UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PER

FACULTAD DE INGENIERA ELCTRICA Y ELECTRNICATEMA:MOTORES SNCRONOSCTEDRA:MQUINAS ELCTRICAS IIICATEDRTICO:Ing. DE LA CRUZ MONTES, EfranESTUDIANTES:CABRERA PALACIOS, Luis AlejandroCHAMORRO MEZA, ChristianGALVAN ZEVALLOS, Frank KelerJORGE HILARIO, Juan CarlosMATOS CAPCHA, Erik

HUANCAYO 2015FACULTAD DE ING. ELCTRICA Y ELECTRNICA ELECTRNICAELECTRMQU

FACULTAD DE ING. ELCTRICA Y ELECTRNICA

MQUINAS ELCTRICAS III

DEDICATORIA:A nuestros padres; por su apoyo incondicional que me brindan y por estar siempre conmigo. A nuestros profesores: Quienes son nuestras guas en el aprendizaje, dando los ltimos conocimientos para el buen desenvolvimiento en la sociedad. Los alumnos

AGRADECIMIENTO

Agradecemos en primer lugar, al ser Supremo, nico dueo de todo saber y verdad, por iluminarnos durante este trabajo y por permitirnos finalizarlo con xito; y en segundo lugar, pero no menos importante, a nuestros queridos padres, por su apoyo incondicional y el esfuerzo diario que realizan por brindarme una buena educacin.

NDICE GENERAL

I. Aspectos constructivos............... 1

II. Principio de Funcionamiento..... 1

III. Diagrama Fasorial..... 2

IV. Circuito Equivalente..... 4

V. Curvas en V..... 5

VI. Mtodos de arranque..... 66.1. Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctrica....... 76.2. Arranque con un motor primario externo.. 76.3. Arranque con devanados de amortiguamiento.. 76.4. Arranque automtico. 7

VII. Problemas sobre motores sncronos....... 9

Conclusiones............... 17Bibliografa..... 18

ndice de figuras

1 Tipos constructivos de mquinas sncronas. ............................ 1

2 Principio de funcionamiento del motor sncrono. ... 2

3 Circuito equivalente de un motor sncrono trifsico.... 4

4 Diagrama fasorial de Blondel.. 4

5 Motor sncrono bajo carga. .. 56 Diagrama vectorial. ... 5

7 Familia de curvas por cada estado de carga.. 68 Devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla). ... 7

9 Circuito de arranque automtico. .... 8

INTRODUCCION

En la presente monografa se describen los motores sncronos, sus aspectos constructivos, principio de funcionamiento y campo de aplicacin. Se analizan los distintos mtodos de arranque y al motor funcionando como compensador sncrono.

Los alumnos.

Motor Sncrono

1. ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

La 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 ferromagntico, generalmente de chapas de acero al silicio.La 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.

Figura 1: tipos constructivos de mquinas sncronas

2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Si 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. Los 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.

Figura 2: principio de funcionamiento del motor sncrono

En 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.

3. DIAGRAMA FASORIAL:

Puesto que los motores sincrnicos son fsicamente iguales a los generadores sincrnicos, los valores nominales de las dos mquinas tambin son iguales. La nica gran diferencia resida en que un valor alto de EA produce un factor de potencia en adelanto, en lugar de uno en atraso, y en consecuencia, el efecto del lmite de mxima corriente de campo se expresa como un valor nominal a un factor de potencia en adelanto. As mismo, puesto que la salida de un motor sincrnico es potencia mecnica, el valor nominal de la potencia de un motor sincrnico esta dado usualmente en caballos de potencia (HP) en lugar de kilowatts (kW).

Figura: Diagramas fasoriales que muestran la generacin y el consumo de potencia real P y de potencia reactiva Q por generadores y motores sincrnicos.

La figura muestra la placa de caractersticas de un motor sincrnico de gran potencia. Adems de la informacin mostrada en la figura, un motor sincrnico pequeo debera tener en su placa de caractersticas un valor de factor de servicio.En general, los motores sincrnicos son ms adaptables a aplicaciones de bajas velocidades y altas potencias que los motores de induccin. Por tanto, son utilizados para cargas de baja velocidad y alta potencia.

4. CIRCUITO EQUIVALENTE

Ya que el motor sncrono es igual fsicamente al generador, las ecuaciones bsicas de velocidad, potencia y par son las mismas. La nica diferencia es que el sentido de flujo de potencia (y por lo tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor.

Consideremos un motor sncrono funcionando en rgimen estacionario con una tensin por fase U. Suponemos que la reactancia de dispersin es constante, que se pueden despreciar las prdidas en el hierro y que el entrehierro es uniforme. En la figura 3 se puede ver el circuito elctrico equivalente (diagrama de Blondel) que representa al motor sncrono conectado a la red en el cual el estator se comporta como el primario de un transformador.

Figura 3 : circuito equivalente de un motor sncrono trifsico

Por la Ley de tensiones de Kirchhoff, se cumple: U = - Ev + R Ig + jLw I

Figura 4 : diagrama fasorial de Blondel (note que la f.e.m. est atrasada con respecto a U, al revs que para el generador)

Una vez que se produce la conexin del motor a la red, ocurre un desplazamiento del eje de los polos del rotor respecto de los polos ficticios del estator (figura 5), que aumenta con la carga del motor, y si este desplazamiento supera un lmite el motor se para.

Figura 5: motor sncrono bajo carga

5. CURVAS EN V:

Se estudia la relacin entre la corriente de carga I y la de excitacin Iex, para carga constante. En el diagrama:

Figura 6: Diagrama vectorial.

Se observa que al crecer la excitacin (cuya consecuencia es Em), la corriente comienza a disminuir, se hace mnima para cos = 1 y vuelve a aumentar cuando se hace capacitivo. Esta ley de variacin es la que reproduce la caracterstica I = f (Iex ), llamada por su forma "curva de V".

Se puede trazar una familia de curvas, una para cada estado de carga,

Figura 7: familia de curvas por cada estado de carga

As en la (Figura 7) se han trazado para plena carga (Pc), media carga ( Pc) y un cuarto de ( Pc).Para bajos valores de excitacin la mquina es inductiva (zona izquierda). Para cos = 1 la corriente es mnima, por consiguiente los mnimos determinan la curva de cos = 1. Estos puntos se encuentran desplazados hacia la derecha porque a mayor carga ms reaccin de inducido, por lo tanto se necesita aumentar la excitacin.

Para valores grandes de excitacin, la mquina es capacitiva (zona de la derecha). Para muy bajos valores de excitacin, para cada estado de carga, llega a un punto que la fuerza de atraccin magntica no es suficiente para mantener al rotor ligado al campo rodante, la mquina se desengancha y se detiene, estos puntos determinan el lmite de estabilidad.

Un motor puede trabajar sub o sobreexcitado, para un mismo estado de carga (punto 1 2 a Pc), pero ante una sobrecarga (I2 - I1), en el primer caso se detiene (punto 1') en cambio en el segundo caso solo pasa a un estado de carga mayor (punto 2').

6. MTODOS DE ARRANQUE

Como se mencion antes, cuando el motor est detenido y se lo 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.

6.1. Arranque por medio de la reduccin de la frecuencia elctricaSi los campos magnticos del estator en un motor sncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no 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 accionadores de estado slido como ciclo convertidores.

6.2. 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 la mquina sncrona en vaco.

6.3. Arranque con devanados de amortiguamientoste 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 cortocircuito 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.

Figura 8: devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla)

6.4. Arranque automtico

Mediante el siguiente circuito se puede arrancar al motor de forma automtica. 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 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. La 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 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.

Figura 9: circuito de arranque automtico.

7. PROBLEMAS SOBRE MOTORES SNCRONOS:

1. Un motor sincrnico trifsico de polos cilndricos, conectado en estrella a 1732 volt entre lnea, ra=0,xs=10 . Las prdidas de potencia por friccin mecnica y del aire ms las del ncleo suman 9 kW. La potencia de salida es de 390 HP. La tensin de excitacin mxima (EFmax)es de 2500 volt por fase. Determinar:

a) La corriente de armadura Ia, el factor de potencia a EFmax.

b) EFmin

2. Un motor sincrnico trifsico de rotor cilndrico conectado en estrella a 2300 (V), a 60 Hz, xs=11 , Potencia de salidad 100 HP, tiene un rendimiento igual a un 85%, su ngulo par es de 7, considere resistencia de armadura despreciable. Determinar:

a) EF.

b) Ia

c) FP

3. Un motor sincrnico de polos cilndricos, trifsico con 1250 HP recibe una potencia constante de 800 kW a 1100 V. Ra=0, xs=50 , conectado en estrella. La corriente nominal de plena carga es de 52 A. Si la corriente de armadura Ia no debe exceder del 135% del valor de plena carga. Determinar el rango dentro del cual puede variarse la fem de excitacin mediante el ajuste de la corriente de campo.

4. Un motor sincrnico trifsico conectado en estrella, a 440 (V), tiene una reactancia sincrnica de 6.06 , resistencia de armadura despreciable, tensin de excitacin de 200 (V/f-n) y un ngulo par de 36.4. Determinar:

a) Corriente de armadura y el factor de potencia

b) La tensin de excitacin si el factor de potencia es igual a 1.0.

5. Un motor sincrnico de rotor cilndrico de 2300 V, conectado en estrella, tiene una reactancia sincrnica de 3 y una resistencia de 0.25 . Si trabaja con un ngulo de potencia (par) =15 y la excitacin (corriente de campo) est ajustada de forma tal que EF sea igual a la tensin nominal aplicada al motor. Calcular:

a) La corriente de armadura Ia.

b) El factor de potencia

c) La potencia desarrollada

d) La cada de tensin interna.

6. Un motor sincrnico de 208 (V), 60 (Hz), 45 (kVA) a un factor de potencia 0.80 en adelanto, conectado en tringulo; xs= 2.5 . Las prdidas por friccin y ventilacin son de 1.5 (kW) y las perdidas en el ncleo son de 1 (kW). Inicialmente su eje est alimentando una carga de 15 HP a factor de potencia 0.80 en adelanto. Determinar:

a) Bosqueje el diagrama fasorial de este motor y encuentre los valores de Ia, Il, y Ef .

b) Suponga que ahora se incrementa la carga en el eje a 30 (HP), repita a)

c) Nuevo factor de potencia

7. Un motor sincrnico de 480 (V), 400 (HP), FP= 0.80 en adelanto, 60 (Hz) 8 polos, conectado en tringulo, xs = 1 . No tenga en cuenta el rozamiento, as como tambin la perdidas en el ncleo. Determine:a) Si el motor est suministrando inicialmente 400 HP a un factor de potencia 0.80 en atraso cules son las magnitudes y los ngulos de la tensin de campo y la corriente de armadura.b) El torque inducido y luego haga una relacin con el torque mximo en porcentaje.c) Si la tensin de campo (EF) aumente en un 5 % la magnitud de la nueva corriente de armadura, luego indique el nuevo factor de potencia.

CONCLUSIONES Los 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.

Este tipo de motor funciona a velocidad sncrona solamente.

El motor sobreexcitado es capacitivo.

El motor sobreexcitado es ms estable y presenta mejor cos .

BIBLIOGRAFA Universidad de Chile Ctedra de Electrotecnia Tema: Motores sncronos. Mquinas Elctricas Jess Fraile Mora. Mquinas Elctricas Stephen Chapman 3ra ed. Buscador Interactivo Google