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13.2: Motores síncronos

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    Motores síncronos monofásicos

    Los motores síncronos monofásicos están disponibles en tamaños pequeños para aplicaciones que requieren una sincronización precisa, como el mantenimiento del tiempo, (relojes) y reproductores de cinta. Aunque los relojes regulados por cuarzo alimentados por batería están ampliamente disponibles, la variedad operada por línea de CA tiene una mejor precisión a largo plazo, durante un período de meses. Esto se debe a que los operadores de centrales eléctricas mantienen a propósito la precisión a largo plazo de la frecuencia del sistema de distribución de CA. Si se atrasa por algunos ciclos, compensarán los ciclos perdidos de CA para que los relojes no pierdan tiempo.

    Motores síncronos grandes frente a pequeños

    Por encima de los 10 caballos de fuerza (10 kW), la mayor eficiencia y el factor de potencia líder hacen que los motores síncronos grandes sean útiles Los motores síncronos grandes son unos pocos por ciento más eficientes que los motores de inducción más comunes. Sin embargo, el motor síncrono es más complejo.

    Dado que los motores y generadores son similares en construcción, debería ser posible utilizar un generador como motor, a la inversa, usar un motor como generador. Un motor síncrono es similar a un alternador con un campo giratorio. La siguiente figura muestra alternadores pequeños con un campo giratorio de imán permanente. Esta figura a continuación podría ser dos alternadores en paralelo y sincronizados impulsados por fuentes de energía mecánicas, o un alternador que acciona un motor síncrono. O bien, podrían ser dos motores, si se conectara una fuente de alimentación externa. El punto es que en cualquier caso los rotores deben correr a la misma frecuencia nominal, y estar en fase entre sí. Es decir, deben estar sincronizados. El procedimiento para sincronizar dos alternadores es (1) abrir el interruptor, (2) accionar ambos alternadores a la misma velocidad de rotación, (3) avanzar o retardar la fase de una unidad hasta que ambas salidas de CA estén en fase, (4) cerrar el interruptor antes de que salgan de fase. Una vez sincronizados, los alternadores se bloquearán entre sí, requiriendo un par considerable para romper una unidad suelta (fuera de sincronización) de la otra.

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    Motor síncrono funcionando en paso con alternador.

    Contabilidad de par con motores síncronos

    Si se aplica más par en la dirección de rotación al rotor de uno de los alternadores giratorios anteriores, el ángulo del rotor avanzará (opuesto a (3)) con respecto al campo magnético en las bobinas del estator mientras aún está sincronizado y el rotor entregará energía a la línea de CA como un alternador. El rotor también se avanzará con respecto al rotor en el otro alternador. Si se aplica una carga como un freno a una de las unidades anteriores, el ángulo del rotor retrasará el campo del estator como en (3), extrayendo energía de la línea de CA, como un motor. Si se aplica un par o arrastre excesivos, el rotor excederá el ángulo de par máximo avanzando o retrasándose tanto que se pierde la sincronización. El par se desarrolla solo cuando se mantiene la sincronización del motor.

    Llevando los motores síncronos a la velocidad

    En el caso de un pequeño motor síncrono en lugar del alternador Figura (arriba a la derecha), no es necesario pasar por el elaborado procedimiento de sincronización para alternadores. Sin embargo, el motor síncrono no es de arranque automático y aún debe elevarse a la velocidad eléctrica aproximada del alternador antes de que se bloquee (sincronice) con la velocidad de rotación del generador. Una vez al día, el motor síncrono mantendrá el sincronismo con la fuente de alimentación de CA y desarrollará el par.

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    La onda sinusoidal acciona el motor síncrono.

    Suponiendo que el motor está a la velocidad sincrónica, ya que la onda sinusoidal cambia a positiva en la Figura anterior (1), la bobina norte inferior empuja el polo norte del rotor, mientras que la bobina sur superior atrae a ese polo norte del rotor. De manera similar, el polo sur del rotor es repelido por la bobina sur superior y atraído hacia la bobina norte inferior. En el momento en que la onda sinusoidal alcanza un pico en (2), el par que mantiene el polo norte del rotor hacia arriba está en un máximo. Este par disminuye a medida que la onda sinusoidal disminuye a 0 V CC en (3) con el par en un mínimo. A medida que la onda sinusoidal cambia a negativa entre (3&4), la bobina sur inferior empuja el polo sur del rotor, mientras atrae al polo norte del rotor del rotor. De manera similar, el polo norte del rotor es repelido por la bobina norte superior y atraído hacia la bobina sur inferior. En (4) la onda senoidal alcanza un pico negativo con el par de retención nuevamente en un máximo. A medida que la onda sinusoidal cambia de negativa a 0 V CC a positiva, El proceso se repite para un nuevo ciclo de onda sinusoidal. Tenga en cuenta que la figura anterior ilustra la posición del rotor para una condición sin carga (α=0 o). En la práctica real, cargar el rotor hará que el rotor se desplace en las posiciones mostradas por el ángulo α. Este ángulo aumenta con la carga hasta que se alcanza el par máximo del motor a α=90 o eléctrico. La sincronización y el par se pierden más allá de este ángulo. La corriente en las bobinas de un motor síncrono monofásico pulsa mientras alterna la polaridad. Si la velocidad del rotor de imán permanente es cercana a la frecuencia de esta alternancia, se sincroniza con esta alternancia. Dado que el campo de la bobina pulsa y no gira, es necesario acelerar el rotor de imán permanente con un motor auxiliar. Se trata de un pequeño motor de inducción similar a los de la siguiente sección.

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    La adición de polos de campo disminuye la velocidad.

    Un alternador de 2 polos (par de polos N-S) generará una onda sinusoidal de 60 Hz cuando se gira a 3600 rpm (revoluciones por minuto). Las 3600 rpm corresponden a 60 revoluciones por segundo. Un motor síncrono de imán permanente de 2 polos similar también girará a 3600 rpm. Se puede construir un motor de menor velocidad agregando más pares de polos. Un motor de 4 polos giraría a 1800 rpm, un motor de 12 polos a 600 rpm. El estilo de construcción mostrado (Figura anterior) es para ilustración. Los motores síncronos de estator multipolar de mayor eficiencia y mayor par en realidad tienen múltiples polos en el rotor.

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    Motor síncrono de 12 polos de un bobinado.

    En lugar de enrollar 12 bobinas para un motor de 12 polos, enrolle una sola bobina con doce piezas de postes de acero interdigitados como se muestra en la Figura anterior. Aunque la polaridad de la bobina alterna debido a la AC aplicada, supongamos que la parte superior está temporalmente al norte, la inferior al sur. Las piezas polares enrutan el flujo sur desde la parte inferior y fuera de la bobina hasta la parte superior. Estos 6-souths están intercalados con lengüetas 6-norte dobladas hacia arriba desde la parte superior de la pieza polar de acero de la bobina. Así, una barra de rotor de imán permanente encontrará pares de 6 polos correspondientes a 6 ciclos de CA en una rotación física del imán de barra. La velocidad de rotación será 1/6 de la velocidad eléctrica de la CA. La velocidad del rotor será 1/6 de la experimentada con un motor síncrono de 2 polos. Ejemplo: 60 Hz giraría un motor de 2 polos a 3600 rpm, o 600 rpm para un motor de 12 polos.

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    Reproducido con permiso de Westclox History en www.ClockHistory.com

    El estator (Figura anterior) muestra un motor de reloj síncrono Westclox de 12 polos. La construcción es similar a la figura anterior con una sola bobina. El estilo de construcción de una bobina es económico para motores de bajo torque. Este motor de 600 rpm impulsa engranajes reductores moviendo manecillas de reloj. Si el motor Westclox funcionara a 600 rpm desde una fuente de alimentación de 50 Hz, ¿cuántos polos se necesitarían? Un motor de 10 polos tendría 5 pares de polos N-S. Rotaría a 50/5 = 10 rotaciones por segundo o 600 rpm (10 s -1 x 60 s/minuto.)

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    Reproducido con permiso de Westclox History en www.ClockHistory.com

    El rotor (Figura anterior) consiste en una barra de imán permanente y una copa de motor de inducción de acero. La barra del motor síncrono que gira dentro de las pestañas del polo mantiene el tiempo exacto La copa del motor de inducción fuera del imán de la barra se ajusta fuera y sobre las pestañas para un arranque automático. En un momento se fabricaron motores sin arranque automático sin la copa del motor de inducción.

    Motores síncronos trifásicos

    Un motor síncrono trifásico como se muestra en la figura siguiente genera un campo eléctricamente giratorio en el estator. Dichos motores no son de arranque automático si se inician a partir de una fuente de alimentación de frecuencia fija como 50 o 60 Hz como se encuentra en un entorno industrial. Además, el rotor no es un imán permanente como se muestra a continuación para los motores de múltiples caballos de fuerza (multikilovatios) utilizados en la industria, sino un electroimán. Los grandes motores síncronos industriales son más eficientes que los motores de inducción. Se utilizan cuando se requiere velocidad constante. Al tener un factor de potencia líder, pueden corregir la línea de CA para un factor de potencia retrasado. Las tres fases de excitación del estator se suman vectorialmente para producir un solo campo magnético resultante que gira f/2n veces por segundo, donde f es la frecuencia de la línea eléctrica, 50 o 60 Hz para motores industriales operados por línea eléctrica. El número de polos es n. Para la velocidad del rotor en rpm, multiplique por 60.

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    El motor síncrono trifásico de 4 polos (por fase) (Figura a continuación) girará a 1800 rpm con una potencia de 60 Hz o 1500 rpm con una potencia de 50 Hz. Si las bobinas se energizan una a la vez en la secuencia φ-1, φ-2, φ-3, el rotor debe apuntar a los polos correspondientes a su vez. Dado que las ondas sinusoidales realmente se superponen, el campo resultante girará, no en pasos, sino suavemente. Por ejemplo, cuando coinciden las ondas senoidales φ-1 y φ-2, el campo estará en un pico apuntando entre estos polos. El rotor de barra magnética que se muestra solo es apropiado para motores pequeños. El rotor con múltiples polos magnéticos (abajo a la derecha) se utiliza en cualquier motor eficiente que conduzca una carga sustancial. Estos serán electroimanes alimentados por anillo colectando en grandes motores industriales. Los grandes motores síncronos industriales son autoarrancados por conductores de jaula de ardilla incrustados en la armadura, que actúan como un motor de inducción. La armadura electromagnética solo se energiza después de que el rotor se acerca a la velocidad sincrónica.

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    Motor síncrono trifásico de 4 polos

    Pequeños motores síncronos multifásicos

    Los pequeños motores síncronos multifásicos (Figura anterior) pueden iniciarse aumentando la frecuencia de accionamiento de cero a la frecuencia de funcionamiento final. Las señales de accionamiento multifásicas son generadas por circuitos electrónicos, y serán ondas cuadradas en todas las aplicaciones menos en las más exigentes. Dichos motores se conocen como motores de CC sin escobillas. Los verdaderos motores sincrónicos son accionados por formas de onda sinusoidal Se puede usar un accionamiento bifásico o trifásico suministrando el número apropiado de devanados en el estator. Solo se muestra la fase trifásica arriba.

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    Motor síncrono electrónico

    El diagrama de bloques (Figura anterior) muestra la electrónica de accionamiento asociada con un motor síncrono de bajo voltaje (12 V CC). Estos motores cuentan con un sensor de posición integrado dentro del motor, que proporciona una señal de bajo nivel con una frecuencia proporcional a la velocidad de rotación del motor. El sensor de posición podría ser tan simple como los sensores de campo magnético de estado sólido, como los dispositivos de efecto Hall, que proporcionan sincronización de conmutación (dirección de la corriente de la armadura) a la electrónica de accionamiento. El sensor de posición podría ser un sensor angular de alta resolución, como un resolvedor, una inductosina (magnética codificador), o un codificador óptico. Si se requiere una velocidad de rotación constante y precisa, (como para una unidad de disco) se puede incluir un tacómetro y un bucle de bloqueo de fase. (Figura a continuación) Esta señal de tacómetro, un tren de pulsos proporcional a la velocidad del motor, se retroalimenta a un bucle de bloqueo de fase, que compara la frecuencia y la fase del tacómetro con una fuente de frecuencia de referencia estable como un oscilador de cristal.

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    El bucle bloqueado de fase controla la velocidad del motor síncrono

    Motor DC sin escobillas

    Un motor impulsado por ondas cuadradas de corriente, como lo proporcionan los sensores simples de efecto Hall, se conoce como motor de CC sin escobillas. Este tipo de motor tiene mayor variación de par de torsión de ondulación a través de una revolución del eje que un motor impulsado por onda sinusoidal. Esto no es un problema para muchas aplicaciones. Sin embargo, estamos interesados principalmente en los motores síncronos en esta sección.

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    Torsión de ondulación del motor y analógico mecánico.

    El par de ondulación o engranaje es causado por la atracción magnética de los polos del rotor hacia las piezas polares del estator. (Figura anterior) Tenga en cuenta que no hay bobinas de estator, ni siquiera un motor. El rotor PM puede girarse a mano pero encontrará atracción por las piezas polares cuando esté cerca de ellas. Esto es análogo a la situación mecánica. ¿El par de ondulación sería un problema para un motor utilizado en un reproductor de cinta? Sí, no queremos que el motor acelere y disminuya alternativamente a medida que mueve la cinta de audio más allá de un cabezal de reproducción de cinta. ¿El par de ondulación sería un problema para un motor de ventilador? No.

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    Los devanados distribuidos en una correa producen un campo más sinusoidal.

    Si un motor es accionado por ondas sinusoidales de corriente síncronas con la contraemf del motor, se clasifica como un motor de CA síncrono, independientemente de si las formas de onda de accionamiento se generan por medios electrónicos. Un motor síncrono generará una fuerza electromotriz sinusoidal si el campo magnético del estator tiene una distribución sinusoidal. Será más sinusoidal si los devanados polares se distribuyen en una cinta (Figura anterior) a través de muchas ranuras en lugar de concentrarse en un polo grande (como se dibuja en la mayoría de nuestras ilustraciones simplificadas). Esta disposición cancela muchos de los armónicos impares del campo del estator. Las ranuras que tienen menos devanados en el borde del devanado de fase pueden compartir el espacio con otras fases. Las correas de enrollamiento pueden adoptar una forma concéntrica alternativa como se muestra en la Figura a continuación.

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    Cintas concéntricas.

    Para un motor bifásico, accionado por una onda sinusoidal, el par es constante a lo largo de una revolución por la identidad trigonométrica:

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    La generación y sincronización de la forma de onda de accionamiento requiere una indicación de posición del rotor más precisa que la proporcionada por los sensores de efecto Hall utilizados en motores de CC sin escobillas. Un resolvedor, o codificador óptico o magnético proporciona una resolución de cientos a miles de partes (pulsos) por revolución. Un resolvedor proporciona señales analógicas de posición angular en forma de señales proporcionales al seno y coseno del ángulo del eje. Los codificadores proporcionan una indicación digital de posición angular en formato serial o paralelo. La unidad de onda sinusoidal en realidad puede ser de un PWM, Modulador de Ancho de Pulso, un método de alta eficiencia para aproximar una onda senoidal con una forma de onda digital. (Figura abajo) Cada fase requiere electrónica de accionamiento para esta forma de onda desplazada en fase por la cantidad apropiada por fase.

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    PWM se aproxima a una onda senoidal.

    Beneficios del motor síncrono

    La eficiencia del motor síncrono es mayor que la de los motores de inducción. El motor síncrono también puede ser más pequeño, especialmente si se utilizan imanes permanentes de alta energía en el rotor. El advenimiento de la electrónica moderna de estado sólido permite accionar estos motores a velocidad variable. Los motores de inducción se utilizan principalmente en la tracción ferroviaria. Sin embargo, un pequeño motor síncrono, que se monta dentro de una rueda motriz, lo hace atractivo para tales aplicaciones. La versión superconductora de alta temperatura de este motor es de un quinto a un tercio del peso de un motor bobinado de cobre. [1] El motor síncrono superconductor experimental más grande es capaz de conducir un buque de clase destructor naval. En todas estas aplicaciones el variador electrónico de velocidad es esencial. El variador de velocidad también debe reducir el voltaje de accionamiento a baja velocidad debido a la disminución de la reactancia inductiva a menor frecuencia. Para desarrollar el par máximo, el rotor necesita retardar la dirección del campo del estator 90 o. Más, pierde la sincronización. Mucho menos da como resultado un par reducido. Por lo tanto, la posición del rotor necesita conocerse con precisión. Y es necesario calcular y controlar la posición del rotor con respecto al campo del estator. Este tipo de control se conoce como control de fase vectorial. Se implementa con un microprocesador rápido que acciona un modulador de ancho de pulso para las fases del estator. El estator de un motor síncrono es el mismo que el del motor de inducción más popular. Como resultado, el control electrónico de velocidad de grado industrial utilizado con los motores de inducción también es aplicable a grandes motores síncronos industriales. Si se desenrollan el rotor y el estator de un motor síncrono rotativo convencional, se obtiene un motor lineal síncrono. Este tipo de motor se aplica al posicionamiento lineal preciso de alta velocidad. [2]


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