En el presente ensayo se describen los motores síncronos, sus aspectos constructivos, principio de funcionamiento y campo de aplicación. Se analizan los distintos métodos de arranque y al motor funcionando como compensador síncrono.El motor síncrono recibe este nombre debido a que el rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético del estator, es decir, están sincronizados.

1. 1
Motor Sìncrono
Paul Santiago Saldaña Caldas
paul_ssc@hotmail.com
psaldana@est.ups.edu.ec
Abstract—En el presente ensayo se describen los motores sín-
cronos, sus aspectos constructivos, principio de funcionamiento
y campo de aplicación. Se analizan los distintos métodos de
arranque y al motor funcionando como compensador síncrono.El
motor síncrono recibe este nombre debido a que el rotor gira a
la misma velocidad que el campo magnético del estator, es decir,
están sincronizados. Figure 1. tipos constructivos de máquinas síncronas
Index Terms—polos, rotor, estator, síncrono
III. P RINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
Si a un alternador trifásico se le retira la máquina motriz y se
alimenta su estator mediante un sistema trifásico de corriente
I. I NTRODUCCIÒN alterna se genera en el estator un campo magnético giratorio,
cuya velocidad sabemos que es N = 60 f/p donde f es la
Los motores síncronos son máquinas síncronas que se frecuencia de la red, y p es el número de pares de polos
utilizan para convertir potencia eléctrica en potencia mecánica del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se
de rotación. La característica principal de este tipo de motores alimenta el devanado del mismo con corriente continua se
es que trabajan a velocidad constante que depende solo de produce un campo magnético rotórico fijo, delante del cual
la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos pasa el campo magnético del estator. Los polos del rotor
de la máquina. A diferencia de los motores asincrónicos, la están sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves
puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser periodos de tiempo, por parte de los polos del estator pero
que se cuente con un sistema automático de arranque. Otra el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrará. Al llevar el
particularidad del motor síncrono es que al operar de forma rotor a la velocidad de sincronismo, haciéndolo girar mediante
sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos
potencia. se establece un enganche magnético que les obliga a seguir
girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este
enganche magnético se produce ya que el campo giratorio
estatórico arrastra por atracción magnética al rotor en el mismo
II. C ONSTRUCCIÒN sentido y velocidad.
La máquina síncrona es una máquina reversible ya que se
puede utilizar como generador de corriente alterna o como
motor síncrono. Está constituido por dos devanados indepen-
dientes:
1) Un devanado inductor, construido en forma de arrol-
lamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimen-
tado por corriente continua, que da lugar a los polos de
la máquina y que se coloca en el rotor.
2) Un devanado inducido distribuido formando un arrol-
lamiento trifásico recorrido por corriente alterna ubicado Figure 2. Principio de funcionamiento del motor síncrono
en el estator que está construido de un material ferro-
magnético, generalmente de chapas de acero al silicio.
En la figura 2 se muestran dos conductores del inducido
La estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes enfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dos
o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese instantes de tiempo consecutivos. Se puede concluir que si
solo un par de polos. el rotor está en reposo o gira a otra velocidad diferente a la

2. 2
de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la V. C IRCUITO E QUIVALENTE POR FASE DE UN MOTOR
red es nulo por lo que el motor no arranca. S ÌNCRONO
Por lo que se dice que un motor síncrono es en esencia Ya que el motor síncrono es igual físicamente al generador,
un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par son las
del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante mismas. La única diferencia es que el sentido de flujo de
corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es
en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. opuesto para el motor.
Consideremos un motor síncrono funcionando en régimen
estacionario con una tensión por fase U. Suponemos que la
reactancia de dispersión es constante, que se pueden despreciar
las pérdidas en el hierro y que el entrehierro es uniforme. En
la figura 3 se puede ver el circuito eléctrico equivalente (dia-
grama de Blondel) que representa al motor síncrono conectado
a la red en el cual el estator se comporta como el primario de
Figure 3. un transformador.
Para entender el concepto básico de un motor sincrónico.
véase la figura siguiente, que muestra un motor sincrónico
de dos polos. La corriente de campo IF del motor produce
un campo magnético de estado estacionario BR, Un conjunto
trifásico de voltajes se aplica al estator de la máquina. que
produce un flujo de corriente trifásica en los devanados.
Figure 6. Circuito equivalente de un motor síncrono trifásico
Por la Ley de tensiones de Kirchhoff, se cumple: U = Ev +
Figure 4. Motor sìncrono de 2 polos
RIg + jLwI
IV. R EPRESENTACIÒN EN B LOQUES DEL
FUNCIONAMIENTO
Figure 7. diagrama fasorial de Blondel (note que la f.e.m. está atrasada con
respecto a U, al revés que para el generador)
Una vez que se produce la conexión del motor a la red,
ocurre un desplazamiento del eje de los polos del rotor re-
specto de los polos ficticios del estator (figura 5), que aumenta
con la carga del motor, y si este desplazamiento supera un
límite el motor se para.
Figure 5. Figure 8. motor síncrono bajo carga

3. 3
VI. C URVAS CARACTERÍSTICAS dirección del par inducido en el rotor se invierte con cada
Los motores sincrónicos suministran potencia a cargas que paso. El enorme par resultante oscila primero en una forma y
son básicamente dispositivos de velocidad constante. Al estar luego en otra causando que el motor entero vibre con fuerza.
conectados a sistemas de potencia mucho más grandes que los La pérdida de sincronización después que se ha excedido el
motores individuales, los sistemas de potencia aparecen como par máximo, se conoce como deslizamiento de polos.
barrajes infinitos frente a los motores. Esto significa que el El par máximo del motor está dado por:
voltaje en los terminales y la frecuencia del sistema serán Tmax = KBR Bnet
constantes, independientemente de la cantidad de potencia
tomada por el motor. La velocidad de rotación del motor está 3Vφ EA
asociada a la frecuencia eléctrica aplicada, de modo que la Tmax =
Wm Xs
velocidad del motor será constante, independientemente de
BR Densidad
la carga. La curva característica resultante par-velocidad se BN ET Densidad de campo resultante o neto
muestra en la siguiente figura. El campo magnètico neto es el vector suma de los campos
del, rotor y el estator.
BN ET = BR + BS
Estas ecuaciones indican que cuanto mayor sea la corriente
de campo (y por tanto EA ), mayor será el máximo par del
motor. Por tanto, hay una ventaja en la estabilidad, si se opera
el motor con una gran corriente de campo o un gran EA .
VII. E FECTO DE LOS CAMBIOS DE CARGA EN UN MOTOR
SINCRÓNICO
Si se fija una carga al eje de un motor sincrónico, éste
Figure 9. desarrollará suficiente par para mantenerse girando a la veloci-
dad sincrónica junto con su carga. ¿Qué ocurre en un motor
La velocidad de estado estacionario del motor es constante sincrónico cuando la carga cambia?.
desde vacío hasta el par máximo que puede suministrar el Para responder este interrogante es preciso examinar un
motor, tal que la regulación de velocidad de este motor es motor sincrónico que opera inicialmente con un factor de
0%. La ecuación del par es: potencia en adelanto, como se muestra en la siguiente figura
Si la carga sobre el eje del motor se incrementa, el rotor
T ind = kBR BN ET sin δ disminuirá su velocidad al comienzo. Cuando eso ocurre, el
ángulo de par δ llega a ser mayor, y aumenta el par inducido.
3Vφ EA sin δ Con el tiempo, el incremento del par inducido acelera el rotor
T ind =
W mXs y el motor gira de nuevo con velocidad sincrónica, pero con
un ángulo de par δ mayor.
¿Qué apariencia toma el diagrama fasorial durante este
proceso ? Para responder este interrogante es necesario ex-
aminar las restricciones sobre la máquina durante un cambio
de carga. La figura “a” muestra el diagrama fasorial del
motor antes que se incrementen las cargas. El voltaje interno
generado EA es igual a KΦ y por tanto ,depende sólo de
la corriente de campo y de la velocidad de la máquina. La
velocidad está restringida a permanecer constante debido a
la fuente de potencia de entrada y, puesto que no se ha
Figure 10. Diagrama vectorial tocado el circuito del campo, la corriente de campo también es
constante. Entonces EA debe ser constante cuando cambia la
El par máximo ocurre cuandoδ = 90º. Sin embargo, carga. Las distancias proporcionales a la potencia (EAsin δ
los pares normales de plena carga son mucho menores que e IA cos θ) se incrementarán, pero la magnitud deEA debe
aquéllos. En efecto, el par máximo puede triplicar el par de permanecer constante. Cuando la carga se incrementa, EA se
plena carga de la máquina. mueve hacia abajo, como se observa en la figura b. Com o EA
Cuando el par aplicado en el eje de un motor sincrónico se mueve hacia abajo cada vez más, la cantidad jXSISA debe
excede el par máximo, el rotor no puede permanecer más incrementarse para alcanzar desde la punta de EA a VΦ , y
enlazado a los campos magnéticos estatórico y neto. En entonces la corriente del inducido I A también se incrementa.
cambio, el rotor comienza a disminuir la velocidad frente Nótese que el ángulo θdel factor de potencia también cambia,
a ellos. Como el rotor disminuye la velocidad, el campo y es cada vez menor cuando está en adelanto y luego cada vez
magnético estatórico se entrecruza con él repetidamente, y la mayor cuando está en atraso.

4. 4
a) Arranque del motor reduciendo la frecuencia eléc-
trica: Reducir la velocidad del campo magnético del estator
a un valor suficientemente bajo para que el rotor pueda
acelerar y se enlace con él durante medio ciclo de rotación
del campo magnético. Esto se puede llevar a cabo reduciendo
la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada.
b) Arranque del motor mediante un motor primario
externo: El segundo método para arrancar un motor sincrónico
consiste en fijarle un motor externo de arranque y llevar la
máquina sincrónica hasta su velocidad plena con ese motor..
Entonces la máquina sincrónica puede ser emparalelada con un
sistema de potencia como un generador, y el motor de arranque
puede desacoplarse del eje de la máquina. Desconectando el
motor de arranque, el eje de la máquina se desacelera, el
campo magnético del rotor BR queda atrás de Bnet y la
máquina sincrónica comienza actuar como motor.
c) Arranque de un motor utilizando devanado amor-
Figure 11.
tiguador: La técnica más popular para el arranque de mo-
VIII. C APACITOR O CONDENSADOR tores sincrónicos es utilizar devanados amortiguadores: Estos
devanados son barras especiales dispuestas en ranuras labradas
IX. SÍNCRONO .
en la cara del rotor del motor sincrónico y cortocircuitadas en
De hecho, a veces se compra un motor síncrono y se opera cada extremo por un anillo de cortocircuito.
en vacío, simplemente para corregir el factor de potencia. En Estos devanados tienen dos objetivos :
las figuras anteriores se muestra el diagrama fasorial de un
1) Hacer que el motor arranque como un motor de induc-
motor síncrono sobreexcitado en vacío. Puesto que no sale
ción
potencia del motor, las distancias proporcionales a la potencia
2) Impedir la oscilación de velocidad o penduleo
(EA sin δ y el A cos θ) son cero. Ya que la ecuación de la ley
de voltaje de Kirchhoff para un motor síncrono es: El penduleo es una fluctuación o variación periódica de la
velocidad del rotor con respecto a la del campo magnético
V φ = EA + jXS IA rotatorio del estator y puede ser producido por los siguientes
la cantidad jXsIA apunta hacia la izquierda y, por lo tanto, aspectos:
la corriente en el inducido IA apunta directamente hacia arriba. 1) Un cambio brusco de carga mecánica.
Si se examinan V Φ, e1A la relación voltaje- corriente 2) Un cambio brusco de la tensión de c-a
entre ellos se parece a la de un capacitor. Un motor síncrono 3) Un cambio brusco de la excitación o intensidad de c-c
sobreexcitado en vacío parece un capacitor grande para el
sistema de potencia. XI. C ONCLUSIONES
Tales motores síncronos con propósito especial a menudo • Estudiamos el funcionamiento del motor sincrono y se
se llaman condensadores o capacitores síncronos. pudo relacionar con el motor de inducción como si fuera un
• En la figura siguiente se puede observar la curva en V de motor de inducción sincrono.
un capacitor síncrono: La Aplicaciòn mas comùn es la utilizaciòn para incrementar
el factor de potencia general , esto se llama corrección del
factor de potencia.
Cualquier motor síncrono que se encuentra en una planta se
opera sobre excitado para poder corregir el factor de potencia
e incrementar su par máximo.
En general, los motores síncronos son más adaptables a
aplicaciones de bajas velocidades y altas potencias que los
motores de inducción . Por lo tanto, se utilizan comúnmente
para cargas de baja velocidad y alta potencia.
[1][1]
R EFERENCES
[1] S. J. Chapman, E. R. Castillo, and J. A. R. Avila. Máquinas eléctricas.
Figure 12. Curva de un capacitor sìncrono McGraw-Hill, 2000.
http://electromntto.blogspot.com/2009/03/
X. T IPOS DE ARRANQUES DE UN MOTOR SINCRONO . otras-tecnicas-de-mantenimiento.html
Existen tres métodos básicos para el arranque seguro de un
motor sincrónico.