Un motor eléctrico síncrono es un motor eléctrico de CA en el que, en estado estacionario , [1] la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de la corriente de suministro ; el período de rotación es exactamente igual a un número entero de ciclos de CA. Los motores síncronos utilizan electroimanes como estator del motor que crean un campo magnético que gira al mismo tiempo que las oscilaciones de la corriente. El rotor con imanes permanentes o electroimanes gira al mismo ritmo que el campo del estator y, como resultado, proporciona el segundo campo magnético giratorio sincronizado. Un motor síncrono se denomina doblemente alimentado si se suministra con electroimanes de CA multifásicos excitados independientemente tanto en el rotor como en el estator. [2]
Los motores síncronos y de inducción son los motores de CA más utilizados. Los motores síncronos giran a una velocidad fijada a la frecuencia de la línea, ya que no dependen de la inducción para producir el campo magnético del rotor. Los motores de inducción requieren deslizamiento : el rotor debe girar a una frecuencia ligeramente más lenta que las alternancias de CA para poder inducir corriente en el rotor.
Los pequeños motores síncronos se utilizan en aplicaciones de temporización como en relojes síncronos , temporizadores en electrodomésticos, grabadoras y servomecanismos de precisión en los que el motor debe funcionar a una velocidad precisa; La precisión depende de la frecuencia de la línea eléctrica , que se controla cuidadosamente en grandes sistemas de redes interconectadas.
Los motores síncronos están disponibles en tamaños autoexcitados, fraccionarios [3] e industriales. [1] En el rango de caballos de fuerza fraccionarios, 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.
En tamaños industriales típicos, el motor síncrono proporciona un medio eficiente para convertir energía de CA en trabajo ( la eficiencia eléctrica superior al 95% es normal para tamaños más grandes) [4] y puede funcionar con un factor de potencia principal o unitario y, por lo tanto, proporcionar corrección del factor de potencia. . [ cita necesaria ]
Los motores síncronos entran en la categoría de máquinas síncronas que también incluye generadores síncronos. La acción del generador ocurre si los polos del campo son "impulsados por delante del flujo de entrehierro resultante por el movimiento hacia adelante del motor primario ". La acción del motor ocurre si los polos del campo son "arrastrados detrás del flujo de entrehierro resultante por el par retardador de una carga del eje ". [1]
Los dos tipos principales de motores síncronos se distinguen por la forma en que se magnetiza el rotor: no excitados y excitados por corriente continua. [5]
En los motores no excitados, el rotor está fabricado de acero. Gira al ritmo del campo magnético giratorio del estator, por lo que tiene un campo magnético casi constante a través de él. El campo externo del estator magnetiza el rotor, induciendo los polos magnéticos necesarios para girarlo. El rotor está hecho de un acero de alta retentividad como el acero al cobalto . Estos se fabrican en diseños de imán permanente , reluctancia e histéresis : [6]
Un motor síncrono de imán permanente (PMSM) utiliza imanes permanentes integrados en el rotor para crear un campo magnético constante. El estator lleva devanados conectados a un suministro de electricidad de CA para producir un campo magnético giratorio (como en un motor asíncrono ). A velocidad sincrónica, los polos del rotor se bloquean en el campo magnético giratorio. Los PMSM son similares a los motores CC sin escobillas . Los imanes de neodimio son los más comunes, aunque la rápida fluctuación de los precios de los imanes de neodimio desencadenó la investigación sobre imanes de ferrita . [7] Debido a las características inherentes de los imanes de ferrita , el circuito magnético de estas máquinas debe poder concentrar el flujo magnético, lo que normalmente conduce al uso de rotores de tipo radios. [8] Las máquinas que utilizan imanes de ferrita tienen menor densidad de potencia y densidad de par en comparación con las máquinas de neodimio. [8]
Los PMSM se han utilizado como motores de ascensores sin engranajes desde el año 2000. [9]
La mayoría de los PMSM requieren un variador de frecuencia para iniciarlos. [10] [11] [12] [13] [14] Sin embargo, algunos incorporan una jaula de ardilla en el rotor para el arranque; estos se conocen como arranque en línea o arranque automático. [15] Estos se utilizan normalmente como reemplazos de mayor eficiencia para los motores de inducción (debido a la falta de deslizamiento), pero deben garantizar que se alcance la velocidad sincrónica y que el sistema pueda soportar la ondulación del par durante el arranque.
Los PMSM normalmente se controlan mediante control de par directo [16] y control orientado al campo . [17]
Los motores de reluctancia tienen un rotor sólido de fundición de acero con polos dentados salientes (salientes). Por lo general, hay menos polos del rotor que del estator para minimizar la ondulación del par y evitar que todos los polos se alineen simultáneamente, una posición que no puede generar par. [3] [18] El tamaño del entrehierro en el circuito magnético y, por 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 alinea el rotor con el polo más cercano del campo del estator. De este modo, a velocidad síncrona, el rotor está "bloqueado" al campo giratorio del estator. Esto no puede arrancar el motor, por lo que los polos del rotor suelen tener devanados de jaula de ardilla incrustados en ellos, para proporcionar un par por debajo de la velocidad sincrónica. De este modo, la máquina arranca como un motor de inducción hasta que alcanza la velocidad sincrónica, cuando el rotor "tira hacia adentro" y se bloquea en el campo del estator. [19]
Los diseños de motores de reluctancia tienen potencias que van desde una fracción de caballo de fuerza (unos pocos vatios) hasta aproximadamente 22 kW . Los motores de pequeña reluctancia tienen un par bajo y generalmente se utilizan para aplicaciones de instrumentación. Los motores de par moderado y varios caballos de fuerza utilizan una construcción de jaula de ardilla con rotores dentados. Cuando se utiliza 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.
Los motores de histéresis tienen un rotor cilíndrico sólido, liso, fundido en acero de cobalto magnéticamente "duro" de alta coercitividad . [18] Este material tiene un amplio bucle de histéresis (alta coercitividad ), lo que significa que una vez que se magnetiza en una dirección determinada, requiere un alto campo magnético para invertir la magnetización. El campo giratorio del estator hace que cada pequeño volumen del rotor experimente un campo magnético inverso. Debido a la histéresis, la fase de la magnetización va por detrás de la fase del campo aplicado. Por lo tanto, el eje del campo magnético inducido en el rotor va por detrás del eje del campo del estator en un ángulo constante δ, produciendo un par a medida que el rotor intenta "alcanzar" el campo del estator. Mientras el rotor esté por debajo de la velocidad sincrónica, cada partícula del rotor experimenta un campo magnético inverso en la frecuencia de "deslizamiento" que la impulsa alrededor de su bucle de histéresis, lo que hace que el campo del rotor se retrase y genere torque. El rotor tiene una estructura de barra de baja reluctancia de 2 polos. [18] A medida que el rotor se acerca a la velocidad sincrónica y el deslizamiento llega a cero, esto se magnetiza y se alinea con el campo del estator, lo que hace que el rotor se "bloquee" al campo del estator giratorio.
Una ventaja importante del motor de histéresis es que, dado que el ángulo de retraso δ es independiente de la velocidad, desarrolla un par constante desde el arranque hasta la velocidad síncrona. Por lo tanto, es de arranque automático y no necesita un devanado de inducción para arrancarlo, aunque muchos diseños incorporan una estructura de devanado conductivo de jaula de ardilla en el rotor para proporcionar un par adicional en el arranque. [ cita necesaria ]
Los motores de histéresis se fabrican en potencias subfraccionales, 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. [ cita necesaria ]
Por lo general, fabricados en tamaños más grandes (más de aproximadamente 1 caballo de fuerza o 1 kilovatio), estos motores requieren corriente continua (CC) para excitar (magnetizar) el rotor. La forma más sencilla de suministrarlo es a través de anillos colectores .
También se puede utilizar una disposición rectificadora y de inducción de CA sin escobillas . [20]
La energía puede ser suministrada desde una fuente separada o desde un generador conectado directamente al eje del motor.
Un motor síncrono de imán permanente y un motor de reluctancia requieren un sistema de control para su funcionamiento ( VFD o servoaccionamiento ).
Existe una gran cantidad de métodos de control para máquinas síncronas, seleccionados según la construcción del motor eléctrico y el alcance.
Los métodos de control se pueden dividir en: [21] [22]
Los PMSM también pueden funcionar con control de bucle abierto, [23] que a veces se utiliza para el arranque, lo que permite la operación de detección de posición. [24]
La velocidad síncrona de un motor síncrono viene dada: [25]
en RPM , por:
y en rad·s −1 , por:
dónde:
Un motor síncrono monofásico de 4 polos (par de 2 polos) funciona a una frecuencia de suministro de CA de 50 Hz. El número de pares de polos es 2, por lo que la velocidad síncrona es:
Un motor síncrono trifásico de 12 polos (pares de 6 polos) funciona a una frecuencia de suministro de CA de 60 Hz. El número de pares de polos es 6, por lo que la velocidad síncrona es:
El número de polos magnéticos, , 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 por el número de fases, que es 3. Las bobinas pueden abarcar varias ranuras en el núcleo del estator, lo que hace que sea tedioso contarlas. . Para un motor trifásico, si contamos 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 del rotor es igual al número de polos magnéticos del estator.
Los componentes principales de los motores eléctricos son el estator y el rotor. [26] Los estatores de motores síncronos y de motores de inducción son similares en construcción. [27] La construcción del motor síncrono es similar a la de un alternador síncrono . [28] El bastidor del estator contiene una placa envolvente (excepto en máquinas eléctricas síncronas de doble alimentación con rotor bobinado ). A la placa envolvente se unen nervaduras circunferenciales y barras clave. Para soportar el peso de la máquina, se requieren soportes y zapatas en el bastidor. [29] El devanado del estator síncrono consta de un devanado trifásico. Está provisto de un suministro trifásico y el rotor cuenta con un suministro de CC.
Los motores excitados por CC requieren escobillas y anillos colectores para conectarse al suministro de excitación. [30] El devanado de campo puede excitarse mediante un excitador sin escobillas. [31] Los rotores cilíndricos redondos (también conocidos como rotores de polos no salientes) se utilizan para hasta seis polos.
En algunas máquinas o cuando se necesita una gran cantidad de polos, se utiliza un rotor de polos salientes. [32] [33]
La mayoría de las construcciones de motores síncronos utilizan una armadura estacionaria y un devanado de campo giratorio. Este tipo de construcción tiene una ventaja sobre el tipo de motor de CC donde la armadura utilizada es de tipo giratorio.
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 giratorio trifásico (y por lo tanto un campo magnético giratorio). El rotor finalmente se bloquea con el campo magnético giratorio y gira junto con él. Una vez que el campo del rotor se bloquea con el campo magnético giratorio, se dice que el motor está sincronizado. Es posible un estator monofásico (o bifásico derivado de una sola fase), pero en este caso la dirección de rotación no está definida y la máquina puede arrancar en cualquier dirección a menos que las disposiciones de arranque lo impidan. [34]
Una vez que el motor está en funcionamiento, la velocidad del motor depende únicamente de la frecuencia de suministro. Cuando la carga del motor aumenta más allá de la carga de ruptura, el motor pierde la sincronización y el rotor ya no sigue el campo magnético giratorio.
Dado que el motor no puede producir par si no está sincronizado, los motores síncronos prácticos tienen un amortiguador de jaula de ardilla parcial o completo llamado devanado amortizador 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 voltajes de frecuencia de deslizamiento grandes en el devanado de excitación del rotor, los dispositivos de protección del motor síncrono detectan esta condición e interrumpen el suministro de energía (fuera de sincronismo). proteccion). [34]
Por encima de cierto tamaño, los motores síncronos no pueden arrancar automáticamente. 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 promedio inherente cuando está parado, no puede acelerar a velocidad síncrona sin un mecanismo suplementario. [3]
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. [3] Una vez que el rotor se acerca a la velocidad sincrónica, el devanado de campo se excita y el motor se sincroniza. Los sistemas de motores muy grandes pueden incluir un motor "pony" que acelera la máquina síncrona descargada antes de aplicar la carga. [35] [36] Los motores controlados electrónicamente se pueden acelerar desde velocidad cero cambiando la frecuencia de la corriente del estator. [37]
Los pequeños motores síncronos se utilizan comúnmente en relojes o temporizadores mecánicos eléctricos alimentados por línea que utilizan la frecuencia de la línea eléctrica para hacer funcionar 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 medio ciclo de aceleración del par de reluctancia. [3] Los motores síncronos monofásicos , como los de los relojes de pared eléctricos, pueden girar libremente en cualquier dirección, a diferencia de los del tipo de polo sombreado .
Los costos son un parámetro importante para empezar. [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 de polaridad repetitiva de los polos del rotor durante el arranque. [40]
Al variar la excitación de un motor síncrono, se puede hacer que funcione con un factor de potencia en retraso, en adelanto y unitario . La excitación en la que el factor de potencia es la unidad se denomina tensión de excitación normal . [41] La magnitud de la corriente en esta excitación es mínima. [41] El voltaje de excitación mayor que la excitación normal se llama sobreexcitación, el voltaje de excitación menor que la excitación normal se llama subexcitación. [41] Cuando el motor está sobreexcitado, la fuerza contraelectromotriz será mayor que el voltaje del terminal 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 del inducido primero disminuye, luego alcanza un mínimo y luego aumenta. El punto mínimo es también el punto en el que el factor de potencia es la unidad. [43]
Esta capacidad de controlar selectivamente el factor de potencia se puede aprovechar para la corrección del factor de potencia del sistema de potencia al que está conectado el motor. Dado que la mayoría de los sistemas de energía de cualquier tamaño significativo tienen un factor de potencia neto retrasado, la presencia de motores síncronos sobreexcitados acerca el factor de potencia neto del sistema a la unidad, mejorando la eficiencia. Esta corrección del factor de potencia suele ser un efecto secundario de los motores que ya están presentes en el sistema para proporcionar trabajo mecánico, aunque los motores pueden funcionar sin carga mecánica simplemente para proporcionar una corrección del factor de potencia. En grandes plantas industriales, como las fábricas, la interacción entre motores síncronos y otras cargas retrasadas puede ser una consideración explícita en el diseño eléctrico de la planta. [ cita necesaria ]
dónde,
aquí,
Cuando se aplica carga, el ángulo de torsión aumenta. Cuando = 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 llama límite de estabilidad en estado estacionario de un motor síncrono. [44]
Los motores síncronos son especialmente útiles en aplicaciones que requieren control preciso de velocidad o posición:
