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Motores síncronos
El motor síncrono es uno de los principales tipos de motores de corriente alterna. Al igual que el motor de inducción. El motor síncrono hace uso de un campo magnético giratorio. A diferencia del motor de inducción, sin embargo, el par desarrollado no depende de la inducción de corrientes en el rotor. En forma breve, el principio de funcionamiento del motor síncrono es como sigue: una fuente multifásica de CA se aplica a los devanados del estator, y un campo magnético giratorio es producido. Una corriente continua se aplica a la bobina del rotor, y se produce otro campo magnético. El motor síncrono está diseñado y fabricado para que estos dos campos reaccionen entre sí de tal manera que el rotor sea arrastrado y gire a la misma velocidad que el campo magnético giratorio producido por el devanado del estator.
Esta condición solo se aproxima en la práctica porque siempre hay una ligera diferencia de fase. Cualquier alternador monofásico o polifásico funcionará como un motor síncrono cuando se le suministre corriente al mismo potencial, frecuencia y forma de onda que produce como alternador, siendo la condición esencial en el caso de un alternador que debe ser acelerado al sincronismo antes de ser puesto en el circuito.
Una comprensión de la operación del motor síncrono puede ser obtenida considerando el motor simple de la figura . Supongamos que los polos A y B rotan en sentido horario por algún medio mecánico con el fin de producir un campo magnético giratorio, éstos inducen polos de polaridad opuesta en el rotor de hierro dulce, y existen fuerzas de atracción entre los polos norte y sur correspondientes, en consecuencia, a medida que los polos A y B rotan, el rotor es arrastrado a la misma velocidad. Sin embargo, si se aplica una carga al eje del rotor, el eje del rotor momentáneamente se atrasará a la rotación del campo, pero, después, seguirá girando con el campo a la misma velocidad, mientras la carga permanezca constante. Si la carga es demasiado grande, el rotor saldrá fuera de sincronismo con el campo giratorio y, como resultado, ya no girará con el campo a la misma velocidad. El motor se dice entonces que está sobrecargado.
Figura. Ilustración de la operación de un motor sincrónico
Tal motor simple como la que se muestra en la figura 1 nunca se utiliza. La idea de utilizar algún medio mecánico para la rotación de los polos es poco práctica debido a que otro motor sería necesario para llevar a cabo este trabajo. Además, tal disposición no es necesaria porque un campo magnético giratorio puede ser producido eléctricamente mediante el uso de voltajes de CA por etapas. A este respecto, el motor síncrono es similar al motor de inducción.
El motor síncrono se compone de un campo de estator bobinado similar al de un motor de inducción. El devanado del estator produce un campo magnético giratorio. El rotor puede ser un imán permanente, como en los pequeños motores monofásicos síncronos utilizados para relojes y otros equipos de precisión de centro comercial, o puede ser un electroimán, energizado desde una fuente de corriente continua de alimentación y alimentado a través de los anillos de deslizamiento en las bobinas de campo del rotor, como en un alternador.
Un motor síncrono puede tener una armadura giratoria o un campo giratorio. La mayoría de los motores síncronos son del tipo de campo giratorio. La armadura estacionaria está unida al marco del estator, mientras que los imanes de campo están unidos a un marco que gira con el eje.
Las bobinas de campo se excitan con corrientes continuas, ya sea de un pequeño generador de CC (generalmente montado en el mismo eje que el motor y llamado excitador) o de alguna otra fuente.
Puesto que un motor síncrono tiene muy poco par de arranque, alguno medio deberá preverse para llevarlo a la velocidad sincrónica. El método más común es la de arrancar el motor en vacío, dejarlo que alcance la velocidad máxima, y a continuación, activar el campo magnético. El campo magnético del rotor se engancha con el campo magnético del estator y el motor funciona a la velocidad síncrona.
En la mayoría de las aplicaciones industriales actuales, la electrónica de estado sólido proporciona la CC necesaria para el funcionamiento de este tipo de motor. La electrónica de estado sólido también proporciona el cambio de frecuencia necesario para controlar la velocidad del motor.
La magnitud de los polos inducidos en el rotor mostrado en la figura es tan pequeña que el par motor necesario no puede ser desarrollado para la mayoría de las cargas prácticas. Para evitar esta limitación en el funcionamiento del motor, una bobina se coloca sobre el rotor y se la energiza con corriente continua. Un reóstato en serie con la fuente de corriente continua proporciona al operador de la máquina con un medio de variación de la fuerza de los polos del rotor, colocando así al motor bajo control para las cargas variables.
Figura 2. Motor sincrónico
El motor síncrono no es un motor de arranque automático. El rotor es pesado y, desde un punto muerto, es imposible llevar el rotor al enganche magnético con el campo magnético giratorio. Por esta razón, todos los motores síncronos tienen algún tipo de dispositivo de arranque. Un tipo de motor de arranque simple es otro motor, ya sea AC o DC, lo que lleva al rotor hasta aproximadamente el 90 por ciento de su velocidad síncrona. El motor de arranque se desconectará y el rotor quedará enganchado arrastrado por sincronismo con el campo giratorio. Otro método de arranque es con un segundo bobinado del tipo de jaula de ardilla sobre el rotor. Este devanado de inducción lleva el rotor casi a la velocidad síncrona, y cuando la DC se desconecta a los devanados del rotor, el rotor sigue el paso con el campo. El último método es el más comúnmente utilizado.
Excitación
La excitación de campo para un motor síncrono se obtiene de un conjunto excitador separado accionado por un motor de inducción, de un excitador conectado directamente o con correa, o de un suministro de voltaje de CC constante, como un bus de estación.
El voltaje de excitación estándar es de 125 o 250 V, pero el devanado del campo del motor está diseñado para un voltaje de excitación de aproximadamente un 10 % por debajo de este, para permitir una caída de voltaje en la línea.
Velocidad
La velocidad de un motor síncrono está determinada por la frecuencia de la corriente de alimentación y el número de polos del motor. Esto significa que la velocidad de operación es constante para una frecuencia y número de polos dados.
La ecuación para la determinación de la velocidad del motor es
rpm = frecuencia x 120 / P
donde P es el número de polos del motor.
Todos los motores están construidos con un número par de polos, por lo que las velocidades disponibles en 60 Hz van desde 3600 rpm para una máquina de dos polos hasta 80 rpm para una máquina de 90 polos. Esto permite que el motor se conecte directamente a su carga, incluso a velocidades más bajas, donde los motores de inducción no se pueden usar de manera ventajosa debido a su
baja eficiencia operativa y factor de potencia.
Se requiere que algunos motores operen a más de una velocidad, pero son máquinas de velocidad constante a una velocidad de operación particular. Por ejemplo, cuando se requiere una relación de velocidad de 2:1, puede ser adecuado un motor síncrono de dos velocidades y de un solo bastidor. Los motores de cuatro velocidades se utilizan cuando se desean dos velocidades que no están en la proporción de 2:1.
El motor de dos velocidades de un solo bastidor suele ser del tipo de construcción de polo saliente, con el número de polos correspondiente a la baja velocidad. La alta velocidad se obtiene reagrupando los polos para obtener dos polos adyacentes de la misma polaridad, seguidos de dos polos de polaridad opuesta. Esto da el efecto de reducir a la mitad el número de polos en el rotor para operación de alta velocidad.
Fig. Motor síncrono con excitador conectado directamente.(Kinetics Industries, Inc)
También se realizan los cambios correspondientes en las conexiones del estator. Esta conmutación generalmente se logra automáticamente por medio de arrancadores magnéticos, mediante un equipo de cambio de polos operado manualmente. La figura siguiente muestra un motor síncrono y un excitador con el reóstato del campo del excitador, el interruptor de campo y los medidores del campo del excitador.
Fig. Motor síncrono y excitatriz con reóstato, interruptor y medidores.
Arranque
Para hacer que un motor síncrono arranque automáticamente, generalmente se coloca un devanado de jaula de ardilla en el rotor. Después de que el motor alcanza una velocidad ligeramente inferior a la síncrona, el rotor se energiza. Cuando se arrancan los motores síncronos, sus campos de CC no se excitan hasta que el rotor prácticamente ha alcanzado la velocidad máxima de síncrono. El par de arranque necesario para que el rotor alcance esta velocidad se produce por inducción.
Además de un devanado de CC en el campo, los motores síncronos generalmente cuentan con un devanado amortiguador o amortiguador. Consiste en barras de latón o cobre cortocircuitadas incrustadas en ranuras en las caras de los polos y unidas en cada extremo por medio de anillos de extremo.
Este devanado, generalmente denominado devanado de jaula de ardilla, permite que el motor obtenga suficiente par de arranque para que el motor arranque bajo carga.
El par de arranque necesario para que el motor alcance la velocidad síncrona se denomina torque de arranque (pull-in torque). El par máximo que desarrollará el motor sin salirse del paso se denomina torque de giro (pull-out torque).
Cuando el devanado del estator en el motor síncrono está siendo excitado por la conexión de la línea de CA, inmediatamente establece un campo magnético giratorio. El flujo giratorio de este campo atraviesa el devanado amortiguador del rotor e induce corrientes secundarias en las barras de este devanado. La reacción entre el flujo de estas corrientes secundarias y el del campo giratorio del estator produce el par necesario para arrancar el rotor y ponerlo en marcha.
Cuando el rotor ha alcanzado una velocidad casi sincrónica (como un motor de inducción debido al devanado amortiguador), los polos del campo de CC se excitan y el fuerte flujo de estos polos hace que alcancen la velocidad escalonada o sincrónica total con los polos. del campo magnético giratorio del estator. Durante el funcionamiento normal, el rotor continúa girando a velocidad síncrona como si los polos de CC estuvieran bloqueados en los polos del campo magnético giratorio del estator. Debido a que un motor síncrono no tiene deslizamiento después de que el rotor alcanza su velocidad máxima, no se inducen corrientes secundarias en las barras de los devanados amortiguados durante la operación normal.
Usos de los motores síncronos
Pueden utilizarse motores síncronos para la corrección del factor de potencia; para transmisiones de velocidad constante y carga constante; y para la regulación de voltaje. Debido a la mayor eficiencia posible con los motores síncronos, se pueden usar ventajosamente en la mayoría de las cargas donde se requiere una velocidad constante. Las aplicaciones típicas son compresores, ventiladores, sopladores, ejes de línea, bombas centrífugas, molinos de caucho y papel, y para accionar generadores de CC.
Controladores de velocidad ajustable de estado sólido
Los controladores de velocidad ajustable de estado sólido están disponibles para producir arranques suaves y ahorro de energía. En la mayoría de los casos, no requieren mantenimiento y son fáciles de operar y facilitan la capacitación de nuevos operadores.
La razón para usar controladores de velocidad ajustable de estado sólido es que proporcionan un control suave y continuo de la velocidad ajustable del motor de rotor bobinado de CA.
Esto significa la eliminación de resistencias, reóstatos líquidos y reactores, así como embragues magnéticos. Todos ellos consumen energía que no es el caso del controlador de estado sólido. El circuito de estado sólido se utiliza para proporcionar la excitación al rotor. Al controlar la corriente del rotor, es posible controlar la velocidad del motor y, por lo tanto, su par.
Figura : controladores de motor
Control de velocidad de frecuencia
El control del motor de CA de estado sólido se logra cambiando la frecuencia de la fuente de alimentación.
La velocidad del motor se ajusta controlando el voltaje de salida y la frecuencia de la unidad. Esto se logra rectificando el voltaje de suministro de CA entrante y cambiándolo a CC. El voltaje de CC es invertido por una sección inversora trifásica a una salida de frecuencia ajustable cuyo voltaje se ajusta proporcionalmente a la frecuencia para proporcionar una excitación constante de voltios por hercio a las terminales del motor hasta 60 Hz. Por encima de 60 Hz, el voltaje puede permanecer constante a los voltios nominales. De esta forma, se obtiene un control de velocidad energéticamente eficiente y con pocas pérdidas en el rango de 2 a 120 Hz.
Este tipo de control de velocidad tiene ventajas sobre las máquinas de CC, ya que los motores de CC son difíciles de mantener y presentan problemas en entornos húmedos, corrosivos o explosivos. Estos controles se encuentran en plantas empacadoras de alimentos, lecherías, plantas químicas, plantas de arena y grava, fábricas de papel y plantas de cemento. Las bombas centrífugas y los sopladores son particularmente adecuados para usar con este tipo de control, ya que se puede lograr una reducción considerable en el consumo de energía variando la velocidad para controlar el flujo de gas o fluidos en lugar de usar dispositivos de estrangulamiento como válvulas, amortiguadores o recirculadores de fluidos.
Es posible obtener las ventajas de la electrónica de estado sólido en los controladores de motores.
Arranque suave
Este método tiene la aplicación más general. El voltaje del motor aumenta gradualmente durante el período de rampa de aceleración. El período de rampa se puede ajustar de 2 a 30 segundos. Luego, el usuario lo configura para obtener el mejor rendimiento inicial en el rango de carga requerido.
Limitación de corriente
Este modo de arranque se utiliza cuando es necesario limitar la corriente máxima de arranque. El límite de corriente se ajusta de acuerdo con la restricción de corriente de arranque. Esto se puede ajustar para 200 a 450% de los amperios a plena carga.
Voltaje completo
Para aplicaciones que requieren un arranque a plena carga, el tiempo de rampa de aceleración se establece en un mínimo de 0,25 segundos. Esto, en efecto, permite que el controlador inicie la carga en toda la línea.
La electrónica de estado sólido se ha utilizado con éxito en la producción de controles de motor. Con el tiempo, probablemente reemplazarán los dispositivos electromecánicos.
Sin embargo, el costo de los dispositivos electrónicos seguirá disminuyendo con mejores circuitos y más competencia. Las máquinas más antiguas se actualizarán con la electrónica más nueva. Algunos paquetes ya están disponibles para adjuntarlos a configuraciones existentes.
Solución de problemas, sobrecargas, temperatura excesiva.
Cada vez que un motor se dispara por sobrecarga, el electricista debe revisar el motor y el circuito para determinar por qué se disparó la sobrecarga. El primer paso generalmente es determinar si el motor está realmente sobrecargado. Algunas causas comunes de las sobrecargas del motor son cojinetes defectuosos en el motor o en la carga que opera el motor. Los devanados en cortocircuito en el motor pueden hacer que el motor consuma una corriente excesiva sin ser lo suficientemente grave como para quemar un fusible o disparar un interruptor automático. La forma más sencilla de determinar si el motor está sobrecargado es encontrar la corriente a plena carga del motor en la placa de identificación y luego verificar la corriente de funcionamiento con un amperímetro. Si se verifica un motor monofásico, es necesario verificar solo una de las líneas de entrada. Si verifica un motor trifásico, cada línea debe verificarse individualmente. El flujo de corriente en cada línea de un motor trifásico debe ser relativamente el mismo.
Figura : Control de consumo de corriente del motor
Una pequeña cantidad de variación no es infrecuente, pero si la corriente es significativamente diferente en cualquiera de las líneas, es una indicación de devanados en cortocircuito interno. Las sobrecargas generalmente se configuran para que se disparen entre el 115 y el 125 por ciento de la corriente de carga total del motor, según el motor.
Si el amperímetro revela que el motor está consumiendo demasiada corriente, se debe determinar la razón antes de que el motor pueda volver a funcionar.
La corriente excesiva no es la única causa de un disparo por sobrecarga. Las sobrecargas térmicas reaccionan al calor. Cualquier fuente de calor puede hacer que se dispare una sobrecarga. Si el motor no consume una cantidad excesiva de corriente, el electricista debe determinar si hay otras fuentes de calor. Las conexiones sueltas son una de las mayores fuentes de calor.
Verifique los cables en busca de aislamiento que se haya sobrecalentado cerca de los tornillos de los terminales. Cualquier conexión suelta en el motor de arranque puede causar un disparo por sobrecarga. Asegúrese de que todas las conexiones estén bien ajustadas. Otra fuente de calor es la temperatura ambiente o del aire circundante. En climas cálidos, la temperatura del aire circundante combinada con el calor causado por la corriente del motor puede ser suficiente para hacer que se dispare la sobrecarga. Puede ser necesario instalar un ventilador que sople en el motor de arranque para ayudar a eliminar el exceso de calor. Los arrancadores manuales que se instalan en una caja de interruptores dentro de una pared son especialmente susceptibles a los problemas de temperatura ambiente. En este caso puede ser necesario instalar algún tipo de tapa ventilada.
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