Motor sincrónico

Un motor eléctrico síncrono es un motor eléctrico de CA en el que, en estado estable , ^[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 ritmo de 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 utiliza electroimanes de CA multifásicos excitados independientemente tanto para el rotor como para el estator. ^[2]

Los motores síncronos y de inducción son los motores de CA más utilizados. Los motores síncronos giran a una velocidad bloqueada con 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 inducir corriente en el rotor.

Los motores síncronos pequeños 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 potencia fraccionaria, 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 sincrónico proporciona un medio eficiente de convertir energía de CA en trabajo ( una 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 requerida ]}

Los motores síncronos pertenecen a la categoría de máquinas síncronas , que también incluye a los generadores síncronos. La acción del generador se produce si los polos de campo son "impulsados ​​por delante del flujo resultante en el entrehierro por el movimiento hacia delante del motor primario ". La acción del motor se produce si los polos de campo son "arrastrados por detrás del flujo resultante en el entrehierro por el par retardador de una carga del eje ". ^[1]

Los dos tipos principales de motores síncronos se distinguen por cómo se magnetiza el rotor: no excitado y excitado por corriente continua. ^[5]

En los motores no excitados, el rotor está hecho 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 incrustados en el rotor para crear un campo magnético constante. El estator lleva bobinados conectados a una fuente de electricidad de CA para producir un campo magnético giratorio (como en un motor asíncrono ). A velocidad síncrona, los polos del rotor se bloquean en el campo magnético giratorio. Los PMSM son similares a los motores de 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 en 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 generalmente conduce al uso de rotores de tipo radio. ^[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 arrancarlos. ^{[10] [11] [12] [13] [14]} Sin embargo, algunos incorporan una jaula de ardilla en el rotor para el arranque; estos se conocen como arranque de línea o arranque automático. ^[15] Estos se utilizan típicamente 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 generalmente se controlan mediante control de par directo ^[16] y control orientado al campo . ^[17]

Los motores de reluctancia tienen un rotor de acero fundido sólido con polos dentados salientes. Normalmente hay menos polos de rotor que de 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 lo tanto, la reluctancia es mínima cuando los polos se alinean con el campo magnético del estator (rotativo), y aumenta con el ángulo entre ellos. Esto crea un par que tira del rotor para alinearlo con el polo más cercano del campo del estator. A velocidad sincrónica, el rotor está así "bloqueado" con el campo giratorio del estator. Esto no puede arrancar el motor, por lo que los polos del rotor suelen tener bobinados de jaula de ardilla incrustados en ellos, para proporcionar par por debajo de la velocidad sincrónica. La máquina arranca así como un motor de inducción hasta que se acerca a la velocidad sincrónica, cuando el rotor "se acerca" y se bloquea con 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 unos 22 kW . Los motores de reluctancia pequeños tienen un par bajo y se utilizan generalmente 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 utilizan 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 liso y sólido, fabricado en acero al cobalto "duro" magnéticamente 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 dada, requiere un campo magnético alto para invertir la magnetización. El campo del estator giratorio hace que cada pequeño volumen del rotor experimente un campo magnético inverso. Debido a la histéresis, la fase de la magnetización se retrasa con respecto a la fase del campo aplicado. Por lo tanto, el eje del campo magnético inducido en el rotor se retrasa con respecto al eje del campo del estator en un ángulo constante δ, lo que produce 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 a la frecuencia de "deslizamiento" que lo impulsa alrededor de su bucle de histéresis, lo que hace que el campo del rotor se retrase y cree par. 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, este se magnetiza y se alinea con el campo del estator, lo que hace que el rotor se "bloquee" con el campo giratorio del estator.

Una ventaja importante del motor de histéresis es que, dado que el ángulo de retardo δ es independiente de la velocidad, desarrolla un par constante desde el arranque hasta la velocidad sincrónica. Por lo tanto, arranca por sí solo y no necesita un devanado de inducción para arrancarlo, aunque muchos diseños incorporan una estructura de bobinado conductor de jaula de ardilla en el rotor para proporcionar un par adicional en el arranque. ^{[ cita requerida ]}

Los motores de histéresis se fabrican en potencias nominales inferiores a fracciones de caballos, 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 requerida ]}

Estos motores, que suelen fabricarse en tamaños más grandes (superiores a aproximadamente 1 caballo de fuerza o 1 kilovatio), requieren corriente continua (CC) para excitar (magnetizar) el rotor. Esto se suministra de forma más directa a través de anillos colectores .

También se puede utilizar un sistema de inducción y rectificador 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 imanes permanentes 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 dependiendo de la construcción del motor eléctrico y del alcance.

Los métodos de control se pueden dividir en: ^{[21] [22]}

• Control escalar
  • Control V/f
• Control de vectores
  • Control orientado al campo
  • Control directo de par , una variante del VC
  • Linealización de retroalimentación
  • Control basado en la pasividad

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 sincrónica de un motor sincrónico se da: ^[25]
en RPM , por:

${\displaystyle N_{s}=60{\frac {f}{P}}=120{\frac {f}{p}}}$

y en rad·s ⁻¹ , por:

${\displaystyle \omega _{s}=2\pi {\frac {f}{P}}=4\pi {\frac {f}{p}}}$

dónde:

• ${\estilo de visualización f}$es la frecuencia de la corriente de alimentación de CA en Hz ,
• ${\estilo de visualización p}$es el número de polos magnéticos ,
• ${\estilo de visualización P}$es el número de pares de polos (raramente, planos de conmutación ), .${\displaystyle P=p/2}$

Un motor síncrono monofásico de 4 polos (2 pares de 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:

${\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {50{\text{ Hz}}}{2}}=1500\,\,{\text{rpm}}}$

Un motor síncrono trifásico de 12 polos (6 pares de 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:

${\displaystyle N_{s}=60\;{\frac {\text{rpm}}{\text{Hz}}}\times {\frac {60{\text{ Hz}}}{6}}=600\,\,{\text{rpm}}}$

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, 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 cuenta 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 en el rotor es igual al número de polos magnéticos en el estator.${\estilo de visualización p}$

Los componentes principales de los motores eléctricos son el estator y el rotor. ^[26] Los estatores de los motores síncronos y de los motores de inducción son similares en construcción. ^[27] La ​​construcción del motor síncrono es similar a la de un alternador síncrono . ^[28] El marco del estator contiene una placa de envoltura (excepto en las máquinas eléctricas síncronas de rotor bobinado con doble alimentación ). Las nervaduras circunferenciales y las barras de chaveta están unidas a la placa de envoltura. Para soportar el peso de la máquina, se requieren soportes y bases de bastidor. ^[29] El devanado del estator síncrono consta de un devanado trifásico. Está provisto de una fuente de alimentación trifásica y el rotor está provisto de una fuente de alimentación de CC.

Los motores excitados por CC requieren escobillas y anillos colectores para conectarse a la fuente de excitación. ^[30] El devanado de campo puede ser excitado por un excitador sin escobillas. ^[31] Los rotores cilíndricos y redondos (también conocidos como rotores de polos no salientes) se utilizan para hasta seis polos.

En algunas máquinas o cuando se necesita un gran número 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 en el que 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 rotatorio trifásico (y, por lo tanto, un campo magnético rotatorio). El rotor finalmente se acopla al campo magnético rotatorio y gira junto con él. Una vez que el campo del rotor se acopla al campo magnético rotatorio, se dice que el motor está sincronizado. Es posible un estator monofásico (o bifásico derivado de monofásico), pero en este caso la dirección de rotación no está definida y la máquina puede arrancar en cualquier dirección a menos que los dispositivos de arranque lo impidan. ^[34]

Una vez que el motor está en funcionamiento, su velocidad 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 pierde la sincronización, los motores síncronos prácticos tienen un amortiguador de jaula de ardilla parcial o completo, llamado devanado amortisseur, 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 en un funcionamiento prolongado, y debido a que se inducen grandes voltajes de frecuencia de deslizamiento en el devanado de excitación del rotor, los dispositivos de protección del motor síncrono detectan esta condición e interrumpen el suministro de energía (protección fuera de paso). ^[34]

Por encima de un cierto tamaño, los motores síncronos no pueden arrancar por sí solos. 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 medio inherente en estado de reposo, no puede acelerar hasta la velocidad síncrona sin un mecanismo complementario. ^[3]

Los motores de gran tamaño que funcionan con energía comercial incluyen un devanado de inducción de jaula de ardilla que proporciona un par suficiente 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 sincrónica sin carga antes de que se aplique la carga. ^{[35] [36]} Los motores controlados electrónicamente se pueden acelerar desde la velocidad cero cambiando la frecuencia de la corriente del estator. ^[37]

Los motores síncronos pequeños se utilizan comúnmente en relojes mecánicos eléctricos o temporizadores alimentados por la red que utilizan la frecuencia de la red eléctrica para hacer funcionar el mecanismo de engranajes a la velocidad correcta. Estos pequeños motores síncronos pueden arrancar sin asistencia 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 semiciclo 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 de polos sombreados .

Los costos son un parámetro importante para los arrancadores. ^[38] La excitación del rotor es una forma posible de resolver el problema. ^[39] Además, los métodos de arranque para máquinas sincrónicas grandes incluyen la inversión repetitiva de la polaridad 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 de adelanto, retraso y unidad . La excitación en la que el factor de potencia es la unidad se denomina voltaje 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 denomina voltaje de sobreexcitación, el voltaje de excitación menor que la excitación normal se denomina subexcitación. ^[41] Cuando el motor está sobreexcitado, la fuerza contraelectromotriz será mayor que el voltaje terminal del motor. Esto provoca un efecto desmagnetizador debido a la reacción de la armadura. ^[42]

La curva V de una máquina sincrónica muestra la corriente de inducido en función de la corriente de campo. Al aumentar la corriente de campo, la corriente de inducido disminuye primero, luego alcanza un mínimo y luego aumenta. El punto mínimo es también el punto en el que el factor de potencia es uno. ^[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 potencia de cualquier tamaño significativo tienen un factor de potencia neto en retraso, la presencia de motores síncronos sobreexcitados acerca el factor de potencia neto del sistema a la unidad, lo que mejora la eficiencia. Esta corrección del factor de potencia suele ser un efecto secundario de los motores ya presentes en el sistema para proporcionar trabajo mecánico, aunque los motores pueden funcionar sin carga mecánica simplemente para proporcionar la corrección del factor de potencia. En grandes plantas industriales, como fábricas, la interacción entre los motores síncronos y otras cargas en retraso puede ser una consideración explícita en el diseño eléctrico de la planta. ^{[ cita requerida ]}

${\displaystyle \mathbf {T} =\mathbf {T} _{\text{máx}}\sin(\delta )}$

dónde,

${\displaystyle \mathbf {T}}$es el torque

${\estilo de visualización \delta}$¿Es el ángulo de torsión?

${\displaystyle \mathbf {T} _{\text{máx}}}$es el par máximo

aquí,

${\displaystyle \mathbf {T} _{\text{max}}={\frac {{\mathbf {3} }{\mathbf {V} }{\mathbf {E} }}{{\mathbf {X_{ s}} }{\omega _{s}}}}}$

Cuando se aplica una carga, el ángulo de par aumenta. Cuando = 90°, el par será máximo. Si se aplica una carga mayor, el motor perderá su sincronismo, ya que el par del motor será menor que el par de la carga. ^{[44] [45]} El par de carga máximo que se puede aplicar a un motor sin perder su sincronismo se denomina límite de estabilidad en estado estable de un motor síncrono. ^[44]${\estilo de visualización \delta}$${\estilo de visualización \delta}$

Los motores síncronos son especialmente útiles en aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad o la posición:

• La velocidad es independiente de la carga en el rango de funcionamiento del motor.
• La velocidad y la posición se pueden controlar con precisión utilizando controles de bucle abierto (por ejemplo, motores paso a paso ).
• Las aplicaciones de bajo consumo incluyen máquinas de posicionamiento, donde se requiere alta precisión, y actuadores robóticos .
• Mantendrán su posición cuando se aplique una corriente continua tanto al devanado del estator como al del rotor.
• En principio, un reloj accionado por un motor sincrónico es tan preciso como la frecuencia de línea de su fuente de energía. (Aunque se producirán pequeñas variaciones de frecuencia a lo largo de varias horas, los operadores de la red ajustarán activamente la frecuencia de línea en períodos posteriores para compensar, manteniendo así la precisión de los relojes accionados por motor; consulte Frecuencia de la red eléctrica § Estabilidad ).
• Tocadiscos
• Mayor eficiencia en aplicaciones de baja velocidad (por ejemplo, molinos de bolas ).

• Motor de CA § Motor síncrono polifásico
• Motor paso a paso (puede ser sincrónico o no)
• Máquina eléctrica sincrónica sin escobillas de rotor bobinado y doble alimentación

• Unidad de reloj
• Maquina eléctrica de doble alimentación
• Relación de cortocircuito (generador síncrono)

• Jordan, HE (2013). Motores eléctricos energéticamente eficientes y sus aplicaciones. Springer US. ISBN 978-1-4899-1465-1. Consultado el 1 de septiembre de 2023 .
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• Animación motora sincrónica