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Motor síncrono

Motor síncrono en miniatura utilizado en relojes analógicos. El rotor está hecho de un imán permanente. Pequeño motor síncrono con engranaje reductor integrado procedente de un ...

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Motor síncrono en miniatura utilizado en relojes analógicos. El rotor está hecho de un imán permanente.
Pequeño motor síncrono con engranaje reductor integrado procedente de un horno microondas.

Un motor eléctrico síncrono es un motor eléctrico de corriente alterna en el que, en estado estacionario , [ 1 ] la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentación . Los motores síncronos utilizan imanes permanentes o electroimanes para los rotores y electroimanes para los estatores . El estator crea un campo magnético que gira al ritmo de las oscilaciones de la corriente. El rotor gira al mismo ritmo que el campo del estator y, como resultado, proporciona un segundo campo magnético giratorio sincronizado.

Los motores síncronos y de inducción son los motores de corriente alterna más utilizados. Los motores síncronos giran a una velocidad constante, sincronizada con la frecuencia de la red eléctrica, ya que no dependen de la inducción para generar el campo magnético del rotor. Los motores de inducción requieren deslizamiento : el rotor debe girar a una frecuencia ligeramente inferior a la de la corriente alterna para inducir corriente en él.

Los pequeños motores síncronos se utilizan en aplicaciones de temporización, como en relojes síncronos , temporizadores en electrodomésticos, grabadoras de cinta y servomecanismos de precisión en los que el motor debe funcionar a una velocidad precisa; la precisión depende de la frecuencia de la red eléctrica , que se controla cuidadosamente en grandes sistemas de redes interconectadas.

Los motores síncronos están disponibles en tamaños autoexcitados, fraccionarios [ 2 ] e industriales. [ 1 ] En el rango de potencia fraccionaria, la mayoría de los motores síncronos se utilizan para proporcionar una velocidad constante precisa. Estas máquinas se utilizan comúnmente en relojes eléctricos analógicos, temporizadores y dispositivos relacionados. Los motores síncronos de doble alimentación utilizan electroimanes de CA multifásicos de excitación independiente tanto para el rotor como para el estator. [ 3 ]

En tamaños industriales típicos, el motor síncrono proporciona un medio eficiente de convertir la energía de CA en trabajo ( la eficiencia eléctrica superior al 95 % es normal para tamaños más grandes) [ 4 ] y puede operar con factor de potencia capacitivo o unitario y, por lo tanto, proporcionar corrección del factor de potencia.

Los motores síncronos pertenecen a la categoría de máquinas síncronas , que también incluye a los generadores síncronos . La acción de generador se produce cuando los polos de campo son impulsados ​​por el movimiento de avance del motor primario , adelantándose al flujo resultante del entrehierro . La acción de motor se produce cuando los polos de campo son arrastrados por el par de frenado de una carga en el eje, atrasándose con respecto al flujo resultante del entrehierro . [ 1 ]

Tipos

Los dos tipos principales de motores síncronos se distinguen por cómo se magnetiza el rotor: sin excitación y con excitación de corriente continua. [ 5 ]

No excitado

Motor síncrono monofásico de 60  Hz y 1800 RPM para máquina de teletipo , de rotor no excitado, fabricado entre 1930 y 1955. 

En los motores no excitados, el campo externo del estator magnetiza el rotor, induciendo los polos magnéticos necesarios para su giro. El rotor gira al mismo ritmo que el campo magnético giratorio del estator, por lo que posee un campo magnético prácticamente constante. El rotor está fabricado con un acero de alta retención , como el acero al cobalto . Estos se fabrican en diseños de imán permanente , reluctancia e histéresis : [ 6 ]

imán permanente

Un motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) utiliza imanes permanentes integrados en el rotor para crear un campo magnético constante. El estator contiene bobinados conectados a una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) para producir un campo magnético giratorio (como en un motor asíncrono ). A velocidad síncrona, los polos del rotor se acoplan al campo magnético giratorio. Los PMSM son similares a los motores de corriente continua (CC) sin escobillas . Los imanes de neodimio son los más comunes, aunque la rápida fluctuación de sus precios impulsó la investigación sobre imanes de ferrita . [ 7 ] Debido a las características inherentes de los imanes de ferrita , el circuito magnético de estas máquinas debe ser capaz de concentrar el flujo magnético, lo que generalmente lleva al uso de rotores de tipo radial. [ 8 ] Las máquinas que utilizan imanes de ferrita tienen menor densidad de potencia y de par en comparación con las máquinas de neodimio. [ 8 ]

Los PMSM se han utilizado como motores de ascensor sin engranajes desde el año 2000. [ 9 ]

La mayoría de los PMSM requieren un variador de frecuencia para su arranque. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] Sin embargo, algunos incorporan una jaula de ardilla en el rotor para el arranque; estos se conocen como arranque de línea o autoarrancables. [ 15 ] Estos se utilizan típicamente como reemplazos de mayor eficiencia para los motores de inducción (debido a la falta de deslizamiento), pero deben asegurar que se alcance la velocidad síncrona y que el sistema pueda soportar la ondulación de par durante el arranque.

Los PMSM se controlan típicamente mediante control directo de par [ 16 ] y control orientado al campo . [ 17 ]

Reluctancia

Los motores de reluctancia tienen un rotor de acero fundido sólido con polos dentados salientes. Normalmente, hay menos polos en el rotor que en el estator para minimizar la ondulación del par y evitar que todos los polos se alineen simultáneamente, una posición que no puede generar par. [ 2 ] [ 18 ] El tamaño del entrehierro en el circuito magnético y, por lo tanto, la reluctancia, es mínimo cuando los polos se alinean con el campo magnético (giratorio) del estator, y aumenta con el ángulo entre ellos. Esto crea un par que atrae al rotor hasta alinearlo con el polo más cercano del campo del estator. A velocidad síncrona, el rotor queda así "bloqueado" al campo giratorio del estator. Esto no puede arrancar el motor, por lo que los polos del rotor suelen tener bobinados de jaula de ardilla integrados para proporcionar par por debajo de la velocidad síncrona. La máquina arranca así como un motor de inducción hasta que se aproxima a la velocidad síncrona, momento en el que el rotor "atrae" y se bloquea al campo del estator. [ 19 ]

Los motores de reluctancia tienen potencias que van desde fracciones de caballo de fuerza (unos pocos vatios) hasta aproximadamente 22 kW . Los motores de reluctancia pequeños tienen un par bajo y se utilizan generalmente en aplicaciones de instrumentación. Los motores de par moderado y potencia variable emplean una construcción de jaula de ardilla con rotores dentados. Cuando se utilizan con una fuente de alimentación de frecuencia ajustable, todos los motores de un sistema de accionamiento pueden funcionar exactamente a la misma velocidad. La frecuencia de la fuente de alimentación determina la velocidad de funcionamiento del motor.

Histéresis

Los motores de histéresis tienen un rotor cilíndrico sólido y liso, fundido en acero al cobalto magnéticamente duro de alta coercitividad . [ 18 ] Este material tiene un amplio ciclo de histéresis (alta coercitividad ), lo que significa que una vez magnetizado en una dirección determinada, requiere un campo magnético alto para invertir la magnetización. El campo del estator giratorio hace que cada pequeño volumen del rotor experimente un campo magnético inverso. Debido a la histéresis, la fase de la magnetización se retrasa con respecto a la fase del campo aplicado. Por lo tanto, el eje del campo magnético inducido en el rotor se retrasa con respecto al eje del campo del estator en un ángulo constante δ, produciendo par a medida que el rotor intenta "alcanzar" el campo del estator. Mientras el rotor esté por debajo de la velocidad síncrona, cada partícula del rotor experimenta un campo magnético inverso a la frecuencia de "deslizamiento" que la impulsa alrededor de su ciclo de histéresis, lo que hace que el campo del rotor se retrase y cree par. El rotor tiene una estructura de barra de 2 polos de baja reluctancia. [ 18 ] A medida que el rotor se acerca a la velocidad síncrona y el deslizamiento se vuelve cero, esto se magnetiza y se alinea con el campo del estator, lo que hace que el rotor se "bloquee" con el campo giratorio del estator.

Una de las principales ventajas del motor de histéresis es que, dado que el ángulo de retardo δ es independiente de la velocidad, genera un par constante desde el arranque hasta la velocidad síncrona. Por lo tanto, es autoarrancable y no necesita un devanado de inducción para su puesta en marcha, aunque muchos diseños incorporan una estructura de devanado conductor de jaula de ardilla en el rotor para proporcionar un par adicional al arranque.

Los motores de histéresis se fabrican con potencias muy bajas, principalmente como servomotores y motores de sincronización. Más caros que los de reluctancia, los motores de histéresis se utilizan cuando se requiere una velocidad constante y precisa.

Motores de excitación externa

Motor de excitación externa, 1917. El excitador está a la izquierda.

Estos motores, que suelen fabricarse en tamaños mayores (superiores a aproximadamente 1 caballo de fuerza o 1 kilovatio), requieren corriente continua (CC) para excitar (magnetizar) el rotor. Esta corriente se suministra de forma más sencilla mediante anillos colectores .

También se puede utilizar un sistema de inducción y rectificador de CA sin escobillas . [ 20 ]

Técnicas de control

Un motor síncrono de imanes permanentes y un motor de reluctancia requieren un sistema de control para su funcionamiento ( variador de frecuencia o servomotor ).

Existe una gran variedad de métodos de control para máquinas síncronas, que se seleccionan en función de la construcción del motor eléctrico y de su aplicación.

Los métodos de control se pueden dividir en: [ 21 ] [ 22 ]

Los PMSM también pueden operar en control de lazo abierto, [ 23 ] que a veces se utiliza para el arranque, lo que permite la operación de detección de posición. [ 24 ]

Velocidad síncrona

La velocidad síncrona de un motor síncrono viene dada por: [ 25 ] en RPM , mediante:

nortes=60FPAG=120Fpag{\displaystyle N_{s}=60{\frac {f}{P}}=120{\frac {f}{p}}}

y en rad·s −1 , por:

ωs=2πFPAG=4πFpag{\displaystyle \omega _{s}=2\pi {\frac {f}{P}}=4\pi {\frac {f}{p}}}

dónde:

  • F{\displaystyle f}es la frecuencia de la corriente de alimentación de CA en Hz ,
  • pag{\displaystyle p}es el número de polos magnéticos ,
  • PAG{\displaystyle P}es el número de pares de polos (raramente, planos de conmutación ),PAG=pag/2{\displaystyle P=p/2}.

Ejemplos

Un motor síncrono monofásico de 4 polos (2 pares de polos) funciona con una frecuencia de alimentación de CA de 50  Hz. El número de pares de polos es 2, por lo que la velocidad síncrona es:

nortes=60rpmHz×50 Hz2=1500rpm{\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {50{\text{ Hz}}}{2}}=1500\,\,{\text{rpm}}}

Un motor síncrono trifásico de 12 polos (6 pares de polos) funciona con una frecuencia de alimentación de CA de 60  Hz. El número de pares de polos es 6, por lo que la velocidad síncrona es:

nortes=60rpmHz×60 Hz6=600rpm{\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {60{\text{ Hz}}}{6}}=600\,\,{\text{rpm}}}

El número de polos magnéticos,pag{\displaystyle p}es igual al número de grupos de bobinas por fase. Para determinar el número de grupos de bobinas por fase en un motor trifásico, cuente el número de bobinas y divídalo entre el número de fases, que es 3. Las bobinas pueden abarcar varias ranuras en el núcleo del estator, lo que hace que contarlas sea tedioso. Para un motor trifásico, si se cuentan un total de 12 grupos de bobinas, tiene 4 polos magnéticos. Para una máquina trifásica de 12 polos, habrá 36 bobinas. El número de polos magnéticos en el rotor es igual al número de polos magnéticos en el estator.

Construcción

Rotor de una bomba de agua de gran tamaño. Los anillos colectores se pueden observar debajo del tambor del rotor.
Bobinado del estator de una bomba de agua grande

Los componentes principales de los motores eléctricos son el estator y el rotor. [ 26 ] Los estatores de los motores síncronos y de inducción son similares en su construcción. [ 27 ] La construcción de un motor síncrono es similar a la de un alternador (también llamado generador síncrono). [ 28 ] El bastidor del estator contiene una placa de envoltura (excepto para las máquinas eléctricas síncronas de rotor bobinado de doble alimentación ). Las nervaduras circunferenciales y las barras de chaveta están unidas a la placa de envoltura. Para soportar el peso de la máquina, se requieren soportes y bases del bastidor. [ 29 ] El bobinado del estator síncrono consta de un bobinado trifásico. Se alimenta con una alimentación trifásica, y el rotor se alimenta con una alimentación de CC.

Los motores de excitación CC requieren escobillas y anillos colectores para conectarse a la fuente de excitación. [ 30 ] El devanado de campo puede ser excitado por un excitador sin escobillas. [ 31 ] Se utilizan rotores cilíndricos redondos (también conocidos como rotores de polos no salientes) para hasta seis polos.

En algunas máquinas o cuando se necesita un gran número de polos, se utiliza un rotor de polos salientes. [ 32 ] [ 33 ]

La mayoría de los motores síncronos utilizan una armadura fija y un devanado de campo giratorio. Este tipo de construcción presenta una ventaja sobre los motores de corriente continua, donde la armadura es giratoria.

Operación

Los motores eléctricos generan energía debido a la interacción de los campos magnéticos del estator y el rotor. En los motores síncronos, el estator transporta corrientes trifásicas y produce un flujo magnético rotatorio trifásico (y, por lo tanto, un campo magnético rotatorio). El rotor finalmente se sincroniza con el campo magnético rotatorio y gira junto con él. Una vez que el campo del rotor se sincroniza con el campo magnético rotatorio, se dice que el motor está sincronizado. Es posible un estator monofásico (o bifásico derivado de uno monofásico), pero en este caso la dirección de rotación no está definida y la máquina puede arrancar en cualquier dirección a menos que los mecanismos de arranque lo impidan. [ 34 ]

Amortiguador de bobinado

Una vez en funcionamiento, la velocidad del motor depende únicamente de la frecuencia de alimentación. Cuando la carga del motor supera la carga de ruptura, el motor pierde la sincronización y el rotor deja de seguir el campo magnético giratorio.

Dado que el motor no puede producir par si pierde la sincronización, los motores síncronos prácticos cuentan con un amortiguador de jaula de ardilla parcial o completo, denominado bobinado amortiguador, para estabilizar el funcionamiento y facilitar el arranque.

Debido a que este devanado es más pequeño que el de un motor de inducción equivalente y puede sobrecalentarse durante un funcionamiento prolongado, y debido a que se inducen grandes tensiones de frecuencia de deslizamiento en el devanado de excitación del rotor, los dispositivos de protección del motor síncrono detectan esta condición e interrumpen el suministro de energía (protección contra pérdida de sincronismo). [ 34 ]

Métodos de inicio

Un antiguo reloj eléctrico de precisión de la década de 1920 que utiliza un motor síncrono. Para ponerlo en marcha, primero hay que girar el engranaje principal a mano.

Por encima de cierto tamaño, los motores síncronos no pueden arrancar por sí solos. Esta propiedad se debe a la inercia del rotor; no puede seguir instantáneamente la rotación del campo magnético del estator. Dado que un motor síncrono no produce un par medio inherente en reposo, no puede acelerar a la velocidad síncrona sin un mecanismo suplementario. [ 2 ]

Los motores grandes que funcionan con energía comercial incluyen un devanado de inducción de jaula de ardilla que proporciona suficiente par para la aceleración y también sirve para amortiguar las oscilaciones de velocidad del motor. [ 2 ] Una vez que el rotor se acerca a la velocidad síncrona, el devanado de campo se excita y el motor entra en sincronización. Los sistemas de motores muy grandes pueden incluir un motor auxiliar que acelera la máquina síncrona sin carga antes de que se aplique la carga. [ 35 ] [ 36 ] Los motores controlados electrónicamente pueden acelerarse desde velocidad cero cambiando la frecuencia de la corriente del estator. [ 37 ]

Los pequeños motores síncronos se utilizan comúnmente en relojes o temporizadores eléctricos alimentados por la red eléctrica, que emplean la frecuencia de la red para accionar el mecanismo de engranajes a la velocidad correcta. Estos pequeños motores síncronos pueden arrancar sin ayuda si el momento de inercia del rotor y su carga mecánica son suficientemente pequeños. El motor acelera desde la velocidad de deslizamiento hasta la velocidad síncrona durante un semiciclo de aceleración del par de reluctancia. [ 2 ] Los motores síncronos monofásicos , como los de los relojes de pared eléctricos, pueden girar libremente en cualquier dirección, a diferencia de los de tipo de polos sombreados .

Los costos son un parámetro importante para los arrancadores. [ 38 ] La excitación del rotor es una posible forma de resolver el problema. [ 39 ] Además, los métodos de arranque para grandes máquinas síncronas incluyen la inversión repetitiva de la polaridad de los polos del rotor durante el arranque. [ 40 ]

Aplicaciones, propiedades especiales y ventajas

Utilizar como condensador síncrono

Curva en V de una máquina síncrona

Variando la excitación de un motor síncrono, se puede lograr que funcione con factor de potencia inductivo, capacitivo y unitario . La excitación con factor de potencia unitario se denomina tensión de excitación normal . [ 41 ] La magnitud de la corriente en esta excitación es mínima. [ 41 ] La tensión de excitación mayor que la normal se denomina sobreexcitación, y la tensión de excitación menor que la normal se denomina subexcitación. [ 41 ] Cuando el motor está sobreexcitado, la fuerza contraelectromotriz será mayor que la tensión en los terminales del motor. Esto provoca un efecto desmagnetizante debido a la reacción de la armadura. [ 42 ]

La curva V de una máquina síncrona muestra la corriente de armadura en función de la corriente de campo . Al aumentar la corriente de campo, la corriente de armadura primero disminuye, luego alcanza un mínimo y después aumenta. El punto mínimo es también el punto en el que el factor de potencia es unitario. [ 43 ]

Esta capacidad de controlar selectivamente el factor de potencia puede aprovecharse para corregirlo en el sistema eléctrico al que está conectado el motor. Dado que la mayoría de los sistemas eléctricos de tamaño considerable presentan un factor de potencia neto inductivo, la presencia de motores síncronos sobreexcitados acerca el factor de potencia neto del sistema a la unidad, mejorando así la eficiencia. Esta corrección del factor de potencia suele ser un efecto secundario de los motores ya presentes en el sistema para realizar trabajo mecánico, aunque también pueden funcionar sin carga mecánica simplemente para corregir dicho factor. En grandes plantas industriales, como fábricas, la interacción entre los motores síncronos y otras cargas inductivas puede ser un factor clave en el diseño eléctrico de la planta.

Límite de estabilidad en estado estacionario

T=Tmáximopecado⁡(δ){\displaystyle \mathbf {T} =\mathbf {T} _{\text{max}}\sin(\delta )}

dónde,

T{\displaystyle \mathbf {T} }es el par
δ{\displaystyle \delta }es el ángulo de torsión
Tmáximo{\displaystyle \mathbf {T} _{\text{max}}}es el par máximo

aquí,

Tmáximo=3Vmiincógnitasωs{\displaystyle \mathbf {T} _{\text{max}}={\frac {{\mathbf {3} }{\mathbf {V} }{\mathbf {E} }}{{\mathbf {X_{s}} }{\omega _{s}}}}}

Cuando se aplica la carga, el ángulo de torsiónδ{\displaystyle \delta }aumenta. Cuandoδ{\displaystyle \delta }= 90° el par será máximo. Si se aplica más carga, el motor perderá su sincronismo, ya que el par del motor será menor que el par de carga. [ 44 ] [ 45 ] El par de carga máximo que se puede aplicar a un motor sin perder su sincronismo se denomina límite de estabilidad en estado estacionario de un motor síncrono. [ 44 ]

Otro

Los motores síncronos son especialmente útiles en aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad o la posición:

  • La velocidad es independiente de la carga en todo el rango de funcionamiento del motor.
  • La velocidad y la posición se pueden controlar con precisión mediante controles de lazo abierto (por ejemplo, motores paso a paso ).
  • Entre las aplicaciones de bajo consumo se incluyen las máquinas de posicionamiento, donde se requiere alta precisión, y los actuadores robóticos .
  • Mantendrán su posición cuando se aplique una corriente continua tanto al estator como al rotor.
  • Un reloj accionado por un motor síncrono es, en principio, tan preciso como la frecuencia de la red eléctrica que lo alimenta. (Aunque se producirán pequeñas fluctuaciones de frecuencia a lo largo de varias horas, los operadores de la red ajustan activamente la frecuencia de la red en periodos posteriores para compensar, manteniendo así la precisión de los relojes accionados por motor; véase Frecuencia de la red eléctrica §  Estabilidad ).
  • Tocadiscos
  • Mayor eficiencia en aplicaciones de baja velocidad (por ejemplo, molinos de bolas ).

Subtipos

Véase también

Referencias

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