MOTOR SINCRONO

MOTOR SINCRONOINTRODUCCIONLos motores sncronos son mquinas sncronas que se utilizan para convertir potencia elctrica en potencia mecnica de rotacin. La caracterstica principal de este tipo de motores es que trabajan a velocidad constante que depende solo de la frecuencia de la red y de otros aspectos constructivos de la mquina. A diferencia de los motores asincrnicos, la puesta en marcha requiere de maniobras especiales a no ser que se cuente con un sistema automtico de arranque. Otra particularidad del motor sncrono es que al operar de forma sobreexcitado consume potencia reactiva y mejora el factor de potencia.MOTOR SINCRONOASPECTOS CONSTRUCTIVOSLa mquina sncrona es una mquina reversible ya que se puede utilizar como generador de corriente alterna o como motor sncrono. Est constituido por dos devanados independientes:a) Un devanado inductor, construido en forma de arrollamiento concentrado o distribuido en ranuras, alimentado por corriente continua, que da lugar a los polos de la mquina y que se coloca en el rotor.b) Un devanado inducido distribuido formando un arrollamiento trifsico recorrido por corriente alterna ubicado en el estator que est construido de un material ferro magntico, generalmente de chapas de acero al silicio.MOTOR SINCRONOLa estructura del rotor puede ser en forma de polos salientes o de polos lisos como se ve en la figura 1 si el motor tuviese solo un par de polos,

MOTOR SINCRONOPRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTOSi a un alternador trifsico se le retira la mquina motriz y se alimenta su estator mediante un sistema trifsico de corriente alterna se genera en el estator un campo magntico giratorio, cuya velocidad sabemos que es n = 60 f/p donde f es la frecuencia de la red. Y p es el nmero de pares de polos del rotor. Si en estas circunstancias, con el rotor parado, se alimenta el devanado del mismo con corriente continua se produce un campo magntico rotrico fijo, delante del cual pasa el campo magntico del estator.MOTOR SINCRONICOLos polos del rotor estn sometidos ahora a atracciones y repulsiones en breves periodos de tiempo, por parte de los polos del estator pero el rotor no consigue girar, a lo sumo vibrar. Al llevar el rotor a la velocidad de sincronismo, hacindolo girar mediante un motor auxiliar, al enfrentarse polos de signo opuestos se establece un enganche magntico que les obliga a seguir girando juntos, pudiendo ahora retirar el motor auxiliar. Este enganche magntico se produce ya que el campo giratorio estatrico arrastra por atraccin magntica al rotor en el mismo sentido y velocidad.MOTOR SINCRONICO

MOTOR SINCRONOEn la figura 2 se muestran dos conductores del inducido enfrentando a dos polos consecutivos del rotor para dos instantes de tiempo consecutivos. Se puede concluir que si el rotor est en reposo o gira a otra velocidad diferente a la de sincronismo, el par medio que desarrolla al conectarlo a la red es nulo por lo que el motor no arranca.

MOTOR SINCRONOSi se fija una carga al eje de un motor sncrono, el motor desarrollar suficiente como para mantener el motor y su carga a velocidad sncrona. Al incrementar la carga en el eje, se mantendr la velocidad pero aumentar el ngulo delta. El voltaje interno generado Ev es igual a Kwfi y por tanto slo depende de la corriente de excitacin de la mquina y de la velocidad de sta. Por tanto, al variar la carga , el valor de Ev se debe mantener constante. Como se puede ver en la figura 6, conforme aumenta la carga, Ev se mueve hacia abajo, se incrementa la corriente de carga y tambin cambia el factor de potencia (al aumentar la carga cada vez est ms en retraso).MOTOR SINCRONOSi ahora se mantiene la carga en el eje constante pero aumentamos la corriente de excitacin, vemos que aumenta el vapor de Ev, pero no aumenta la potencia real suministrada por el motor (figura 7). La potencia suministrada por el motor slo vara cuando cambia el par en la carga del eje.MOTOR SINCRONO

MOTOR SINCRONOEn base a los resultados anteriores, se hace un estudio de la relacin entre la corriente de I inducido I y la corriente de campo o de excitacin (Iex). En la figura 7 se observa que al crecer la excitacin (y en consecuencia Ev), la corriente comienza a disminuir. Se hace mnima para cos fi = I, y vuelve a aumentar cuando se hace capacitivo. Esta ley de variacin se puede reproducir para diferentes estados de carga (plena carga, media carga o un cuarto de carga) para obtener las curvas en V del motor sncrono.MOTOR SINCRONO

MOTOR SINCRONOPara bajos valores de excitacin, la mquina es inductiva y consume corriente reactiva Q. Por cos fi = I, la corriente es mnima, por lo que los mnimos en cada estado de carga determinan la curva de cos fi = I. Estos puntos se encuentran desplazados hacia la derecha porque a mayor carga ms reaccin del inducido, por lo que es necesario aumentar la excitacin. Para valores grandes de excitacin la mquina es capacitiva y suministra potencia reactiva al sistema. Es importante destacar que al controlar la corriente de excitacin. Se puede controlar la potencia reactiva suministrada a, o consumida por el sistema de potencia.MOTOR SINCRONOPara muy bajos valores de excitacin llega en un punto en que la fuerza de atraccin magntica no es suficiente para mantener el rotor ligado al campo giratorio, y la mquina se desengancha y se detiene. Estos puntos determinan el lmite de estabilidad.Un motor puede trabajar sub excitado o sobre excitado para un mismo estado de carga (punto 1 o 2 a media carga), pero ante una sobre carga (I2 . I1) en el primer caso se detiene (punto 1): en cambio en el segundo solo pasa a un estado de carga mayor (punto2). Por tanto, el motor sobre excitado, adems de entregar un par mximo ms grande, es ms sensible y presenta mejor cos fi .MOTOR SINCRONOEL MOTOR COMO CONDENSADOR SINCRONOEs muy comn la prctica de conectar un motor sncrono a la lnea y operarlo de forma sobre excitada en vaco para corregir el factor de potencia. Y que la potencia real suministrada a la mquina es cero (excepto por las prdidas), con un factor de potencia unitario la corriente es nula. Al incrementar la corriente excitatriz, la corriente en la lnea (y la potencia reactiva suministrada por el motor) aumenta de manera lineal hasta llegar hasta el punto de saturacin.MOTOR SINCRONO

MOTOR SINCRONOEn la figura 9 se puede observar el diagrama fasorial de un capacitor sncrono. Como no hay transferencia de potencia (el motor est en vaco) cos fi = 0 y la corriente de carga adelantada 90 con respecto a la tensin de la lnea. El motor es una carga con factor de potencia variable. Al hacer que el motor sncrono trabaje en rgimen capacitivo se disminuye el valor de la corriente de lnea y del factor de potencia. Esto que hace que disminuyan las prdidas de transmisin (P = 3RI2) y se mejora notablemente la eficiencia de operacin del sistema.MOTOR SINCRONOMETODOS DE ARRANQUEComo se mencion antes, cuando el motor est detenido y se le conecta a la red, ste vibrar fuertemente y se sobrecalentar. Existen varios mtodos para arrancarlo de forma segura. A continuacin se describirn los tres mtodos ms utilizados y finalmente se mostrar un circuito para el arranque automtico.1. ARRANQUE POR MEDIO DE LA REDUCCION DE LA FRECUENCIA ELECTRICASi los campos magnticos del estator en un motor sncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja,MOTOR SINCRONOno habr ningn problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magntico del estator. Entonces, se puede incrementar la velocidad de los campos magnticos del estator aumentando gradualmente la frecuencia hasta su valor nominal de 50 Hz. Para esto pueden utilizar accionado res de estado slido como ciclo convertidores2. ARRANQUE CON UN MOTOR PRIMARIO EXTERNOPara llevar al motor a su velocidad sncrona se le puede adjuntar un motor de arranque externo. Una vez alcanzada esta velocidad, se conecta la mquina en paralelo a la red y se desconecta el motor primario del eje. El motor de arranque puede tener valores nominales mucho ms pequeos que el motor que arranca ya que slo debe superar la inercia de a maquina sncrona en vaco.MOTOR SINCRONO3. ARRANQUE CON DEVANADOS DE AMORTIGUAMIENTOEste es el mtodo ms popular de arranque. Recibe el nombre de devanado amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las mquinas: acoplamiento a la red, vibraciones bruscas de carga elctrica o mecnica, etc. Los devanados de amortiguamiento son barras especiales dispuestas en ranuras hechas en la cara del rotor en un motor y en corto circuito en cada extremo con un anillo (figura 10). Esto crea un rotor del tipo jaula de ardilla y el motor arranca como si fuera un motor asincrnico trifsico.MOTOR SINCRONO

MOTOR SINCRONOARRANQUE AUTOMATICOMediante el siguiente circuito se puede arrancar el motor de forma automtica. Primero se cierra el interruptor 1 que alimenta al estator del motor. En el instante de arranque del rotor tiene la frecuencia de la red (alta frecuencia). En el circuito del rotor, que alimenta la resistencia de arranque, para que sta absorba la tensin 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 rel polarizado, que mantiene abierto los contactos del mismo.MOTOR SINCRONOLa mquina arranca como motor asncrono 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 sta no puede mantener el yugo del rel, ya cercana a la velocidad de sincronismo, y cierra los contactos de l. Al cerrase este contacto se alimenta la bobina del contacto, quien cierra los interruptores 2 y abre el 3 quedando de esta manera alimentado el motor por corriente continua y funcionando en sincronismoMOTOR SINCRONO

PORQUE UTILIZAR MOTORES SINCRONICOSLa aplicacin de los motores sincrnicos en la industria, la mayora de las veces, resulta n en ventajas econmicas y operacionales considerables, debido a sus caractersticas de funcionamiento. Las principales ventajas son:CORRECCION DEL FACTOR DE POTENCIALos motores sincrnicos pueden ayudar a reducir los costos de energa elctrica y mejorar el rendimiento del sistema de energa, consrrigiendo el factor de potencia en la red elctrica donde estn instalados. En pocos aos, el ahorro de energa elctrica puede igualarse al valor invertido en el motor.PORQUE UTILIZAR MOTORES SINCRONICOS?VELOCIDAD CONSTANTELos motores sincrnicos mantienen la velocidad constante tanto en las situaciones de sobrecarga como durante momentos de oscilaciones de tensin, respetndose los lmites del conjugado mximo (pull out).ALTO RENDIMIENTOEn la conversin de energa elctrica en mecnica es ms eficiente, generando mayor ahorro de energa. Los motores sincrnicos son proyectados para operar con alto rendimiento en un amplio rango de velocidad y para proveer un mejor aprovechamiento de energa para una gran variedad de cargas.MOTORES SINCRONICOS

28PORQUE UTILIZAR MOTORES SINCRONICOS?ALTA CAPACIDAD DE TOQUELos motores sincrnicos son proyectados con altos torques en rgimen, manteniendo la velocidad constante, incluso en aplicaciones con grandes variaciones de cargaMAYOR ESTABILIDAD EN LA UTILIZACION CON COVERTIDORES DE FRECUENCIAPuede actuar en un amplio rango de velocidad, manteniendo la estabilidad independiente de la variacin de carga (e): laminadoras, extrusoras de plstico, etc.).

APLICACIONESLos motores sincrnicos son fabricados especficamente para atender las necesidades de cada aplicacin. Debido a sus caractersticas constructivas, operacin con alto rendimiento y adaptabilidad a todo tipo de ambiente, son utilizados en prcticamente todos los sectores de la industria, tales como:- Minera (moledoras, cintas transportadoras y otros). Siderurgia (laminadores, ventiladores, bombas y compresores)- Papel y celulosa (extrusoras, picadoras, desfibradoras, compresores y refinadores)APLICACIONES- SANEAMIENTO (bombas)- Qumica y petroqumica ( compresores, ventiladores, extractores y bombas). Cemento (moledoras, molinos y cintas transportadoras)- Goma (extrusoras, molinos y mezcladoras)MOTORES SINCRONICOS VERTICALESTambin hay motores sincrnicos verticales, que pueden ser suministrados con cojinetes de rodamientos de esferas, de rodillos o de contacto angular lubricados a grasa.MOTORES SINCRONOS

APLICACIONESDependiendo de la aplicacin, especialmente cuando son sometidos a altas cargas de empuje axial, pueden ser fabricados con cojinetes de rodamientos lubricados a aceite o cojinetes de deslizamiento. Los motores sincrnicos con construccin vertical son proyectados y fabricados para atender las aplicaciones en bombas, moledoras, mezcladoras, entre otros.MOTORES SINCRONICOS PARA ATMOSFERAS EXPLOSIVASPara aplicaciones en atmsferas explosivas, los fabricantes como WEG, fabrican motores sincrnicos con caractersticas de seguridad especficas aptos para operar en locales donde productos inflamables son continuamente manipulados,APLICACIONESprocesados o almacenados. Son suministrados con tipos de proteccin Ex-n (no inflamable) y Ex-p (presurizado) atendiendo las exigencias de las normas nacionales e internacionales, siendo revisado por rganos certificadores reconocidos mundialmente.VELOCIDAD FIJALas aplicaciones sincrnicos con velocidad variable se justifican en aplicaciones de alto torque con baja rotacin y un largo rango de ajuste de velocidad.La construccin de los motores para estas aplicaciones puede ser con o sin escobillas,APLICACIONESdependiendo de las caractersticas de la carga y del ambiente. Debido al mayor rendimiento, menor tamao y mayor capacidad de potencia, pueden substituir motores de corriente continua en aplicaciones de alta performance,Los motores sincrnicos pueden ser especificados con corriente de partida reducida, lo que implica un menor disturbio en el sistema elctrico durante el arranque, as como reduccin en las tensiones mecnicas resultantes en los devanados del motor. Para un correcto dimensionamiento, los fabricantes como WEG recomiendan a sus clientes que, para especificar un motor sincrnico, suministre todas las informaciones necesarias sobre la aplicacin.CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASCARCASASu funcin principal es la de apoyar y proteger el motor, alojando tambin chapas y devanado del estator,Pueden ser construidas en los tipos horizontal y vertical y con grado de proteccin de acuerdo con las necesidades del ambiente. La carcasa esta constituida en chapas y perfiles de acero soldado, formando un conjunto slido y robusto que es la base estructura de la mquina. Todo el conjunto de la carcasa recibe un tratamiento de normalizacin para alivio de tensiones provocadas por las soldaduras.CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS

CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASEste tipo de construccin proporciona excelente rigidez estructural de manera de soportar esfuerzos mecnicos provenientes de eventuales cortocircuitos y vibracin, capacitando al motor para atender las ms severas necesidades.ESTATORConstituido por un paquete laminado de chapas de acero silicio de alta calidad, con ranuras para alojar el devanado del estator, que opera con alimentacin de potencia en corriente alterna para generar el campo magntico giratorio.CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS

CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASROTOREl rotor puede ser construido con polos lisos o salientes dependiendo de las caractersticas constructivas del motor y de su aplicacin. El rotor completo esta formado por la estructura que compone o soporta los polos, los devanados de campo y la jaula de arranque, que son las partes activas giratorias del motor sncrono.Los polos del campo son magnetizados a travs de la corriente CC de la excitatriz o directamente por anillos recolectores y escobillas. En funcionamiento, los polos se alinean magnticamente por el entrehierro y giranCARACTERISTICAS CONSTRUCTIVAS

CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASen sincronismo con el camp o giratorio del estator. Los ejes son fabricados en acero forjado y mecanizados segn las especificaciones. La punta de eje normalmente es cilndrica o bridada.COJINETESEn funcin de la aplicacin, los motores sincrnicos pueden ser suministrados con cojinetes de rodamiento o cojinetes de deslizamiento.COJINETES DE RODAMIENTOEstos cojinetes estn normalmente constituidos por rodamientos de esferas o de rodillos cilndricos,CARACTERISTICAS CONSTRUCTIVASdependiendo de la rotacin y de los esfuerzos axiales y radiales a los que son sometidos, en algunas aplicaciones pueden ser utilizados rodamientos especiales. Los cojinetes de rodamiento pueden ser lubricados con aceite o grasa.COJINETES DE DESLIZAMIENTOLos cojinetes de deslizamiento pueden tener lubricacin natural (auto-lubricables) o lubricacin forzada (lubricacin externa).TIPOS DE EXCITACIONLos motores sincrnicos necesitan de una fuente de corriente continua para alimentar el devanado de campo (devanado del rotor), que usualmente es abastecido a travs de una excitatriz giratoria sin escobillas (brushless) o a travs de anillos recolectores y escobillas (excitatriz esttica)EXCITATRIZ BRUSHLESS SIN ESCOBILLASLos motores sincrnicos con sistema de excitacin brushless poseen una excitatriz giratoria, normalmente localizada en un compartimiento ubicado en la parte trasera del motor. Dependiendo de la operacin del motor, la excitatriz es construida con:TIPOS DE EXCITACION- Excitatriz con alimentacin de corriente continua en el estator o- Excitatriz con alimentacin de corriente alterna en el estator. El rotor de la excitatriz alimenta el devanado de la excitacin del motor a travs de un puente rectificador trifsico giratorio.EXCITATRIZ ESTATICA (CON ESCOBILLAS)Motores sincrnicos con excitatriz del tipo esttica estn construidos por anillos recolectores y escobillas que posibilitan la alimentacin de corriente de los polos del rotor a travs de contacto deslizante,

TIPOS DE EXCITACION

TIPOS DE EXCITACIONLa corriente continua para alimentacin de los polos debe ser proveniente de un convertidos y controlador esttico CA/CC. Los motores sincrnicos con excitatriz esttica son ms utilizados en aplicaciones con variacin de velocidad a travs de convertidores de frecuencia,

TIPOS DE EXCITACION

PROCESOS DE FABRICACINBOBINADOEl proceso de bobinado adoptado por algunos fabricantes especialmente por WEG es especialmente proyectado y especificado para la tensin y aplicacin a la que el motor se destina, Las bobinas de los motores de alta tensin son fabricadas con alambre de cobre rectangular preformadas y completamente aisladas con cinta porosa de mica. Tambin son utilizadas en el proceso de bobinado, cintas conductoras y semiconductoras, que envuelven las bobinas, garantizando las caractersticas adecuadas al nivel de aislamiento necesario.PROCESOS DE FABRICACIONSISTEMA DE AISLAMIENTOEl sistema de aislamiento WE MICATHERM esta basado en el proceso vacuum pressure impregnation (VP), desarrollado en conjunto con los ms renombrados proveedores de materiales aislantes del mundo.Utilizando resinas epoxi especiales, este sistema garantiza el perfecto aislamiento del bobinado de los motores, en un proceso totalmente exento de emisin de gases nocivos para la atmsfera.El proceso VPI por muchos aos a mostrado su eficiencia y confiabilidad en mquinas elctricas giratorias en las ms variadas aplicaciones.PROCESOS DE FABRICACION

PROCESO DE FABRICACIONEl sistema de aislamiento es aplicado en mquinas de baja y alta tensin que utilizan bobinas preformadas de 380 a 15 000 V.BALANCEOWEG posee equipamiento que permiten realizar un balanceo de hasta 3 600 rpm . Balanceadores computarizados , permiten el balance perfeccionado de los rotores. Como consecuencia, los motores WEG presentan niveles de vibracin muy reducidos. El balanceo estndar es realizado en dos planos, no obstante, WEG puede efectuar el mismo en tres planos, cuando es necesario o cuando es especificado por el cliente.ENSAYOSLos motores sincrnicos son ensayados de acuerdo con las normas NER, IEC , NEMA, IEEE Y API en el moderno laboratorio capacitado para probar motores de media y alta tensin con potencia de hasta 20 000 KVA y tensiones hasta 15 000 V. con monitores totalmente informatizados y control de alta precisin. Los ensayos estn divididos en tres categoras : ensayos de rutina , tipo y especiales.ENSAYOS

ASISTENCIA TECNICA