Motor Sincrónico. Dr. Ing. Mario Guillermo Macri

Transcripción

1 Motor Sincrónico

2 Circuito Equivalente y Diagrama Fasorial (Método de Z d) Ra xad wr Ia UA E0 E 0 U IsRs jis w1ld U Is Rs jxd Posición del eje magnético polar en vacío U Iaxad - Ia xl E0 If - SR Ia IaRa I a xd

3 TIPOS DE MOTORES SÍNCRONOS INDUSTRIALES TIPO HORIZONTAL Hp, 11 KV,1800 rpm 597 Kw, 3.3 KV, 600 rpm Hp, 225 rpm. TIPO VERTICAL Hp, 6.6 KV, 327 rpm, 1500 Hp, 225rpm.

4 Acoplamiento de los campos magnéticos N S S N S N S N S N S N Para que los polos del estator (campo giratorio) se acoplen con los del rotor, deben girar a la misma velocidad síncrona o cercana para poder atraerse

5 Aplicación de motores según la Potencia y Velocidad

6 Tipos mas comunes de de motores sincrónicos Motor sincrónico de Imán Permanente (PMSM motors) Motores de imán permanente sin escobillas o brushless (BLDC motors) Motor de Reluctancia variable (VRM motors) Motor paso a paso (Stepper motors)

7 Motor Sincrónico de Imán permanente (PMSM) Los motores de AC que utilizan imanes para producir el campo magnético en el entrehierro, se denominan Motores de Imán Permanente (PMM o PMAC)

8 Motores de Imán Permanente Brush less (BLDC Motors) El campo estatórico es aplicado en pasos discretos El rotor tiene dos imanes que cubren cada uno aprox.180º del perímetro del rotor y producen una densidad de flujo quasi-rectangular en el entrehierro. El estator tiene un bobinado trifásico, donde los conductores de cada fase están distribuidos uniformemente en porciones de arcos de 60º El sistema de potencia conectara una fuente controlada de corriente a los bobinados del estator, de manera que en cada momento conecta 2 fases del bobinado. Cada imán del rotor interactua con 2 arcos de 60º por los que circule corriente.

9 Cuando los bordes del imán del rotor alcanzan el límite entre las fases del estator, un detector, tal como un sensor de efecto Hall montado en el estator, detectará la inversión del campo magnético del entrehierro y causa una apropiada secuencia de conmutación de los transistores.

10 Motor de Reluctancia variable Los motores de Reluctancia eliminan los imanes permanentes (PMs), las escobillas, y los conmutadores. El estator consiste en unas laminaciones de acero que forman postes salientes. Sin bobinas del rotor, el rotor es básicamente diseñado para formar polos salientes. 1 E 0Us Us xd xq te P sen sen2 w r xd 2 xdxq 2 3 2

11 Motor Paso a Paso (Stepper Motors) Existen básicamente 2 tipos de motores de pasos Motores de reluctancia variable Motores de imán permanente: motores unipolares, motores bipolares, y motores multifases Motor PP de RV Básicamente los de IP están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator. Los motores de pasos pueden ser vistos como motores eléctricos sin conmutadores. Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente o, en el caso de los motores de paso de reluctancia variable, una pieza dentada hecha de una material magnético. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejado por un controlador o driver.

12 Métodos de Arranque del Motor Sincrónico M M A tensión plena Con reactancias. M R M Con autotransformador Con resistencias M Métodos Electrónicos: Devanado partido. Arrancadores suaves (Soft Starters) Variadores de velocidad

13 Etapas de arranque de un Motor Sincrónico La primera etapa se considera desde el momento inicial de conexión, con el rotor en reposo, y el devanado de campo cerrado a través de una resistencia de descarga, en la cual el campo rotante estatórico genera un par asincrónico sobre el damper como si se tratara de un motor de inducción, y lo acelera hasta una velocidad subsincrónica sobre la característica mecánica del damper, en un estado de estacionario dado por la intersección de la características mecánicas del damper y de la carga. La segunda etapa se inicia al excitar el rotor con una corriente continua de magnitud adecuada, generando un par adicional que lo puede llevar o no hasta la velocidad sincrónica de funcionamiento donde el proceso de arranque finaliza. A esta etapa se le denomina de sincronización y es la mas delicada y compleja de todo el proceso de aceleración. Al conectar la excitación es preferible una ligera sobreexcitación a una subexcitación pues sobreexcitando el motor posee una mayor estabilidad y además tomará una corriente capacitiva que compensa las componentes inductivas tomadas por otras cargas de la línea reduciendo la magnitud de la corriente de línea.

14 Par de entrada al sincronismo (Pull-In Torque): Es el par que desarrolla en funcionamiento asincrónico sobre su damper a la velocidad (dada por la intersección de la característica mecánica del damper y del par resistente) a partir de la cual debe ser empujado al sincronismo. Par nominal de entrada al sincronismo (nominal Pull-In Torque): Es el par que desarrolla cuando opera al 95% de la velocidad de sincronismo, este es un dato que da el fabricante y sirve para comparar distintos motores. Par de salida de sincronismo (Pull out torque): El máximo par sostenido que un motor sincrónico puede desarrollar a velocidad de sincronismo por un período de 1 minuto con valores nominales de la tensión la frecuencia y la corriente de excitación. Es mayor que el par crítico (el cual desarrolla sobre el damper en el estado asincrónico de la primera etapa de arranque), determina la máxima magnitud de la carga que el motor puede soportar después de ser sincronizado, y también la máxima caída de tensión en bornes estatóricos que el motor podrá soportar sin salirse de sincronismo. Par nominal (Full-Load Torque): En este caso, es el par desarrollado a velocidad de sincronismo, con valores nominales de la tensión, corriente, frecuencia y corriente de excitación. Par crítico (Breakdown Torque): El máximo par que un motor sincrónico funcionando en un estado asincrónico sobre el damper, puede desarrollar sin que el rotor se desenganche del campo rotante. Podemos observar que esto ocurre en un punto de la característica mecánica donde la velocidad es menor que la de sincronismo y aún menor que la de plena carga. Par de bloqueo (Locked-Rotor Torque): El par desarrollado con el rotor en reposo con valores nominales de la tensión, frecuencia y corriente de excitación.

15 La Fem inducida por acción rotacional del campo estatórico, genera en el rotor una corriente que produce un campo pulsante, cuyo eje magnético espacial es fijo a la rueda polar de acuerdo a la Figura d cos S t 1 jwt cos t e e 2 jwt wsld =(w S - wr) f jws t jws t e e 2 2 w d w sl w r ws wr wr ws i wsli =(ws - wr) wr La ecuación muestra que el campo rotante estatórico está en sincronismo con el campo de secuencia directa del devanado de excitación a cualquier velocidad del rotor de igual manera que en un motor trifásico de inducción. Por ello se tiene un par asincrónico de sentido directo, aún sin la existencia del damper, aunque este es de una magnitud reducida dado que la ecuación da una magnitud del campo de secuencia directa del rotor es la mitad que la del campo rotante estatórico. wi wr wsl wr ws wr 2wr ws wi 2 ws 1 s ws ws 1 2 s wi ws 1 2 s La ecuación indica que en el momento inicial de arranque, y hasta un deslizamiento s = ½ el campo de secuencia inversa gira en el sentido de giro del rotor y del campo rotante estatórico, generando un par motor. En el punto s = ½ el par de secuencias inversa es nulo, y con deslizamientos menores se hace frenante.

16 wi ws 1 2 s Si 2s < 1 wi es decir la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico en el sistema de referencia del estator resulta positiva, esto ocurre cuando s < ½ resultando el sentido de giro el mismo que del rotor y del campo rotante estatórico, por lo que el par electromagnético resulta motor. Si 2s = 1 resulta wi = 0, es decir la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico en el sistema de referencia del estator es nula. Esto ocurre cuando s = ½ el campo de secuencia inversa es estacionario respecto al estator y no puede inducir ninguna Fem y por consiguiente no produce corriente, por lo que el par electromagnético debido al campo inverso es nulo. Si s > ½ entonces wi y la frecuencia del campo de secuencia inversa rotórico en el sistema de referencia del estator resulta negativa y el sentido de giro es opuesto al sentido de giro del rotor y del campo rotórico de secuencia directa por lo que el par electromagnético resulta frenante.

17 La característica mecánica resultante T = f(s) tiene una profunda caída del par en el entorno del punto s = ½. El par de arranque Tb depende del campo rotórico de secuencia directa y una pequeña componente del de secuencia inversa, resultando relativamente débil, pues la magnitud del flujo rotórico de secuencia directa es la mitad del uniaxial original. En el caso que el motor pueda arrancar, si el par resistente es menor que el par de bloqueo, entonces acelerará hasta que el par motor iguale al resistente en un punto de equilibrio donde el motor puede quedar funcionando a una velocidad muy baja, en las proximidades del punto s = ½. Este estado de funcionamiento se denomina arrastre del motor, y no es adecuado para funcionamiento permanente dado el alto deslizamiento y la intensa corriente.

18 i1 R1 Ll1 R'2 L l2 i 2 im1 ei Lm1 Fase A del MS -e1 = -e''2 v 2 CARGA Transformador conectado al mismo sistema de potencia wi ws 1 2 s En las proximidades del punto s = ½ la frecuencia de la Fem inducida por el campo rotórico de secuencia inversa es muy baja y su valor es fi =f1(1-2s). Estas Fem de baja frecuencia generada en las fases estatóricas impulsan corrientes de baja frecuencia que pueden circular por la línea de alimentación hacia otros receptores conectados a la misma (transformadores, motores, etc) cerrando el circuito por sus brazos de excitación que a dicha frecuencia presentan un baja impedancia.

19 Resistencia de descarga A efectos de poder evitar el estado de arrastre del motor, se debe recurrir al empleo de resistencias de descarga, intercaladas en el circuito del devanado de excitación, cuya función es disipar la energía generada en este devanado El valor optimo de la resistencia de arranque, deducido por experiencia debe estar en el orden de 7 veces la resistencia del devanado de excitación rf, para que el efecto uniaxial del rotor sea atenuado eficazmente, evitando así el estado de arrastre, y obteniendo un máximo par de entrada. Influencia de la resistencia de descarga en el par de bloqueo T b y par de entrada Tentrada

20 Función de la jaula amortiguadora (Damper) El damper solo trabaja en el arranque o en procesos transitorios donde existe variación entre la velocidad o del campo magnético rotante Una resistencia del damper R2 elevada, da una corriente inicial aceptable y lleva a un aumento del par de arranque pero a su vez se reduce el par de entrada en sincronismo

21 En la segunda etapa de arranque el motor es acelerado desde su velocidad subsincrónica con deslizamiento sl y con un momento de entrada en sincronismo Tes determinado, hasta la velocidad sincrónica con deslizamiento s = 0 de acuerdo a la situación de la Figura Factores que intervienen en la sincronización El par de entrada TL y deslizamiento de entrada s L El par sincrónico que aparece al excitar el campo, este tiene dos componentes: el de excitación y el de reluctancia en caso de ser de polos salientes Par asincrónico del damper que varía con el deslizamiento El momento de inercia del motor y su carga asociada El ángulo entre E y U, (posición de los polos) al excitar el campo

22 En el momento de excitar el campo del motor, el rotor lleva un cierto resbalamiento correspondiente al par resistente, sobre su característica mecánica, por lo que el ángulo de potencia variará en forma continua enrollándose sobre si mismo, y produciendo así una acción motora y frenante en forma periódica como podemos ver en la figura: La Figura muestra una sincronización exitosa, apreciándose como varía el deslizamiento de un motor sincrónico originalmente sin excitación, actuando en ese caso solo el par de reluctancia que en este ejemplo no es suficiente para alcanzar el sincronismo 1 E 0Us Us xd xq te P sen sen2 wr xd 2 xdxq 2 3 2

23 Después de aplicar la excitación de corriente continua, es necesario considerar dos pares motores diferentes El par motor asíncrono producido por el flujo giratorio y las corrientes en ambos arrollamientos del rotor El par motor sincrónico producido por el flujo giratorio y la corriente continua en el arrollamiento del campo.