Motor SncronoGeneralidadesElmotorsncronoeselnicotipodemotortrifsico de c.a. que opera a velocidad constante desde sin carga hasta plena carga.Separeceen su construccin aungenerador trifsico dec.a.enquetieneuncampogiratorioquedebe excitarse por separado mediante una fuente de c.d.Cambiandolacorrientedeexcitacindelcampo puede variarse el factor de potencia ya sea de adelanto o atraso de este motor.Se emplea mucho en la industria por su alta eciencia y paramejorarelfactordepotenciaenloscircuitos trifsicos.Debidoalaposibilidaddevariacindela excitacindecampo,elmotorsncronodeca poseeunacaractersticaqueningnotromotor tiene: que el factor de potencia al cual funciona se puede variar a voluntad.Algunosnotienenarranquepropio inherente, ya que se debe acelerar hasta su velocidad mediante algnmtodoauxiliaryconectarentoncesala lnea.Paraevitarestoseempleandevanados amortiguadoresenlafabricacindelosrotores, dichodevanadoesunajauladeardillasobrelas caras polares con lo cual ya tiene arranque propio como el motor de induccin.Ventajas contra el motor de induccin1. Losmotoressncronossepueden emplearparalacorreccindelfactorde potencia.2. Sonmsecientes,cuandosetrabajana factordepotenciaunidad,quelos motoresdeinduccindepotenciay voltaje nominales correspondientes.3. Puedensermsbaratosparalamisma potencia, velocidad y voltaje nominales.ConstruccinUnncleolaminadodelestatorcon devanado trifsico de armadura.Campogiratoriocompletocondevanado amortiguador y anillos colectores.Escobillas y porta escobillas.Tapasenlosextremosenformade escudos, en las que se alojan los cojinetes en que se apoya la echa del motor,Principios de funcionamientoCuando se aplica el voltaje trifsico a los devanados del estator se genera un campo magntico giratorio que se mueve a velocidad sincrnica.Elcampomagnticogeneradoporlosdevanados delestator,movindosealavelocidadsncrona, corta el devanado amortiguador o en jaula de ardilla del rotor e induce voltajes y corrientes en las barras de este devanado.Elcampomagnticoresultanteeneldevanadoen jauladeardilla,queestdentrodelospolosdel campo del rotor, reacciona con el campo del estator de manera que hace girar al rotor.Excitacin de corriente continua del campoEn la mayor parte de las instalaciones de motores sncronosseobtienelac.d. paraelcampodeun circuito excitador de c.d. que pueda suministrar la excitacin del campo a varias mquinas de c.a.Algunosmotoressncronostienenungenerador dec.d.acopladodirectamentealaechadel motor.Enotrasinstalacionesseobtienelac.d.de exci taci npormedi oderecti cadores electrnicos.ArranqueLos motores sncronos nunca se arrancan con el circuito de c.d. excitado porque el campo, que gira rpidamente, produce un par alterno en los polos del rotor estacionario.El mtodo ms comn de arrancarlo es conectar el devanado de su campo (del rotor) a un resistor de descarga del campo para evitar los riegos que produce el alto voltaje inducido en dicho devanado en el momento del arranque.Elrotoraumentarsuvelocidadhastaunpunto ligeramenteinferioraldelavelocidadsncronadel campodelestatorysedesconectalaresistenciade descarga de campo.Elcircuitodelcamposeexcitaahora conunafuente dec.d.yenlosncleosdelcampodelrotorse generan polos magnticos de polaridad ja.Los polos magnticos jos del rotor son atrados por los polos contrarios del campo giratorio del estator.Lavelocidaddelrotores, entonces, lamismaquela del campo del estator, que es la velocidad sncrona.Funcionamiento despus del arranqueDuranteelperodotransitorio,cuandoelmotorest alcanzandosuvelocidadcomomotordeinduccin,una corriente de armadura uye en su devanado de estator. Esacorrienteestlimitadaesencialmenteporelvoltajeque seinduceyporlacorrientequepasaenlasbarrasdel devanadoamortiguadorenelrotorporaccindel transformador. Sin embargo, una vez energizado el campo con c.d. y estando elrotoraseguradoensusincronismo,elujoenelrotor induce un voltaje de c.a. en los conductores del estator.Yaqueelmotorsncronoestenparaleloconlabarrade distribucin, la corriente que toma el motor como resultado de laaccindemotoresunacorrientedesincronizacin,yse necesita potencia de sincronizacin para mantener a su rotor en sincronismo con la frecuencia de rotacin del ujo en el estator.La relacin fasorial se resume en la siguiente gura:EgpErVpIaRelacin entre el voltaje generado Egp en un motor sncrono y el voltaje de barras Vp despus de la sincronizacin.ElvoltajegeneradoEgpapareceigualalvoltajedebarras Vp,talcomoseajustaraenelmomentodela sincronizacinconlabarra,peroestdesplazadodela posicinde180unngulocomoresultadodela potencia de sincronizacin que se recibe.A pesar del hecho de queel voltajegenerado Egp es igual alvoltajedebarras,sedebenotarquelacorrientede armaduraenel motorylacorrientedesincronizacinIa es producto del voltaje resultante Er.Ia Vp EgpRa + jXsa

ErZpIa= corriente de armadura por fase, consumida por el motor sncrono de la barra de distribucinVp= El voltaje de fase aplicado a la armadura de estator del motor sncronoEgp= El voltaje que se genera en los conductores de la armadura, por fase.Er= Es la diferencia fasorial entre el voltaje aplicado a la armadura y el voltaje generado por faseZp= Es la impedancia por fase, que consta de Ra y XsaRa= Resistencia efectiva de armadura por fase, del estator del motor.Xsa= Es la reactancia sncrona de armadura por faseLa corriente Ia se obtiene mediante la siguiente ecuacinEn la operacin en vacoel rotor gira a una velocidad sncrona constantecon un retraso jode posicin de fase, , entreelcentrodeunpoloNdelrotoryel centrodelpoloSopuestoenelcamporotatoriodel estator.Se debe hacer notar que el ngulo de retraso de par sincargaentreelcamporotatorioylospolosdel rotorrepresentaunospocosgradoselctricos.En nmero de gradosmecnicos, , es igual o aun menor que y la relacin entre ellos es:en la cual P es el nmero de polos y es el ngulo del par en grados elctricos.= 2oP

El clculo de Er para determinados valores de ngulo , del voltajedeexcitacinydelvoltajeaplicadodefasedeuna dnamosncronadecadadasepuedehacermediantela gura siguiente y la ecuacin:enlacualeselngulodelparytodoslosdems trminos son los denidos en la ecuacinEr = (Vp - Egp cos)+j(Egp sen)EgpVp - Egp cos Egp sen ErVpEgp cos Determinacin del voltaje resultante, generado de armadura, por faseEjemplo 1Unmotorsncronotrifsicoconectadoenestrella,de20 polos,40h.p.,660 V,60Hz,esttrabajandosincargaysu voltajegeneradopor faseesexactamenteigualalvoltajede fasequeseaplicaasuarmadura.Sincarga,elrotorest retrasado0.5mecnicosconrespectoasuposicin sncrona. Lareactanciasncronaesde10, ylaresistencia efectiva de armadura es 1 por fase. Calcular:a. Eldesplazamientodelrotorconrespectoalaposicin sncrona en grados elctricos.b. La FEM Er resultante a travs de la armadura por fase.c. La corriente de armadura Ia por fase.d. La potencia por fase y la potencia total que toma el motor de la barra.e. La prdida de potencia en la armaduray loshp internos que se desarrollan sin carga.solucina)o = P2[\|Jj = 200.52[\|Jj = 5b)Vp

VL3

6603 381VEgp 381VEr (VP Egp cos)j(Egpsen)(381381cos 5 )j(381sen5 )1.45j 33.2 33.287.5V/fasec) Zs Ra jXs 1.0j10 10.0584.3/fase Ia

ErZs

33.287.5V10.0584.33.313.2 A/fasd) Pp = VpIa cos = (381 3.31)cos 3.2 = 1259 W/fasePr = 3Pp = 31259 = 3777 We)32 I2aRa = 32 (3.31)21.0 = 16.42 WPd = 3777 16.42 W746 W/hp= 5hpEfecto del aumento de carga a excitacin normalSuponiendoquelaexcitacindelcamposeanormalyno vare (Egp Vp), cul es el efecto de aplicar una carga al eje delmotorsobrelacorrientedearmadurayelfactorde potencia?Lavelocidaddeunmotorsncrononopuededisminuir debido a la mayor carga; pero el ngulo del par aumenta.A plenacarga, eldesplazamiento mecnico nunca es mayor de 4 a 5.En la siguiente gura se muestran los efectos que provocan los aumentos de carga a un motor sncrono con excitacin normal.Efecto de la carga sobre la posicin del rotorSconductorMovimientoNParSin cargaSconductorMovimientoNParCon cargaEjemplo 2Repetir el ejemplo 1 con un ngulo de desplazamiento mecnico de 5 entre el rotor y su posicin sncrona cero.solucina)o = P2[\|Jj = 2052[\|Jj = 50b)Er (VP Egp cos)j(Egpsen) (381 381cos50 )j(381sen50 ) 136.1 j291.932265V/fasec) Ia = ErZs=32265V10.0584.3 = 3219.3 A / fased) Pp = VpIa cos = (381 32)cos19.3 = 11507 W/fasePr = 3Pp = 311507 = 34520 We) PL = 32I2aRa = 32 (32)21.0 = 1536 WPd = 34520 1536 W746 W/hp= 44.21hpEfecto del aumento de carga en condiciones de subexcitacinNosepuedegeneralizaracercadelefecto delacargasobreunmotorsncrono,a menosquel acargaseestudi een condicionesdesubexcitacin,excitacin normalysobreexcitacin.Elsiguiente diagrama vectorial muestra trescondiciones decarga,cuandodeliberadamentese subexcita, Egp < Vp.321Er1Er2Er3EgpEgpEgp123Ia3Ia2 Ia1VpEfecto del aumento de carga en condiciones de sobreexcitacinCuando est sobreexcitado, Egp es mayor que Vp.Un motor sncrono es capaz de generar un voltaje mayor quesuvoltajedealimentacinyseguirtomando corriente y potencia de la fuente.Esto sucede debido a que la FEM generada y el voltaje de lafuente noestn 180fuera defase y queEr, elvoltaje resultante,siguerepresentandoladiferenciafasorialde los dos voltajes.321Er1Er2Er3EgpEgpEgp123Ia3Ia2Ia1VpResumen del efecto del aumento de carga (sin tomar en cuenta la reaccin de armadura) en condiciones de excitacin constante1. Amedidaqueaumentalacargamecnica, lacorrientede armadura Ia aumenta independientemente de la excitacin.2. Cuandoelmotorsncronoestsobreosubexcitado,su factordepotenciatiendeaalcanzaralaunidadconun aumento de carga.3. Cuando el motor est sobre o subexcitado, el cambio en el factor de potenciaesmayor que elcambioen lacorriente al aplicar la carga.4. Sinembargo, cuando elmotor est excitadonormalmente, elcambioenlacorrienteesmayorqueelcambioenel factordepotenciaamedidaqueaumentalacarga,yel factor de potencia tiende a retrasarse cada vez ms.Efectos de la reaccin de armadura1. Un motorsncrono sobreexcitado tomar una corriente enadelantodelabarradedistribucin, producindose unefectodesmagnetizantecomoresultadodela reaccin de armadura.2. Unmotorsncronosubexcitado tomar delabarrauna corriente en retraso y de magnetizacin.Enlasguras8-14y8-15seresumenlosefectosque tienelareaccindearmaduraenelcasode subexcitacinysobreexcitacincondistintostiposde carga.Ajuste del factor de potencia con carga constanteAcontinuacinsedaelresumendeeste efecto en el siguiente diagrama vectoriala. Efectodeexcitacinnormal(factorde potencia unidad)b. Ef ect odeexci t aci ndi s mi nui dao subexcitacinc. Efectodelaumentodeexci taci no sobreexcitacin.ErEgp11IaVpEr1Er2Egp2Egp112Ia2Ia1VpEr1Er2Egp1Egp212Ia2Ia1VpIaIa000a) Excitacin normal a carga constanteb) Excitacin disminuida a carga constantec) Excitacin aumentada a carga constanteEjemplo 3Unalneadealimentacintrifsicade220 Vabasteceados motores. Uno de los motores es de induccin, trifsico, de rotor devanado, que consume 40 A con un factor de potencia de 81% de retraso. El otro motor es sncrono, que consume 30 A con un factor de potencia de 65% de adelanto. Determinar:1. Loswatts, losvoltampresyvoltampresvars deretraso en el motor de induccin de rotor devanado.2. Loswatts,losvoltampresyvarsdeadelantoenelmotor sncrono.3. La carga total en kw suministrada a los dos motores.4. El factor de potencia del circuito trifsico de alimentacin.5. La corriente en la lnea del circuito de alimentacin trifsicosolucin1)VA = 3ELIL= 1.73 22040 = 15242VAW = 3ELILcos= 1.73 220400.81 = 12346WVAR = 3ELILsen= 1.73 220400.5864 = 8938VARS2)VA = 3ELIL= 1.73 22030 = 11431VAW = 3ELILcos= 1.73 220300.65 = 7430WVAR = 3ELILsen= 1.73 220300.7604 = 8687VARS3)WT 123467430197764)VARS89388687251VARSVAW2VARS2 197762 2512 19777VAf .p. WVA 1977619777 0.99 15)VA = 3ELIL IL =VA3ELIL =197771.73 220= 51.9 A