maquinas electricas

1. Universidad Politécnica Salesiana – Maquinas Eléctricas II
.
CMR Y FUNCIONAMIENTO DE MOTORES SÍNCRONOS
Pablo Zumba
pzumbap@est.ups.edu.ec
Ing. Omar Álvarez
oalvarez@ups.edu.ec
Abstract.
This document refers to the study of CMR, as it is intended to focus and briefly explain the action of the WRC In addition
to detailing the proper process of starting of synchronous motors, the characteristic speed and in turn their property as
rotary capacitor.
RESUMEN: Este documento hace referencia al estudio del
CMR, ya que se pretende enfocar y explicar brevemente la
acción del C.M.R. Además de detallar el proceso adecuado
del arranque de motores síncronos, su característica de
velocidad y a su vez su característica como capacitor
rotativo.
1 INTRODUCCIÓN.
Antes de comenzar con el tema general, debemos tomar en
cuenta que toda máquina eléctrica está provista de un Ilustración 1 Producción y
conjunto magnético y dos circuitos eléctricos, uno de los Acción del C.M.R
circuitos eléctricos y el más importante, es el de excitación,
que al ser recorrido por una corriente eléctrica produce Es decir, las bobinas E1 y E2 son recorridas,
amperios vueltas necesarios para crear el flujo que se cuando usamos corriente alterna, por las
establece en el conjunto magnético de la máquina. corrientes i1 e i2, desfasadas entre sí 90º. Este
Otro aspecto a considerar es el efecto producido por la desfasaje lo produce el sistema de capacitores
circulación de corriente alterna en una máquina eléctrica. La que está en serie con una de ellas. Este mismo
corriente (de igual magnitud) que circule por tres bobinas desfasaje se reproduce en la formación de los
dispuestas sobre el rotor de la maquina debidamente campos magnéticos variables respectivos, los
alineadas y desfasadas entre sí 120º producen en cada uno componentes B1 y B2 del campo total B que se
de los devanados su propios polos norte y sur. forma en el espacio comprendido por las espiras
varían sinusoidalmente. En la figura 2, se ha
DESARROLLO. representado la variación de los componentes B1
y B2 con respecto al tiempo, durante un ciclo
sinusoidal completo. Sobre la diagonal figura la
2 C.M.R variación de la resultante B que, con módulo
constante, ha cumplido una rotación de 360º en
La producción y la acción de un campo magnético sentido horario.
rotante, es un fenómeno que se puede observar en el
principio de funcionamiento de las maquinas de corriente
alterna. La acción del c. m. r. se da entre las bobinas de
las máquinas, obsérvese la figura 1:
entre el generador y la red, presionamoselpulsanteq
Ilustración 2 Variación de los componentes B1 y B2.
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Entre las bobinas donde gira el campo B hay una jaula
de forma cilíndrica de material conductor montada sobre
un eje. El campo B, está "cortando" a las barras
verticales del cilindro (ya que sus líneas de fuerza
cambian continuamente de dirección) induce en ellas
corrientes i perpendiculares a B y a su desplazamiento,
lo que produce la aparición de fuerzas F,
perpendiculares a esas corrientes y a v, es decir,
produciendo una rotación en el mismo sentido en que lo
hace el campo, podemos apreciar mejor este efecto en la
figura 3.
Ilustración 4Sentido de las corrientes I1 I2 como positivos e
I33 como negativo.
Como se puede observar en la figura 5, y en este
esquema se ve las ondas de ingreso desfasadas,
nombradas anteriormente. En cada instante del tiempo
habrá dos corrientes en el mismo sentido y una que se
opone.
Ilustración 3Rotación en el mismo sentido que lo hace el
campo.
La enemiga de la corriente alterna, sin duda es la
corriente continua y cuando utilizamos corriente
continua, ésta recorre una sola bobina, ya que la otra
tiene en serie los capacitores, que no permiten su paso.
La bobina por la cual circula corriente produce un
campo fijo B. Si el rotor está girando, aparecen en él
corrientes inducidas, las que originan fuerzas que actúan
en sentido contrario al del movimiento, y se portan Ilustración 5Ondas de ingreso desfasadas.
como un freno, deteniéndolo en pocos segundos.
El efecto producido por la circulación de corriente Con el mismo razonamiento se obtienen los diagramas
alterna de igual magnitud, por tres bobinas dispuestas para 60º, 120º y 180º El campo resultante gira en
sobre el rotor de la maquina debidamente alineadas y sincronismo con las ondas aplicadas, se ve que cada 60º
desfasadas entre sí 120º producen en cada uno de los eléctricos de la onda de corriente el campo resultante
devanados sus propios polos norte y sur. Como se puede también se desplaza 60º En un sistema trifásico, el
observar en la figura 4, en este esquema se ve el sentido campo resultante vale 1,5 veces el módulo de los
de las corrientes. campos componentes.
Para cambiar el sentido de giro del campo, cambiamos
la secuencia de las ondas, como los dos campos, de los
polos e inducido, giran a la misma velocidad, se pueden
analizar sus efectos como si fueran estáticos.
Y por último los campos producidos causan atracción
entre los polos opuestos por lo tanto a medida de que
gira el campo magnético rotante lo hará el rotor según la
polaridad inducida a partir de la excitación de If, tal
como lo muestra la figura 6.
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Ilustración 6Atracción entre los polos opuestos. El flujo resultante en cada fase sumando las 3 fases es
cero:
A fin de comprender mejor el funcionamiento de los motores
sincrónicos, nos referiremos al tipo de campo magnético
formado por un devanado trifásico, repartido en la periferia del
estator y alimentado por un sistema trifásico sinusoidal. Debido a esto se conecta al revés una de las bobinas para
En el interior del estator el flujo magnético resultante será la obtener un flujo resultante diferente de cero, la acción
suma de los producidos por las tres bobinas, de manera que en magnética de las 3 fases tienen como resultante un fasor
cada instante habrá que sumar gráficamente los tres flujos de que desplaza el campo magnético, y produce el CMR o
sus respectivas bobinas. Usamos para ello los diagramas
campo magnético rotatorio, como se muestra en la figura
vectoriales, pero aplicados a los flujos alternos. Pero debe
hacerse una aclaración: el sentido de las líneas de fuerzas de 7.
un campo magnético depende del sentido de circulación de la 3 PROCEDIMIENTO ADECUADO DEL
corriente que lo produce, tal como resulta de aplicar la regla ARRANQUE DE MOTORES
del tirabuzón.
SINCRONOS.
Como se mencionó antes, el motor para arrancar necesita de
algún método auxilia, de no realizar esto cuando el motor
está detenido y se lo conecta a la red, éste vibrará fuertemente
y se sobrecalentará.
Existen varios métodos para arrancarlo de forma segura. A
continuación se describirán los métodos más utilizados
Arranque con un motor primario externo
Arranque por medio de la reducción de la frecuencia
eléctrica
Arranque con devanado de amortiguamiento
Arranque automático
Arranque por medio de un motor externo:
3.1 Se arranca el motor de lanzamiento.
Ilustración 7CMR Resultante.
Haciendo una sumatoria vectorial con fases a 120 grados
podemos determinar matemáticamente que el resultado 3.2 Variamos la tensión hasta llegar a la
de esta sumatoria será el nuevo fasor, el cual será el velocidad de sincronismo del motor
CMR. Los fasores que suman son los del flujo que hay
en cada fase ya que el flujo está en función de la
síncrono.
corriente.
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La tensión no importa medir solo nos importa medir la
velocidad del motor hasta que llegue a la velocidad de
sincronismo que es de 1800r.p.m.
3.3 Apagamos el motor de lanzamiento Arranque por medio de la reducción de la frecuencia
eléctrica: Si los campos magnéticos del estator en un motor
y enseguida alimentamos al motor síncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no
síncrono son 220V de línea. habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace
con el campo magnético del estator. Entonces, se puede
incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator
aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal
de 60 Hz. Para esto pueden utilizar accionadores de estado
sólido como ciclo convertidores.
Arranque con devanado de amortiguamiento: este es uno
de los métodos más utilizados. Recibe el nombre de devanado
amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen
Al alimentarlo esto produce que el movimiento sea de en los procesos transitorios de las máquinas: acoplamiento a la
sincronismo es decir los 1800 r.p.m.; sea apaga el motor red, vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. Los
de lanzamiento porque ya no tiene sentido tenerlo devanados de amortiguamiento son barras especiales
activo. dispuestas en ranuras hechas en la cara del rotor en un motor y
en cortocircuito en cada extremo con un anillo, esto crea un
3.4 Se procede a colocarle una carga rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera
variable. un motor asincrónico.
Entre las ventajas de adicionar polos esta el aumento en la
estabilidad de la maquina.
Al variar la carga podemos observar la característica del
motor síncrono que al aumentar la carga su velocidad se Arranque automático: Mediante el siguiente circuito se
mantiene constante hasta que la carga supera la potencia puede arrancar al motor de forma automática.
máxima que puede entregar el motor síncrono y en este
momento el motor se detiene; como se muestra en la
curva característica siguiente de velocidad contra carga.
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Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del
motor. En el instante de arranque el rotor tiene la frecuencia de
la red (alta frecuencia). En el circuito del rotor, que alimenta la
resistencia de arranque, para que ésta absorba la tensión
elevada de las bobinas de los polos, aparece una diferencia de
potencial a los bornes de la reactancia. Esta diferencia de
potencial alimenta una bobina del relé polarizado, que
mantiene abierto los contactos del mismo. La máquina arranca
como motor asíncrono debido a la jaula de ardilla que poseen
los polos del rotor. A medida que aumenta la velocidad, la
frecuencia del rotor disminuye, por consiguiente disminuye la
diferencia de potencial a los bornes de la reactancia hasta que
ésta no puede mantener el yugo del relé, ya cercana a la
velocidad de sincronismo, y cierra los contactos de él. Al
cerrarse este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien
cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera
alimentado el rotor por corriente continua y funcionando en
sincronismo. En la grafica se observa que al crecer la excitación (y en
4 MOTOR COMO CONDENSADOR consecuencia Ev), la corriente de carga comienza a disminuir,
se hace mínima para cosΦ=1, y vuelve a aumentar cuando se
SINCRONO. hace capacitivo.
Como ya se había mencionado y estudiando también en clases Esta ley de variación se puede reproducir para diferentes
estos motores tiene múltiples ventajas y beneficios pero sin estados de carga (plena carga, media carga o un cuarto de
duda su principal característica es que pueden compártase carga) para obtener las curvas en V del motor síncrono.
como un condensador, debido a que las máquinas sincrónicas
giran a una velocidad fija, la potencia de salida termina siendo Para bajos valores de excitación, la máquina es inductiva y
una función directa del par aplicado al rotor de la misma. Esto consume potencia reactiva Q. Para cosΦ=1, la corriente es
permite idealmente el control de la potencia activa en un rango mínima, por lo que los mínimos en cada estado de carga
que va desde cero hasta el máximo permisible por la máquina. determinan la curva de cosΦ=1. Estos puntos se encuentran
Explicamos todo más detalladamente a continuación desplazados hacia la derecha porque a mayor carga más
Es muy común la práctica de conectar un motor síncrono a la reacción de inducido, por lo que es necesario aumentar la
línea y operarlo de forma sobreexcitada en vacío para corregir excitación. Para valores grandes de excitación la máquina es
el factor de potencia. Ya que la potencia real suministrada a la capacitiva y suministra potencia reactiva al sistema.
máquina es cero (excepto por las pérdidas), con un factor de
potencia unitario la corriente es nula. Al incrementar la Es importante destacar que al controlar la corriente de
corriente excitatriz, la corriente en la línea (y la potencia excitación, se puede controlar la potencia reactiva suministrada
reactiva suministrada por el motor) aumenta de manera lineal a, o consumida, por el sistema de potencia.
hasta llegar hasta el punto de saturación. Para muy bajos valores de excitación llega un punto en que la
fuerza de atracción magnética no es suficiente para mantener al
Como no hay transferencia de potencia (el motor está en rotor ligado al campo giratorio, y la máquina se desengancha y
vacío) cosΦ=0 y la corriente de carga adelanta 90° con se detiene. Estos puntos determinan el límite de estabilidad.
respecto a la tensión de línea. El motor es una carga con factor Un motor puede trabajar subexcitado o sobreexcitado para un
de potencia variable. Al hacer que el motor síncrono trabaje en mismo estado de carga, pero el motor sobreexcitado, además
régimen capacitivo se disminuye el valor de la corriente de de entregar un par máximo más grande, es más estable y
línea y del factor de potencia. Esto que hace que disminuyan presenta mejor cosΦ.
las pérdidas de transmisión y se mejora notablemente la
eficiencia de operación del sistema
5 CONCLUSIONES.
En base a los resultados anteriores, se hace un estudio de la
relación entre la corriente del inducido I y la corriente de Sobre el desarrollo de este documento y con un criterio
campo o de excitación (Iex). bastante amplio, podemos concluir que las corrientes
que circulan en el inducido, generan su propio campo
magnético. Es necesario conocer sus características,
porque de ello dependerá la validez de estudiar la
máquina a través de un diagrama vectorial estático.
En las máquinas de C.A rotativas este campo magnético
que se desplaza en el espacio y tiempo es el denominado
campo magnético rotante. Su velocidad depende
directamente de la frecuencia, y su módulo puede ser
constante.
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Sobre el aspecto que encaja al procedimiento adecuado
del arranque de motores síncronos se puede decir, que
existe una gran ventaja del motor síncrono, ya que este
puede mantener la velocidad constante sin importar la
carga, solo hasta que la carga sea mayor a la potencia
máxima que puede entregar el motor síncrono.
Otro aspecto importante a concluir según el
procedimiento de arranque de los motores sincrónicos se
puede observar que al variar la tensión de excitación lo
que variamos es el ángulo de desfase y con esto
podemos controlar el desfasamiento al tener carga
constante.
Y por último el sentido de giro depende de la red
trifásica y no de la polaridad de la excitación, al variar la
tensión de excitación variamos el Cosθ y esto nos
produce una gran aplicación en la industria para así
lograr un refasamiento y obtener el Cosθ más
conveniente para la empresa.
6 REFERENCIAS
[1]http://www.profesormolina.com.ar/electromec/maquinas.htm
[2]http://www.electrica.frba.utn.edu.ar/electrotecnia/trifas/rotante
/index.html
[3]www.frlp.utn.edu.ar/web/syllabus_electrica/FRLP%20Syllabu
s%20Electrica/maquinas_electricasII.doc
[4]www.ib.cnea.gov.ar/nmayer/monografias/motor%20monof%E
1sico.PDF –
[5]H. Hübscher, J. Klaue, W. Pflüger, S. Appelt, “Electrotecnia
Curso Elemental GTZ”, Barcelona España, editorial
Reverté, S.A. 1983
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