigua las oscilaciones pendulares.
En aplicaciones en que el motor es operado electrónicamente desde un inverter, no es necesario el devanado amortiguador para el arranque pues este lo realiza el control electrónico, y ademas el devanado amortiguador (damper) produce pérdidas de energía adicionales debido a las forma de onda no senoidales.
Se analizara el caso de estator trifasico, el cual es similar a uno de una maquina sincrónica trifasica clasica, debiendo destacarse dos tipos de PMSM según el tipo de rotor:
• Imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets)
• Imanes insertos en el rotor (Buried Magnets)
PMSM con imanes montados en la superficie del rotor
En el caso que los imanes van montados (pegados o zunchados) en la superficie del rotor, estos por el espacio que ocupan obligan a tener un entrehierro relativamente grande, ademas los imanes ceramicos tienen efectos desaliencia despreciables. En estos casos no existe devanado amortiguador. El gran entrehierro hace que el flujo de la reacción de armadura (RA) tenga efectos atenuados sobre el rotor, es decir la inductancia sincrónica Ld es pequeña pues tiene una componente de reacción de armadura Lad pequeña y por consiguiente los efectos de la RA son muy atenuados. Por otra parte se deduce que el gran entrehierro resulta en una constante de tiempo eléctrica del estator T = L/R pequeña.
PMSM con imanes insertos en el rotor
Si los imanes estan insertos en el rotor, quedan físicamente contenidos y protegidos, pero el espacio de hierro del rotor eliminado para insertar los imanes hace que no puede considerarse que en este caso se tenga un entrehierro uniforme, se tiene un efecto de saliencia, y aparece una componente de reluctancia del par.
El criterio de diseño en el caso de servomotores deben encuadrar los siguientes requerimientos:
• Velocidad de operación y par controlado a todas las velocidades
• Alta relación [Potencia / peso] y [Par / inercia]
• Alta densidad de flujo en el entrehierro
• Diseño compacto con alto rendimiento y factor de potencia

PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL GENERADOR SINCRÓNICO

Supongamos una maquina síncrona funcionando como generador. Si por el inducido de la maquina circulacorriente (esta en vacío), el circuito equivalente por cada una de las fases es verdaderamente sencillo. Se tendría una simple fuente de tensión alterna E. La magnitud de esa tensión dependera de la excitación del inductor, a mas excitación mayor tensión. Manteniéndose una relación lineal entre corriente de excitación y tensión inducida, siempre que no se llegue a saturar al material magnético.



Si por los devanados del estator se conecta sendas cargas, entonces, por esos devanados circularan otras tantas corrientes, las cuales daran origen a su vez a un nuevo campo magnético. Esta es la forma en la que el inducido reacciona, de hecho, a este nuevo campo, se le llama campo de reacción de inducido. Ahora bien, si la maquina esta perfectamente equilibrada y la carga exterior también lo esta; entonces, las corrientes engendraran un campo magnético giratorio, de velocidad justamente la del rotor, de modo que los dos campos seran estacionarios entre sí, dando como resultado un único campo compuesto por la suma vectorial de ambos. Y consecuentemente, la fuerza electromotriz que se induzca en las bobinas del “inducido” sera suma las fuerzas electromotrices inducidas por cada uno de los campo.



El circuito que representaría cada una de las fases del inducido (estator) sería pues Diferente, según que por ellas circulara o no corriente, apareciendo en el caso de que sí se tuviese una corriente I una fuente de tensión adicional dependiente de estacorriente y a la que se puede llamar de reacción de inducido Er. In., que habría que añadir a la fuerza electromotriz principal generada directamente por el inductor E.

Para poder efectuar correctamente la suma de las tensiones E y Er. In debemos averiguar cual es el angulo que forman entre ellas, para ello, consideremos en primer lugar que la carga exterior conectada a cada una de las tres fases es tal que la fuerza electromotriz debida al campo principal E y la corriente exterior I estan en fase. Para conseguir que estas dos magnitudes estén en fase, la carga a conectar no sera seguramente resistiva, sino que debera tener una componente reactiva, pues cuando circula corriente por las fases del inducido, la fuerza electromotriz que da lugar a estas corrientes depende tanto del campo principal como del de reacción de inducido.

Reparemos solamente en lo que ocurre en la primera de las fases ayudandonos de la figura adjunta. La fuerza electromotriz debida al campo principal E mas la debida a la reacción de inducido Er. In daran lugar a la corriente I1, suponemos que esta corriente y el campo inductor estan en fase; o dicho de otra forma; la corriente exterior y la fuerza electromotriz debida al campo inductor principal son maximas en los mismos instantes de tiempo. Si el campo principal pasa justamente delante de los conductores de la primera fase, según se muestra en la figura, sera esta fase la que en ese instante tenga la tensión E maxima, y si la corrienteesta en fase, por los conductores de esta fase pasara también una corriente maxima. En las otras dos fases va a ocurrir lo mismo que en la primera pero con un desfase temporal equivalente a los ciento veinte grados de desfase espacial entre las bobinas.

Tenemos por tanto que por los conductores de la primera fase la es corriente maxima. Esta corriente dara lugar a un campo magnético cuya distribución, para el caso de la figura con cinco pares de ranuras por fase sera la siguiente:



No es precisamente una distribución senoidal, pero tampoco es tan diferente. Si la damos por senoidal perfecta, y lo propio hacemos con los campos que las otras dos fases generen, el efecto conjunto de los tres campos es, cómo ya se vio en su momento, la aparición de un campo giratorio de velocidad la impuesta por la pulsación de las corrientes que lo producen.

Si los campos de cada fase no fuesen senoidales perfectos, el campo giratorio tendra una componente fundamental girando a la velocidad de sincronismo, y otras componentes de menor cuantía girando a velocidades inferiores, algunos en contra y otros a favor del campo fundamental.

En el momento actual del analisis interesa ver que para cada fase, el campo de reacción de inducido producido por las corrientes de las tres fases, se ve como un campo giratorio que en cada instante presenta su maximo valor retrasado noventa grados respecto a la fase que en ese instante soporta la maxima corriente. En formavectorial, lo expuesto mas arriba estaría reflejado en el grafico siguiente:



Se han dibujado en el grafico, los diagramas vectoriales correspondientes a tres posibles posiciones de la corriente I respecto a la fuerza electromotriz E inducida por el campo principal. En el primer caso I esta en fase con E, y los siguientes en uno esta adelantada y el otro retrasada.

Como se puede observar, la fuerza electromotriz total varía apreciablemente, según sea el angulo con el que se sumen las componentes. Pudiéndose llegar a sumar totalmente (aritméticamente) o a restar totalmente. Cuando la reacción del inducido es tal que el campo resultante es mayor que el campo principal, se dice que aquellas es magnetizante, mientras que en caso contrario, se dice de ella que es desmagnetizante.

Efecto de la saturación.

Cuando el material magnético trabaja en la zona de saturación, no se cumple que el efecto conjunto de los dos campo magnéticos (el principal y el de reacción de inducido) sea la suma lineal de los efectos de cada uno de ellos por separado, sino que debido a que el material esta trabajando en la zona de saturación, cuando la reacción del inducido sea magnetizante, el campo resultante sera inferior al que se obtendría si el material no estuviese saturado, mientras que cuando la reacción es desmagnetizante, el nuevo campo por lo general sí que coincide con el previsto.





PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL MOTOR SINCRÓNICO

 





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