Abc Del Motor Sincrono

2012 E.M G.Oscarson- J. ImbertsonB.Imbertson-S.Moll

[EL ABC DEL MOTOR SINCRONO] Revisión a la teoría y utilización del motor síncrono

PROLOGO La palabra Síncrono proviene del griego donde el prefijo “SIN” significa “Con” y “Cronos” significa “Tiempo”. El motor síncrono literalmente trabaja “al mismo tiempo con” o “sincronizado con” la fuente de alimentación. El motor síncrono moderno es un motor que realiza dos funciones: es un medio muy efectivo para convertir energía eléctrica de corriente alterna en energía mecánica. Asimismo funciona como un condensador síncrono para corregir el factor de potencia. En el motor síncrono, el campo magnético principal se obtiene por excitación de corriente directa en lugar del air-gap de armadura como en el caso de los motores de inducción. Por ello se utilizan air-gap grandes, haciendo práctico la fabricación de motores síncronos de baja velocidad y baja potencia. Por esta razón, el motor síncrono es más pequeño y más fácil de construir que su equivalente de motor de inducción. Un motor síncrono puede mover cualquier carga que pueda ser movida por un motor de inducción NEMA B. Sin embargo, ciertos tipos de cargas son apropiados para los motores síncronos. La correcta elección de estos motores implica un ahorro. Sus mejores características son; 1.- Alta eficiencia Los motores síncronos tienen un único y meritorio lugar como el más eficiente motor eléctrico en la industria. Realizan una gran economía al convertir la potencia eléctrica en potencia mecánica y pueden construirse en una sola estructura física. Los motores síncronos pueden diseñarse para operar eficientemente a través de un amplio rango de velocidades para proporcionar un mejor movimiento para una amplia variedad de cargas. 2.- Corrección del factor de potencia Los motores síncronos trabajan con factores de potencia en adelanto, esto permite reducir los costos de potencia y mejorar la eficiencia del sistema

de potencia. En pocos años, el ahorro puede igualar al costo original del motor. 3.- Poco mantenimiento Los motores síncronos con excitaciones sin escobillas prácticamente eliminan la necesidad de mantenimiento por inspección y limpieza. 4.- Ahorro de espacio Los motores síncronos pueden conectarse directamente al eje y rodajes de la carga. Este hecho ahorra espacio, costos de edificaciones y hace la instalación más simple. 5.- Velocidad constante La velocidad del motor síncrono no es afectada por la línea o las condiciones de carga. Esto significa una mejor calidad del producto. 6.- Menor costo de los medios de control de velocidad En muchos casos es más económico operar equipos de control a velocidad reducida. Esto puede lograrse con motores síncronos unidos con dispositivos magnéticos o electrónicos, los cuales pueden usarse para alimentar la máquina con una frecuencia ajustable y controlar la velocidad de operación. Los motores síncronos se diseñan y construyen bajo las normas ANSI, IEC, IEEE y NEMA; las cuales ayudan al fabricante y al usuario proporcionando definiciones y sugiriendo valores. Estas normas son continuamente actualizadas e incorporan las últimas tendencias en el uso de las máquinas. Las normas ANSI/NEMA rigen en E.E.U.U. mientras las normas IEC rigen en Europa. Las normas son una gran ayuda para comprender las aplicaciones de los motores síncronos. Consultar NEMA MGI párrafo 21 o ANSI C50 para motores síncronos.

Partes de un motor síncrono 1.- Carcasa – apoya y protege al motor; es construido en tipos horizontal o vertical para servicio interior o exterior. 2.- Estator – consiste en partes magnéticas estacionarias; incluyendo el núcleo y los bobinados, los cuales funcionan con la línea alterna proporcionando un campo magnético rotatorio. 3.- Rotor – consiste en partes activas rotatorias, incluye el eje, el bobinado de campo y el bobinado amortiguador. Los polos de campo son magnetizados por corriente continua desde la excitatriz o directamente a través de los anillos del colector o escobillas. Influyen magnéticamente a través de la abertura y gira síncronamente con los polos magnéticos rotatorios del estator. 4.- Excitatriz- proporciona corriente de magnetización en los bobinados de campo. Las excitatrices modernas no tienen anillos de colector o escobillas. 5.- Bobinas amortiguadoras- realizan un auto-arranque del motor síncrono al igual que un motor de inducción. Dependiendo del tipo de carga y el torque requeridos, pueden usarse una variedad de materiales y arreglos en las barras para proporcionar un torque adecuado.

Motores Síncronos conectados a la línea AC Durante su operación, el estator de un motor síncrono polifásico de CA tiene un campo magnético rotatorio, desarrollado por la dirección y el flujo de corriente en las bobinas del estator. La Fig.1 representa un estator trifásico de dos polos, con una ranura por polo y por fase. El estator tiene 6 bobinas conectadas a una línea trifásica con fases A, B, C.

En el instante 0⁰, la corriente en la fase a está en el máximo positivo e ingresa al motor como A+ (ver Fig.1). Las líneas A en la Fig.1 representan el flujo magnético (líneas de fuerza) desarrolladas por esta corriente. En este instante, la corriente en las fases B y C son negativas e iguales a la mitad del valor de A. Dichas fases

asimismo tienen componentes horizontales que se cancelan mutuamente. El resultado es un estator polarizado verticalmente, con el Polo Norte en la parte superior y el Polo Sur en l parte inferior. Las flechas muestran el flujo circulante en el rotor. En el instante 30⁰ (Fig.2); la corriente positiva en A cae en un valor igual al valor negativo de C. La corriente en B es Cero. El campo producido por A y C cancela los componentes opuestos, tal como lo muestra la Fig. 2a. En el instante 60⁰ (Fig.3); las corrientes Ay B son positivas e iguales. La corriente C es máxima negativa. Después de cancelar los componentes opuestos, encontramos el campo resultante 3a compuesto por la corriente C y las corrientes A y B pequeñas e iguales. Las corrientes 4 y 4a completan los 90⁰ del ciclo. Repitiendo la secuencia completamos una revolución. El rotor mostrado en la figura anterior es de un motor síncrono de dos polos teniendo Polos Norte y Sur definidos desarrollados por la corriente directa que fluye en el bobinado de campo. Como los polos opuestos se atraen, el Polo Norte del rotor se alinea con el Polo Sur del estator. Mientras el polo Norte del estator se desplaza 30⁰ en sentido horario, el rotor es arrastrado con el campo del estator y (asumiendo que no hay carga en el rotor y no hay pérdidas) el rotor y el estator se alinean exactamente. Cada polo del rotor se retrasa detrás de su polo correspondiente por 20⁰ o 30⁰ eléctricos en plena carga. Esto es llamado “ángulo de carga” y es una función de la carga del motor. Un aumento del torque es causado por el aumento del magnetismo y un mayor desplazamiento del centro magnético. Un estator normal de dos polos difiere en muchos aspectos del mostrado en las Figuras 1 al 4. En lugar de una ranura por fase hay 6 o 7. El cambio de bobinas es casi de 120⁰ en lugar de 60⁰ y las bobinas se superponen en varias fases. La configuración muestra resultados en rotación por una serie de impulsos. El uso de bobinas más cercanas resulta en una acción más suave.

El Motor Síncrono como controlador del Factor de Potencia El Factor de potencia es el factor por el cual se multiplica la Potencia Aparente KVA para obtener la Potencia Real KW, en un sistema de corriente alterna. Es la relación del componente de corriente por fase con la corriente total. Resumiendo, es el coseno del ángulo por el cual la corriente se adelanta (o retrasa) respecto al voltaje. La conversión de energía eléctrica en energía mecánica es realizada por campos magnéticos, En las secciones previas, se explica cómo los polos magnéticos son formados cuando la corriente fluye en las bobinas situadas alrededor del estator. También se dijo que los polos rotan alrededor del estator. Cuando se aplica voltaje al motor, fluye una corriente de armadura que produce un flujo magnético (fmm) el cual origina un voltaje que se opone al voltaje aplicado. La fmm es una corriente magnetizante, la cual es una pérdida excepto para el i²R en el bobinado debido a los flujos cambiantes en el núcleo de hierro. La energía magnética es transferida de la línea al motor y de nuevo a la línea en cada semiciclo. La potencia neta es cero y el factor de potencia es cero. El factor de potencia de un motor síncrono es controlable dentro de ciertos límites de diseño y de carga. Puede operarse en unidad, en adelanto o retraso del factor de potencia y utilizarse para modificar el factor de potencia del sistema al cual está conectado. Realicemos una explicación simplificada de la relación fasorial para describir lo que ocurre bajo diferentes condiciones de carga y de excitación. Los fasores son vectores que representan la relación entre voltajes y corrientes. La longitud del fasor representan la magnitud y la proyección en el eje X es el valor instantáneo. Las Figuras 5,6 y 7 muestran el voltaje, la corriente y la potencia instantánea para factor de potencia unidad, en adelanto y en retraso. La magnitud de corriente y voltaje son mantenidos constantes para todos los casos. Observar los diagramas fasoriales de las figuras 5a, 6a y7a.

Fig. 5a (arriba) p.f unidad Fig. 6a (centro) p.f en adelanto Fig. 7ª (abajo) p.f en atraso

Notamos que para factor de potencia en retraso; el fasor de corriente está retrasado respecto al fasor de voltaje y la corriente instantánea pasa por cero después del voltaje. El factor de potencia unidad es siempre positiva mientras para otros valores existen magnitudes de potencia negativa y el

pico es menor a la unidad. Así, el valor promedio de potencia es menor para factor de potencia en retraso y en adelanto para la misma corriente y voltaje. Una vez el motor está sincronizado, los polos de campo en el rotor están alineados con los polos magnéticos rotatorios del estator. Si se aplica C.C al bobinado del polo del rotor, se proporciona el ampere-vuelta necesario para generar el flujo que origina el voltaje interno del motor. Así; la corriente de campo puede reemplazar parcial o totalmente la corriente magnetizante. Si aumentamos la corriente de campo, aumenta el flujo y el voltaje de línea. Esto aumenta la corriente magnética de c.a en todos los “magnetos” del sistema aumentando sus flujos magnéticos, ocasionando un adelanto del factor de potencia. El torque síncrono desarrollado es toscamente proporcional al ángulo de desfase (ángulo de carga) del rotor con respecto al voltaje en los terminales. Los cuales; a plena carga, están comprendidos entre 20 a 30 grados eléctricos. Si aplicamos una fuerza restrictiva al eje del motor, el giro será momentáneamente frenado hasta que el torque desarrollado es igual a la fuerza aplicada. A continuación, el motor seguirá operando a velocidad síncrona.

La Fig. 8 muestra un diagrama fasorial simplificado para un motor funcionando con factor de potencia unidad, con un voltaje fijo en sus terminales. Dado que las máquinas síncronas tienen polos y espacios de interpolos, un sistema de fasores representa el eje “directo” (en línea con el polo) y en “cuadratura” (interpolo).

En el dibujo, la reactancia de caída es restada del voltaje para obtener el voltaje interno y la dirección de los ejes directo y en cuadratura. El voltaje interno determina el nivel de flujo del motor, el cual a su vez establece la fmm requerida (ampere-vueltas o corriente magnetizante). La corriente que circula en las bobinas de armadura produce una fmm llamada reacción de armadura. El fasor en línea con el eje directo; debe ser añadido (o restado para un factor de potencia en retraso) al fmm, produciendo el voltaje interno. Si aumentamos el voltaje CC, el voltaje interno aumenta y como el voltaje de línea es fijo la caída interna disminuye. El resultado se muestra en la Fig.9 donde la línea de corriente es aumentada reposicionándola a un factor de potencia en adelanto. Observar que la corriente en fase con el voltaje representa la carga pero se ha añadido un componente magnético. Este componente fluye a la línea tratando de elevar el voltaje del sistema. El motor tiene un factor de potencia en adelanto. Si en lugar de ello disminuimos el voltaje CC; el voltaje interno tratará de reducir el voltaje del sistema resultando en un componente magnético (corriente magnetizante) ingresando del sistema al motor. En este caso el motor tiene un factor de potencia en retraso. El hecho que los polos de campo de un motor síncrono estén alineados magnéticamente con el flujo del estator permite a la corriente CC en el campo reemplazar la corriente CA magnetizante en el estator. Como el factor de potencia (f.p) es determinado por la corriente magnetizante; el f.p es ajustable variando la corriente de campo.

Curvas “V” Como vimos, los ampere-vuelta y el factor de potencia están interrelacionados siempre que el voltaje de línea sea constante. Esta relación es descrita por una familia de curvas características conocidas como Curvas”V”. Tal como se muestran en la Fig.10. Observar que para cada curva, la potencia es constante y la excitación varía para diferentes corrientes magnetizantes. El valor mínimo de ampere-vuelta para cada condición de carga está en f.p =1 ó f.p unidad.

Si la excitación disminuye, la corriente de línea aumenta y el motor opera con f.p en retraso. Si la excitación aumenta desde f.p unidad, la corriente de línea aumenta y el motor opera en adelanto. Para cualquier carga, el f.p es la relación entre el ampere-línea de la carga con los ampere-línea de la excitación. Para operar con f.p=1 con máxima eficiencia, fijar la excitación para la mínima corriente de línea CA.

Corrección del factor de potencia El factor de potencia y la potencia utilizada en una planta deben ser periódicamente revisados para evitar sorpresas. Un sistema típico de planta de potencia es mostrado en la hoja de lecturas de la Fig.11 Fig.11 Factor de Potencia y Carga de Planta PROMEDIO MENSUAL CARGA MWH F.P.

CALCULADO Hrs. kW (Estimado) 194 400 335 1750 335 700

kWR

TRANSFORMADOR kVA Carga Rating

T1 Oficina 77 0.92 -170 T2 Bombas 587 0.72 -1687 T3 Aire 235 0.82 -489 Acondic. T4 Molinos 1347 0.88 464 2900 -1565 T5 335 -0.81 335 1000 750 Ampliación General 0.906 6750 -3161 Carga de Planta y Factor de Potencia para un motor de inducción

7453 propuesto

PROMEDIO MENSUAL CARGA MWH F.P.

TRANSFORMADOR kVA Carga Rating

CALCULADO Hrs. kW (Estimado) 194 400 335 1750 335 700

kWR

435 2431 854

435 2431 854

T1=1000 T2=2000 T3=1500

3295 1250

4522

T5=4000

T1 Oficina 77 0.92 -170 435 T2 Bombas 587 0.72 -1687 2431 T3 Aire 235 0.82 -489 854 Acondic. T4 Molinos 1347 0.88 464 2900 -1565 3295 T5 335 0.81 335 1000 -724 1235 Ampliación General 0.824 6750 -4635 8188 Carga de Planta y Factor de Potencia para un motor síncrono propuesto

435 2431 854

T1=1000 T2=2000 T3=1500

4522

T5=4000

Allí se muestra un registro mensual para varios centros de carga. Se propone una expansión de planta utilizando un motor de inducción o un motor síncrono. T1, T2 etc. Representan cargas o transformadores. De los MVH y las horas de operación estimadas, se calcula el KW promedio. Luego se calcula el KVA y el KVAR usando el factor de potencia. La tabulación de los resultados es mostrado en la Fig.13. Fact. Pot. kVAR/kW Fact. Pot. kVAR/kW 1.00 0.000 0.80 0.75 0.99 0.143 0.79 0.776 0.98 0.203 0.78 0.802 0.97 0.251 0.77 0.829 0.96 0.292 0.76 0.855 0.95 0.329 0.75 0.882 0.94 0.363 0.74 0.909 0.93 0.395 0.73 0.936 0.92 0.426 0.72 0.964 0.91 0.456 0.71 0.992 0.90 0.484 0.70 1.020 0.89 0.512 0.69 1.049 0.88 0.54 0.68 1.078 .87 0.567 0.67 1.108 0.86 0.593 0.66 1.138 0.85 0.620 0.65 1.169 0.84 0.646 0.64 1.201 0.83 0.672 0.63 1.233 0.82 0.698 0.62 1.266 0.81 0.724 0.61 1.299 Fig.13 Tabla del Factor de Potencia

Fact. Pot 0.60 0.59 0.58 0.57 0.56 0.55 0.54 0.53 0.52 0.51 0.50 0.49 0.48 0.47 0.46 0.45 0.44 0.43 0.42 0.41

kVAR/kW 1.333 1.369 1.405 1.442 1.48 1.518 1.559 1.600 1.643 1.687 1.732 1.779 1.828 1.828 1.930 1.985 2.041 2.100 2.161 2.225

Observar que los términos “adelanto” o “retraso” se refieren a la posición de la corriente respecto al voltaje. La corriente del motor de inducción estará en retraso y el motor absorbe corriente magnetizante del sistema. El factor de potencia en adelanto del motor síncrono proporciona corriente magnetizante al sistema. Como se muestra en la Fig. 12, la corriente en retraso se considera negativa y la corriente en adelanto positiva.

KVAR² = KVA² - Kw² KVAR = KW tang. (Θ)

donde Θ es el ángulo en grados en que la Corriente se desfasa del voltaje.

KW = KWH / H KVA nominal del motor = (0.746xHP)/ (eff. x f.p) Si la expresión propuesta se realiza con un motor de inducción; el f.p total será menor a 0.9. Esto ocasiona una mayor carga al sistema de potencia, a la compañía de suministro eléctrico y un mayor costo. Además el transformador T4 en la Fig.11 está sobrecargado. Si se utiliza un motor síncrono con f.p=0.8, el KW total será el mismo pero el KVAR será menor y el f.p total será mayor a 0.9, además se elimina la sobrecarga en T4.

La Fig.14 muestra la capacidad reactiva de un motor síncrono típico. Estas curvas grafican el porcentaje KVAR v/s el porcentaje de carga. El uso de las curvas determina el KVAR conociendo el porcentaje de carga y el f.p nominal del motor. Ej.- Un motor síncrono de 250 HP y f.p =0.8 operando al 100% de carga tiene un f.p=0.6. El KVAR es: 250 x 0.6 = 150 KVAR suministrado al sistema La excitación es mantenida al valor de plena carga.

TORQUE El torque puede ser definido sea como el esfuerzo de giro desarrollado por un motor o la resistencia a girar ejercido por una carga. Es la fuerza tangencial; en un radio de valor unidad, desde el centro de rotación. En E.E.U.U. es medido en pies-libra o pulgada-libra. Para una condición dada: Torque= (HPx5250)/ rpm

Torque: Fuerza tangencial en libras HP: Potencia desarrollada en HP Rpm: revoluciones por minuto Usualmente el torque se expresa como un porcentaje del torque a plena carga. Estos torques pueden describirse como: 1.- Torque de arranque o ruptura.- Es el torque desarrollado en el instante de arranque a velocidad cero. 2.-Torque de aceleración.- Es el torque desarrollado desde la velocidad en reposo a la velocidad final menos el torque de la carga. 3.- Torque de enganche.-Es el torque desarrollado durante la transición desde la velocidad de deslizamiento hasta la velocidad síncrona y generalmente es definida al 95% de la velocidad. 4.- Torque de arrastre.- Es el torque mínimo desarrollado entre el reposo y el sincronismo. 5.-Torque síncrono.- es el torque de reposo desarrollado durante el funcionamiento. Depende de la carga. 6.- Torque máximo.- Es el máximo torque desarrollado por el motor durante 1 minuto antes de que actúe la sobrecarga.

Torque de arranque y aceleración Las características de estos torques están entrelazados y serán discutidas juntas. De ellos, cinco torques intervienen durante el arranque y la aceleración. Los torques son producidos por. 1.- Las bobinas amortiguadoras 2.-Las bobinas de campo 3.- la Histéresis en los polos

4.- Las corrientes parásitas en los polos 5.- Las variaciones en la reluctancia magnética Además, solamente el torque de arranque y el torque de aceleración son significativos durante dicho proceso.

Las bobinas amortiguadoras Estos bobinados desarrollan gran parte del torque de arranque y aceleración en los motores síncronos. Estos bobinados consisten de una jaula de bobinado parcialmente distribuidos con barras insertadas en los polos y cortocircuitadas con anillos. Variando el número, la localización y la resistencia de estas barras se obtiene un sustancial efecto en el torque y el KVA de entrada. En algunos casos se utiliza doble jaula, consistente en una fila de barras superficiales y otra fila fe barras más profundas. Estas jaulas pueden estar separadas o tener anillos comunes como lo dicta el diseño. Un bobinado amortiguador típico es mostrado en la Fig. 15. Como se discutió anteriormente, la aplicación de energía a los bobinados del estator origina un campo magnético rotatorio. Las líneas magnéticas causadas por dicho campo cruzan las barras de la jaula y generan voltajes y corrientes deslizantes en dichas barras. La interacción entre estas corrientes y el campo magnético rotatorio desarrollan un torque tendiente a girar al rotor en la misma dirección del campo magnético rotatorio. Se recomiendan torques de arranque desde 40% al 200% del torque a plena carga. Ver las recomendaciones NEMA en torques para varias aplicaciones de motor síncrono. Como dijimos, el torque es originado por el flujo producido por el estator. Si deseamos mas torque, requerimos mas flujo y; por lo tanto más hierro. Además los transitorios son más intensos. Para cualquier motor, la resistencia efectiva y la reactancia de la jaula son los principales factores que determinan el torque del motor. Torques

típicos en arranque y aceleración y sus valores KVA asociados se muestran en la Fig. 16.

El motor de doble jaula fue desarrollado para obtener un torque de arranque constante. La jaula superficial tiene una alta resistencia y una baja reactancia, mientras que la jaula profunda tiene baja resistencia y alta reactancia. En reposo, la frecuencia de deslizamiento es igual a la frecuencia de línea y la alta reactancia de la jaula profunda lleva a las corrientes inducidas a circular a través de la jaula superficial; con barras de alta resistencia, resultando en un torque de arranque alto. Mientras el rotor se acerca a la velocidad síncrona; la frecuencia de deslizamiento disminuye y; con ello, la impedancia de la jaula profunda. Esto permite que más corriente fluya en las barras de baja resistencia originando torques altos a velocidades cercanas al sincronismo. La Fig. 17 ilustra los torques resultantes usando este tipo de construcción.

Las aplicaciones ideales para el bobinado de doble jaula es aquella donde la carga es uniformemente alta durante la aceleración. Entre sus desventajas se incluye la saturación, debido al número de barras y el esfuerzo debido a la expansión térmica diferencial en barras que están juntas. Los motores de doble jaula son relativamente poco comunes

Bobinados de campo Los bobinados amortiguadores proporcionan características de arranque y aceleración al motor síncrono. El bobinado de campo produce un torque similar al de un motor bobinado con un circuito secundario monofásico. Las características monofásicas resultan en dos componentes del torque, uno rotando en la misma dirección del rotor y el otro girando en dirección opuesta. El segundo componente es positivo en valores hasta 50% de velocidad y negativa desde aquel punto hasta el enganche. La Fig.18 ilustra los componentes del torque y el torque resultante. Si un motor tiene una jaula relativamente débil, el dip en el torque causado por el componente negativo podría originar que dicho motor no sea capaz de acelerar más allá del 50% de la velocidad síncrona.

Fig.18 Fig.19 Durante el arranque y la aceleración; las bobinas de campo son cortocircuitadas a través de una resistencia de descarga de campo para reducir el voltaje inducido de campo. La relación entre la resistencia de descarga con la resistencia de campo, tiene un efecto significativo en el torque de arranque, el torque de enganche y; en menor grado, en el KVA del arranque. La Fig. 19 muestra el efecto de la variación de la resistencia de descarga en un motor típico. Esta variación afecta el componente de rotación negativa del torque de bobinado de campo, un valor alto de resistencia puede reducirla significativamente. Sin embargo, esto resulta en un alto voltaje inducido a través de los bobinados de campo. En casos extremos, como en el caso de un circuito abierto en el campo; el voltaje inducido puede exceder 100 veces el voltaje de excitación normal. Torque de arrastre (Pull- up Torque) Es el torque mínimo desarrollado desde el reposo hasta el punto de sincronismo. Este torque debe exceder al torque de carga con el margen suficiente para mantener una aceleración satisfactoria desde el reposo hasta el enganche bajo las mínimas condiciones esperadas de voltaje.

Torque Neto de Aceleración Es el margen por el cual el torque del motor excede al torque de carga desde el reposo hasta el punto de sincronismo. En el caso de cargas de alta inercia, es importante que el tiempo de arranque esté determinado apropiadamente para obtener una acción de reposición de relays de sobrecorriente y de protección de bobinados amortiguadores. El tiempo de aceleración desde el reposo hasta el punto de sincronismo es aproximadamente: Tiempo de Aceleración (seg.) =Wk²xΔrpm/ 308T Wk²: Inercia total de la carga y el motor en lbs.-pie² Δrpm: Cambio de velocidad (rpm2 – rpm1) T: Torque Neto de Aceleración desde rpm1 hasta rpm2 t: tiempo de incremento para acelerar desde rpm1 hasta rpm2. Observar que el torque del motor es una función de la velocidad, la inercia de la carga y de la inercia del motor. Esto se ilustra en las curvas velocidad-torque.

En la Fig.20, muestra curvas de un motor típico de 600 HP y 900rpm unido a un ventilador centrífugo como carga. La inercia total Wk² (motor y carga) está dado por 29770 lbs-pie². El torque neto de aceleración a cualquier velocidad se calcula restando el torque de carga del torque de motor en aquella velocidad. Tomando valores con intervalos del 10%. Arrancando al 5% de la velocidad continuando hasta 95% de la velocidad, se obtiene una razonable aproximación del tiempo de aceleración. Ver la Fig.21 para una tabulación de este ejemplo. %RPM %Torque Motor 5 86 15 88 25 91 35 93 45 97 55 99 65 102 75 104 85 104 95 100

%Torque Ventilad. 3 5 6 10 14 19 25 32 40 50

%Torque Neto 81 85 85 83 83 80 77 72 64 50

Torque Lbs-ft 2840 2980 2980 2920 2920 2800 2700 2540 2240 1750

Tiempo Seg. 1.46 2.78 2.78 2.84 2.84 2.96 3.08 3.30 3.80 4.75 30.5

Fig. 21

Durante el período de arranque, el bobinado amortiguador debe absorber energía. Es decir que además de la energía requerida para vencer a la inercia de la carga, debe absorber la energía para acelerar al sistema rotatorio. Como las altas temperaturas afectan al material de las barras, este proceso debe efectuarse en cortos períodos de tiempo. Durante el arranque la temperatura en los bobinados amortiguadores puede llegar hasta 150⁰C. Cuantitativamente, la energía absorbida acelerando una masa rotatoria está dada por: H = 0.231x 10⁻⁶ x WK² x (rpm)² Donde H: Energía en Kw-seg.

WK²: Inercia total Rpm: velocidad en rpm En el caso de nuestro ejemplo, la energía absorbida en el rotor es: H= 0.231x 10⁻⁶x 29770 x (855)² =5020 Kw-seg Algunos tipos de carga; como los molinos de bolas, tienen valores de inercia muy bajos pero su torque de carga puede aproximarse al desarrollado por el motor si el torque de aceleración y la rampa de aceleración son bajos. Los ventiladores grandes pueden tener altos valores de inercia y requerimientos apreciables de torque. En tales casos, es deseable determinar la energía total entrada al rotor, al sobreponerse al torque de carga y acelerar la inercia. Como esto es función del deslizamiento, es posible determinar la energía de entrada. Volviendo nuestro ejemplo; tenemos: Perdidas de deslizamiento= 0,746x TM x S x HP x t (Kw-seg.) TM: % de torque de motor S: % de deslizamiento t: tiempo de torque Observar que la pérdida de deslizamiento es proporcional al deslizamiento promedio y al torque promedio total del motor para cada 10% del intervalo de velocidad (Ver Fig.21). Reemplazando valores, tenemos que la pérdida total en el rotor es 6400 Kw-seg. Como anteriormente se obtuvo que la pérdida debido a la aceleración era 5020 Kw-seg.; la pérdida adicional debido a la carga es. 6400- 5020 = 1380 Kw-seg. Torque de Enganche (Pull-in Torque) El punto de enganche (cuando el motor síncrono cambia de modo inductivo a modo síncrono) es usualmente el instante más crítico en el arranque de un motor síncrono. Los torques desarrollados por los

bobinados de campo y los bobinados amortiguadores se hacen cero a velocidad síncrona. No pueden intervenir en esta etapa, así que el torque de reluctancia y el torque de sincronización toman la posta. Torque de Reluctancia Cualquier objeto magnético tiende a alinearse en un campo magnético. Hay muchas posiciones de un polo saliente dentro del campo magnético rotatorio del estator. Debajo de la velocidad síncrona: un torque pulsante llamado torque de reluctancia está presente. Tiene un valor promedio neto de cero y una frecuencia igual a dos veces la frecuencia de deslizamiento. Este torque puede enganchar un rotor ligeramente cargado y desarrollar aproximadamente el 30% del torque máximo. Torque de Sincronización Cuando se aplica una excitación, se desarrolla una polaridad definida en los polos del rotor. Si el deslizamiento es lo bastante bajo, la atracción entre polos diferentes en el rotor y estator enganchan el rotor con el campo magnético rotatorio del estator. Sin considerar la influencia del torque de reluctancia, el valor del deslizamiento puede expresarse como: S = C x HP / rpm x WK2 S: Deslizamiento en % de la velocidad síncrona. WK2: Inercia Total La relación entre el deslizamiento y la inercia en un motor dado es mostrado en la Fig. 22

Fig.22 Cuando mayor es la inercia, más alta es la velocidad requerida para alcanzar la sincronización. Inercia de carga Dado que la inercia de carga es tan importante para determinar la velocidad a la cual debe acelerar el motor antes de sincronizarse. NEMA ha establecido los valores WK2 para carga normal. Esto puede expresarse como: Carga Normal WK2 = 3.75 x 106 x HP1.15 x rpm-2 La Fig. 23 ilustra la relación entre Potencia, velocidad y carga normal WK2. Nosotros podemos denominar “factor de inercia” a la relación de la carga real WK2 con la carga normal. Esto varía en un amplio rango. Los valores típicos se muestran en la Fig. 24.

Fig.23 NEMA define el torque de enganche como el máximo torque constante bajo el cual el motor engancha la carga inercial en sincronismo con el voltaje y frecuencia nominales, cuando se aplica una excitación. De la Fig.24, notamos que el factor de inercia de la carga conectada puede variar desde 1 a 100. Para nuestro ejemplo de la Fig. 22 el enganche puede ser efectuada al 8% del deslizamiento con la carga normal. Fig.24 Tipo de Carga Factor de Inercia Molino de Bolas 3 Sierra de Banda 100 Ventilador 12-60 Centrífugo Astillador 30-100 Bomba 1 Centrífuga Compresor de 10 Aire Molino de 25 martillo

Sin embargo, con un factor inercia de 100, el motor debe alcanzar el 99.2% de la velocidad síncrona antes de aplicar la excitación. Por lo tanto, tendrá un torque de enganche mayor cuando maneja una carga con un factor inercia bajo. Para investigar la relación entre el torque de enganche de carga y el torque de enganche nominal, asumimos una aplicación de un ventilador centrífugo con un factor de inercia 20 y conectado a un motor de 1000 HP, 1200 rpm. La carga del ventilador a velocidad síncrona es 50% del torque a plena carga. Asumamos que el deslizamiento del motor no excede al 1.8 % cuando está sincronizado. En la Fig.25, el punto A es la velocidad que debe alcanzarse para sincronizar el motor. Asumimos que el torque desarrollado es directamente proporcional al deslizamiento, desde el deslizamiento cero (velocidad de sincronismo) hasta 5% del deslizamiento (95% de velocidad de sincronismo). Si prolongamos la línea OA hasta el punto B; hasta el 95% de la velocidad de sincronismo, entonces el punto B determina el torque requerido para 95% de la velocidad (en este caso 135%). Este último valor es el torque de enganche “nominal”. Si luego conectamos un motor de estas características a una bomba centrífuga con una carga parecida con un factor de inercia 1 y deslizamiento del 4%. En la Fig.25 esto se grafica con el punto C y el torque de enganche 2nominal” en el punto D es de 63%. La diferencia entre ambos torques “nominales” se debe a las cargas inerciales conectadas. La Fig.26 muestra varias cargas típicas. En algunos casos, para obtener una aceleración adecuada es deseable elegir un torque nominal de engancha más alto que el mostrado en la Fig.7 de la Fig.26.

1 2 3 4 5 6 7 Molino de bolas 1000 180 4 4.3 100 115 Ventilador 1000 1200 20 1.8 50 138 Bomba 1000 1200 1 4.0 50 63

Compresor Centrífugo Astillador

1 2 3 4 5 6 7

2500 900

15 1.8 50

138

1500 277

50 1.0 10

50

Tipo de Carga Horsepower RPM Factor de Inercia asumido Porcentaje de deslizamiento con el motor enganchado Torque de carga requerida en el enganche Torque de enganche nominal Fig. 26

Durante el arranque, el bobinado de campo es cortocircuitado a través de la resistencia de descarga de campo. Como se muestra en la Fig.27; la frecuencia de la corriente de descarga de campo es igual a la frecuencia de línea (60 Hz) en reposo, disminuyendo a 3Hz a 95% de la velocidad de sincronismo. La constante de tiempo del bobinado de campo es muy larga y la corriente de excitación es lenta cuando se aplica el voltaje de excitación. Como muestra la Fig.28, si la excitación se aplica en el momento exacto de la corriente de descarga; se alcanza un valor máximo, enganchando al rotor con un mínimo de disturbios a la línea.

Torque Síncrono La Fig.29 representa las condiciones de un motor típico sin carga, rotando en dirección antihoraria, con el polo sur del rotor directamente opuesto al polo Norte del estator. En aquel punto todos los torques son cero. Sin embargo, cualquier desplazamiento desde aquella posición, como el rotor moviéndose a la posición S1, producirá un torque resultante (curva C). Este es el resultado de las curvas A y B.

La Curva A es causada por la reluctancia magnética. Será cero a 90⁰ del desplazamiento y es negativa desde este punto hasta 180⁰.La curva B es originada por la polaridad de los polos. Será máxima a 90⁰ y cero a 180⁰. La curva resultante es el torque síncrono. Alcanza el máximo en 70⁰ aproximadamente de retraso del rotor respecto al campo magnético rotatorio del estator. Es inestable desde este punto hasta los 180⁰. Si la carga aumenta sorpresivamente, el rotor se atrasa y oscila cerca del punto de carga. Puede producirse una ligera variación en la velocidad por un momento. La potencia de sincronización es medida en Kw, a lo largo de la línea d-m. El ángulo de retraso es la distancia angular entre S y S1. En este caso asumimos 32⁰ a plena carga. La potencia de sincronización Pr está dada por: Pr = Kw / d

Donde Pr: Potencia de sincronización en Kw por radián para un desplazamiento . a plena carga. KW: Potencia medida en el eje del motor. d . Desplazamiento en radianes. Pr es importante porque es un factor de la rigidez del acoplamiento magnético entre el rotor y el estator. Afecta al torque máximo y a la frecuencia neutral. Pr es aproximadamente 1.35xHP para motores de factor potencia unidad y 1.8xH.P para factor de potencia 0.8 en adelanto. Torque Máximo (Pull-out Torque) NEMA define el torque máximo de un motor síncrono como el máximo torque obtenible de un motor girando a velocidad síncrona por un minuto, a frecuencia nominal y excitación normal. El torque normal máximo es usualmente 150% de plena carga para motores con f.p. unidad y de 200% hasta 225% para motores con f.p. de 0.8 en adelanto. Este torque puede aumentarse, aumentando la fuerza del campo; lo cual implica aumentar la densidad de flujo y la abertura de rotor-estator. Esto significa aumentar el tamaño del motor. La reactancia de los bobinados del motor determina la magnitud del aumento de la corriente de excitación y el torque máximo. El efecto es mostrado en la Fig. 30 Torque pulsante Dado que el rotor de polos salientes de un motor síncrono tiene polos y espacios interpolares, el circuito magnético varía de punto a punto alrededor del rotor. El torque de aceleración es mayor cuando el flujo del estator pasa a través de los polos del rotor que cuando pasa a través de los interpolos.

Es común mostrar la curva de torque como una curva suave desde cero a 95% de la velocidad, en realidad es un torque promedio. A una velocidad dada; el torque varía del máximo al mínimo a dos veces la frecuencia de deslizamiento. En reposo, el torque pulsa a 120 Hz. Como se muestra en la Fig.31, el torque a 95% de la velocidad tiene una componente pulsante de 2x60x (1-0.95)=6Hz. Al 80% de velocidad tendremos 2x60x (1-0.8)=24Hz. La Fig.32 muestra el torque con pulsaciones al 80% de la velocidad. Se debe considerar el componente pulsante junto con los equipos a mover para evitar frecuencias resonantes. Ejemplo Los motores grandes de 6 polos que manejas compresoras frecuentemente tienen una resonancia entre 60 y 80% de velocidad. Afortunadamente solo se presentan durante el arranque. Métodos de Arranque y Excitación de los motores síncronos Arranque Como vimos anteriormente, el torque de arranque (velocidad cero) en un motor síncrono de polos salientes se encuentra entre 40% al 200% .El torque necesario depende de la inercia total y del torque de carga. Además, el torque de enganche nominal es el torque real que desarrolla el motor a 95% de la velocidad síncrona. La potencia (KVA) de arranque depende tanto del torque de arranque como del torque de enganche nominal. Para un torque dado, la potencia de arranque KVA de un motor síncrono en porcentaje de la potencia a plena carga aumentará con el aumento de la relación del torque nominal respecto al torque de arranque. La Fig.34 muestra algunos valores típicos. % Torque Arranque 80 80 80

% Torque Enganche 60 80 100

% KVA Arranque 355 410 470

Fig. 34 El arranque de un motor síncrono frecuentemente afecta a la capacidad del sistema de generación o distribución al cual está conectado. Deben

tomarse cuidados extremos en el análisis de la capacidad del sistema, los requerimientos del torque y los métodos de arranque. El arranque directo; debido a su simplicidad, debe usarse siempre que sea posible. Muchos sistemas pueden soportar caídas de voltaje de hasta 20%. Las capacidades del sistema usualmente se expresan como capacidad de cortocircuito MVA. Una rápida aproximación de la caída de voltaje durante el arranque puede realizarse convirtiendo el pico de corriente del motor en MVA como sigue: % dip= MMVA x 100/(SCMA+MMVA) Pot. Motor KVA = HP x 0.746 / (Eff. x f.p.) Donde: SCMA: Capacidad de cortocircuito del sistema (MVA) MMVA: Potencia de Arranque del motor (KVA) MMVA= (Pot.Motor KVAx%Pico de Corriente) x 10-5 En algunos casos se necesita una reducción de la potencia de arranque para limitar la caída de voltaje. En la Fig.35 se ilustran varios métodos de arranque a potencia reducida.

En la Fig.36, se muestra la relación, en varios métodos de arranque, del voltaje de motor, potencia de línea y torque de motor. En la Fig.37 se muestra la Potencia de arranque a pleno voltaje para motores de alta y baja velocidad con f.p.=1.

Voltaje Motor KVA de Línea Torque de Motor Tipo de Arranque en % de Volt. en % de KVA en % torque de Voltaje Pleno Voltaje Reducido Reactor

Pleno

Volt. Pleno

Volt. Pleno

100

100

100

78

60

60

60

60

36

Fig. 36 Fig.37 KVA de Arranque a plena carga para motores síncronos con f.p=1 Motores de Alta Velocidad (500 a 1800 rpm) % Torque %KVA de Arranque Arranque Enganche Máximo a plena carga 50 50 150-175 375 50 75 150-175 400 75 75 150-175 400 75 110 150-175 500 110 110 150-175 500 125 110 200-250 550-600 150 110 150-175 550 175 110 200-500 600-650

Motores de Baja Velocidad ( 450 rpm a menores ) Arranque 40 50 75 100 160 100 125 125

% Torque Enganche 40 75 110 50 110 110 110 125

Máximo 150 150 150 150 150 200-250 200-250 200-250

%KVA de Arranque a plena carga 250-325 350-375 500 375-400 575 600-650 600-650 600-650

Es importante que se desarrolle un torque suficiente para arrancar y acelerar la carga apropiadamente. En algunas aplicaciones, se utiliza un arranque parcial utilizando reactores, resistencias, bobinados parciales o autotransformadores.

El motor no necesita arrancar inmediatamente sino que se aplican incrementos paulatinos del torque hasta que el motor arranca y acelera. Este método evita el golpe mecánico en los equipos y; en sistemas regulados, permite la restauración del voltaje normal antes de la aplicación del siguiente escalón de torque y KVA. Este proceso se detiene cuando se aplica excitación a los bobinados de campo del rotor. Los métodos de arranque aplican la excitación en la velocidad y el ángulo de fase apropiado para asegurar una sincronización apropiada. Excitación Todos los motores síncronos necesitan una fuente CC en sus bobinados de campo. Históricamente, esto lo realizaba una excitatriz; un generador CC montado en el eje del motor. De forma que si el motor giraba, la salida CC de la excitatriz estaba disponible. Unas escobillas permitían la circulación de corriente desde la excitatriz a un centro de control estacionario y luego era enviado de vuelta a través de escobillas y anillos al campo del motor. Este sistema trabaja muy bien excepto por las escobillas. Estos elementos necesitan inspección y limpieza periódica y podrían durar hasta un año hasta desgastarse, si las condiciones son optimas. La elección del grado apropiado de las escobillas depende de la densidad de corriente, del material de los anillos, la velocidad de los anillos, la humedad, la presión en las escobillas y muchos otros factores. Puede tomar mucho tiempo encontrar la escobilla correcta. Este detalle junto con el mantenimiento periódico de las escobillas y anillos abrió la necesidad de otro método alternativo. Excitación sin escobillas En 1960, la tecnología de diodos y tiristores de estado sólido habían avanzado al punto que podían manejar corrientes y voltajes significativos. Fue cuando Electric Machinery Manufacturig Company desarrolló la excitatriz sin escobillas. (Ver Fig.38). La excitatriz está montada como vimos anteriormente. El rotor tiene un bobinado trifásico mientras que en el estator se encuentra el bobinado estacionario de campo; el cual está conectado a una fuente CC variable.

La corriente AC generada en el rotor está conectado a un puente de diodos giratorios donde es rectificado antes de ingresar al campo del motor. La magnitud de la corriente de campo es ajustada cambiando la corriente del campo estacionario de la excitatriz. La parte interesante de este diseño fue el montaje del control del rotor. Arrancar un motor síncrono requiere cortocircuitar el campo con una resistencia de descarga y bloquear la corriente CC hasta que el motor esté cerca a la velocidad síncrona. Entonces se conecta la corriente CC y se retira la resistencia de descarga. En las máquinas con escobillas, el módulo de control era voluminoso ahora es un pequeño gabinete sobre el rotor. Veamos el proceso del arranque de un motor síncrono. El estator ha sido bobinado para formar un número de polos magnéticos dependiendo de la velocidad nominal del motor. Al conectar una línea trifásica al motor se origina un campo magnético que gira a velocidad nominal. El rotor aún no se mueve y es recorrido por un campo magnético rotatorio. Esto induce un alto voltaje (cientos de voltios) en el bobinado de campo. Para evitarlo, el campo es cortocircuitado por una resistencia de descarga. Además, esta resistencia está diseñada para proporcionar un torque de enganche adicional. Mientras el rotor acelera, la frecuencia de la corriente de descarga es proporcional a la diferencia de velocidad entre el flujo del estator y el bobinado de rotor (deslizamiento). A velocidad síncrona no hay deslizamiento, por ello no se induce voltaje y la jaula no produce el torque. Mientras hay algo de torque de carga, la velocidad del rotor no alcanza la velocidad síncrona pero alcanza un equilibrio donde el torque de jaula se iguala con el torque de carga. En este punto, se conecta CC. al campo originando polos Norte y Sur fuertemente magnéticos. Estos son atraídos por los polos magnéticos opuestos del estator. Si la atracción es fuertemente grande, el rotor se engancha a la velocidad síncrona, es decir, el rotor está enganchado al campo magnético rotatorio del estator. Sistemas de aplicación de campo Las funciones de este sistema son:

1.- Proporcionar un paso de descarga de la corriente inducida en el campo durante el arranque y abrir este circuito cuando se aplica la excitación. 2.- Aplicar apropiadamente la excitación de campo cuando el motor alcanza una velocidad adecuada. Esta excitación debe ingresar con tal polaridad que se obtenga el máximo torque en el momento de sincronizar. 2.- Retirar la excitación y reconectar la resistencia de descarga inmediatamente si el motor comienza a detenerse.

El circuito para realizar esto se muestra en la Fig.39. La resistencia de descarga de campo protege al bobinado de campo del alto voltaje inducido en el arranque y proporciona la fuente de voltaje del circuito de control. La salida CA de la excitatriz es convertida en CC por los diodos rotatorios. Luego se conecta al bobinado de campo por el SCR1. Circuito de Control El circuito de control excita a SCR1 cuando la corriente inducida de campo es muy baja indicando que se aproxima a la velocidad síncrona. Al mismo tiempo, se retira la resistencia de descarga del circuito. Esto se realiza por las características operativas inherentes de SCR2. El circuito de control tiene un sensor de frecuencia, el cual asegura que la excitación de campo se realice en el momento apropiado para una sincronización exitosa y con la polaridad adecuada para dar el máximo torque de enganche con la mínima alteración de la línea.

El circuito de control retira la excitación cuando el motor se frena debido a una caída de voltaje o una sobrecarga mecánica. En el primer medio ciclo después del frenado, el voltaje inducido del campo origina que la corriente de campo pase por cero. El SCR1 se abre retirando la excitación y el SCR2 conecta la resistencia de descarga al circuito .Durante este tiempo, el motor opera como un motor de inducción. Cuando las condiciones lo permiten, el campo es repuesto como durante en el arranque. Si el rotor no está sincronizado en el momento que ingresa la excitación, se deslizará un polo adicional, el voltaje inducido de campo se opondrá al voltaje de excitación causando que la corriente caiga a cero, abriendo SCR1. El tiristor SCR2 está cerrado solamente con un voltaje mayor al voltaje de excitación así que no estará cerrado cuando SCR1 está cerrado. Ocasionalmente motores ligeramente cargados se sincronizan sin conectar la excitación. Esto se debe al torque de reluctancia. Algunos circuitos de control incluyen un circuito de “deslizamiento cero” para conectar la excitación en estos casos. Ventajas de la excitatriz sin escobillas 1.- No tiene escobillas ni problemas de polvo de carbón. 2.- No hay conmutadores o anillos deslizantes. 3.- Conexión del campo completamente automático y en el ángulo óptimo para una sincronización segura. 4.- No hay chispas. Puede usarse en áreas riesgosas. 5.- Retiro de la excitación y conexión de la resistencia de descarga en el caso de frenado y una resincronización automática. 6.- Ningún tablero o contactor de campo para mantenimiento. Velocidad variable con motores síncronos

Cuando se piensa en motores síncronos, tenemos la idea de un motor girando a una velocidad constante. Esta idea es correcta en tanto que la frecuencia de la línea sea constante y el motor síncrono esté conectado a la frecuencia de línea. Con el avance de la tecnología, la posibilidad de cambiar la frecuencia de la línea de entrada y así controlar la velocidad de los motores de “velocidad constante”, es una realidad. Esto conduce a una velocidad ajustable para bombas, ventiladores y otras cargas. Se obtienen eficiencias operacionales mayores, menor desgaste, arranques más suaves, menores corrientes de arranque y hasta un funcionamiento más silencioso mientras la máquina gira más lento. Compare las Fig.53 y 54 para observar el mejoramiento potencial de la eficiencia entre los drives de frecuencia

variable

respecto

a

los

drives

de

corriente

superficial.

La clave de este desarrollo es el Inversor Conmutado de Cargas (LCI). Esto consiste en dos puentes trifásicos de tiristores, uno rectificador conectado a la línea y el otro inversor conectado al motor. Este circuito permite

alcanzar frecuencias más altas que la línea, llegando a la velocidad supersíncrona (> velocidad síncrona). Debido a la función que realiza, el conjunto inversor y motor algunas veces son denominados motor c.c. sin escobillas. Ver la Fig. 55. Como cualquier circuito de tiristores; una vez que el tiristor se dispara, la corriente debe disminuir a cero antes que el tiristor regrese al estado de no conducción. Con un motor síncrono excitado como carga, la conmutación se realiza usando el bobinado de circuito abierto para generar los voltajes opuestos en la máquina. Ver la s Fig. 56 y 57.

Para proporcionar una operación confiable a bajas velocidades, algunas veces se utilizan encoder para indicar la posición instantánea del rotor y lograr así que los tiristores se disparen en el instante apropiado. Cuando no usan encoder, trabajan sensando el voltaje de retorno. Sea cual sea el método, se establece un campo magnético rotatorio. El LCI más simple usa 6 tiristores. Ver la Fig.59 y observe la progresión del vector resultante mientras se aplica c.c. secuencialmente en cada fase de la máquina. El vector, representa el campo magnético y avanza alrededor del estator en un ciclo completo.

Este circuito aunque más simple no es el más “suave”. Las pulsaciones asociadas con la progresión finita de los campos magnéticos alrededor del estator son reflejados en pulsaciones de torque y ruido magnético. Por ello debe tenerse cuidado para evitar frecuencias críticas en el eje del motor y otros elementos que podrían ser susceptibles a las pulsaciones.

En algunos casos se aplican acoples especiales para evitar fallas prematuras. Este circuito es utilizado mayormente para potencias entre 500 a 2500 HP, algunas veces hasta 6000 HP. Un sistema más suave se alcanza aprovechando la diferencia de 30⁰ entre los voltajes secundarios en un transformador Estrella-Delta de un inversor de 12 tiristores. Ver la Fig.60. En la Fig.61, el avance del vector pueden seguirse como antes, pero ahora los intervalos son de 30⁰. Una ventaja significativa es la reducción de armónicos en la línea de entrada y en el torque de la carga. Las Fig.62 y 63 muestran las diferencias entre ambos inversores.

Los armónicos 5to. ,7mo., 17mo. 19mo y superiores se cancelan en los secundarios Estrella-Delta, no aparecen en la línea entrada de un Inversor de 12 tiristores. El resultado es una operación más suave, poco efecto en la tensión torsional, giro más silencioso, armónicos bajos en la línea de entrada y requerimientos menores de salida para cada puente de tiristores. Así como se utilizan dos transformadores, también se puede usar un solo transformador con 3 bobinados para alimentar un convertidor de 12 pasos (Fig.60). Aunque se puede poner transformadores para aislar la

salida de los dos inversores frecuentemente hay un bobinado dual para cumplir este requerimiento. Los dos bobinados separados están desplazados 30⁰ eléctricos. Cada parte del estator “ve” en progresión de 6 pasos, pero el rotor “ve” una progresión de 12 pasos. El driver de 12 pasos se utiliza para potencias de 2000HP hacia arriba hasta llegar a 50000 HP. La función de limitación de corriente se usa frecuentemente durante el arranque conservando a las corrientes con valores considerablemente menores a los valores para rotor bloqueado. El límite de corriente es ajustable y es función del torque requerido. El torque de arranque disponible; cuando se trabaja con un LCI, es más semejante al máximo torque de operación del motor dado que está sincronizado con una fuente de muy baja frecuencia. Grandes torques de arranque están disponibles al mismo tiempo que se requieren corrientes de arranque muy bajas. La operación a velocidad reducida es controlada por una constante voltios-hertzios para no saturar la estructura magnética. Ocasionalmente, está disponible un contactor bypass para conectar la línea con la máquina. Esto afecta el costo de la instalación pero puede ser solicitada por el usuario como un sistema de respaldo. Ver Fig. 64. También puede ser deseable que el voltaje aumente a un nivel a velocidades arriba del 60% de la frecuencia nominal. Para esta condición, el motor tiene el hierro suficiente para que no haya saturación magnética. Aunque los f.p. unidad o en adelanto se asocian con motores síncronos, este hecho no es verdad cuando es movido por un LCI. El motor estará trabajando con f.p. en adelanto pero la red “ve” la sección de entrada del LCI que siempre está con f.p. en atraso. Voltajes más bajos significan velocidades más bajas y un f.p. en retraso mayor. El mejor f.p. es de 90% cuando el voltaje de salida del motor es máximo. Las máquinas con carga variable y que no trabajan menos del 50% por períodos extensos pueden ser autoventilados. Pero si la máquina mueve una carga constante y la velocidad es menos del 50%, debe usarse un

enfriamiento externo. Frecuentemente, el motor estará sobredimensionado para reducir el calentamiento a bajas velocidades. Algunas veces, se presentan altos voltajes entre tierra y la salida motor – LCI en particular entre bobinados y tierra. Por ello, es necesario proporcionar un buen aislamiento. Una ventaja del driver LCI es la posibilidad de girar a velocidad supersíncrona; más arriba que la velocidad síncrona de una máquina con el mismo número de polos conectados a la línea. Pero debe tenerse en cuenta que la fuerza centrífuga es una función de la velocidad y de la carga en las bombas centrífugas y mucho más en los ventiladores. Esto implica que un aumento en la velocidad aumenta el esfuerzo centrífugo. También se deben considerar las frecuencias armónicas que posiblemente estén ligeramente por encima de la velocidad síncrona. Como hemos visto los motores síncronos usados con inversores son semejantes a los motores convencionales. La mayor diferencia son los estatores de dos bobinados para aplicaciones de 12 pasos, un aislamiento mayor a tierra, el enfriamiento, la excitatriz trifásica y los cuidados que se tienen al operar con velocidad supersíncrona que afectan aspectos mecánicos y eléctricos.

Aplicaciones Los motores síncronos pueden manejar cualquier carga que pueda mover un motor de inducción. Si pueden usarse en cualquier aplicación es materia de investigación. Una regla empírica es que los motores síncronos son más baratos que los motores de inducción si exceden a 1 HP. Asimismo debemos tener en cuenta que: 1.- Los motores síncronos son altamente eficientes. 2.- Los motores síncronos mejoran el factor de potencia. Estos dos factores son importantes a velocidades debajo de 500rpm donde las características de un motor de inducción dejan mucho que desear. De otro lado tenemos: 1.- Necesidad de una fuente de excitación y medios de control de campo. 2.-Una relativa baja eficiencia torque/potencia en el arranque. 3.- Un ligero mayor costo de mantenimiento especialmente con motores con anillos y escobillas. Unas pocas reglas generales pueden establecerse como una guía preliminar en la elección de motores síncronos v/s motores de inducción para condiciones específicas: 1.-Para potencias de arranque (KVA) muy bajos; es preferible un torque controlable o velocidad ajustable. Se utiliza un motor síncrono. 2.-Para 3600 rpm, algunas veces pueden usarse motores síncronos de 10,000-20,000HP. Arriba de este rango, se utilizan exclusivamente motores síncronos. 3.- Para 1800 rpm, arriba de 1,000 HP los motores síncronos muestran su ventaja. Desde 2,000 a 10,000 HP se utilizan motores síncronos si la mejora del f.p es importante. Arriba de 15,000 HP son la única elección.

4.- Los motores de inducción operando debajo de 500 rpm tienen baja eficiencia y un f.p. bajo. Los motores síncronos son construidos con f.p. unidad o en adelanto y una buena eficiencia para velocidades tan bajas como 72 rpm. Para conexión directa en niveles arriba de 1,000 HP y velocidades debajo de 500rpm, los motores síncronos son la primera opción para compresoras, mezcladoras, molinos etc.

La Fig.40 es una carta general para motores síncronos y de inducción. Los motores con f.p. en adelanto son ligeramente menos eficientes que sus similares con f.p. unidad pero realizan el doble de trabajo. Su aplicación depende de la necesidad de corregir el factor de potencia. Los motores de inducción requieren de 0.3 a 0.6 de potencia de magnetización reactiva por potencia de carga. Los motores síncronos con f.p. 0.8 entregan de 0.4 a 0.6 de potencia de magnetización reactiva por potencia de carga dependiendo de la carga arrastrada. Igual cantidad de potencia de carga conectadas a motores de inducción y motores síncronos con f.p. 0.8, resultan en un f.p. unidad.

Motores síncronos para compresores de gas y bombas de vacio Las bombas de vacío y las compresoras de aire y gas pueden ser reciprocantes rotatorias o centrífugas. Los motores síncronos pueden usarse en cualquiera de ellos. A continuación daremos una información detallada de las aplicaciones. 1. Compresores reciprocantes y bombas de vacío Muchos motores síncronos están directamente conectados a compresores reciprocantes. Esto se debe a: a) Bajos requerimientos de arranque y torque para compresores reciprocantes sin carga. b) Eliminación de cadenas, engranajes y fajas. c) Alta eficiencia del motor síncrono a bajas velocidades. d) Mínimo espacio requerido e) Costo de mantenimiento bajo. Motores diseñados para conexión directa en compresores reciprocantes usualmente son máquinas de rodajes. Algunas veces están unidos por bridas a la estructura del compresor. En cualquier caso los requerimientos de torque están dentro del rango de diseño de motores de baja velocidad. Ver Fig. 41 Fig. 41 Torque recomendados % de Torque a plena carga por NEMA para compresoras Arranque Enganche Máximo reciprocantes Aire o gas 40 30 150 Arranque sin carga Bombas de vacío 40 60 150 Arranque sin carga

2. Pulsación de corriente Un compresor reciprocante tiene requerimientos variables de torque por revolución dependiendo del número de cilindros, ángulo de cigüeñal etc. Como vimos previamente, el ángulo de retraso del

rotor y la cantidad de corriente de estator varía con el torque. La pulsación de corriente es la diferencia entre los valores máximos y mínimos expresados en porcentaje de la corriente a plena carga. Hay una pulsación cíclica en la corriente de carga durante cada revolución. Esto en sí mismo no es objetable pero su exceso puede causar una apreciable variación de voltaje de línea. Las normas actuales limitan la pulsación de corriente al 66% de la corriente a plena carga correspondiente a una desviación angular de aproximadamente 5% de la velocidad rotativa uniforme. La Fig. 42 muestra un oscilograma real de la corriente de entrada de un motor síncrono conectado a un compresor de amoníaco. 3. Frecuencia Natural Cualquier sistema que tiene una masa que ha sido desplazad de su punto de equilibrio tendrá una fuerza que tiende a regresar dicha masa a su posición inicial. Este es período natural de oscilación cuyo ejemplo más común es el péndulo. La frecuencia natural para un motor síncrono se expresa como: NF = (35200/N) x (Pr x Hz/ WK2)0.5 Donde: NF. Frecuencia Natural en cpm N: Velocidad síncrona en rpm Pr: Potencia de sincronización Hz: Frecuencia de línea cps WK2: Efecto de ruedo libre en pies x lbs2 Se asume que no hay un amortiguamiento efectivo y el motor está conectado a un sistema ideal. Esta frecuencia debe diferir de cualquier otra en al menos 20%. 4. Efecto “Rueda Libre” El efecto “rueda libre” necesario para limitar la pulsación de corriente es proporcional al factor de compresión X según la expresión: WK2 = Pr x (X) x Hz x G Donde: WK2: Efecto “rueda libre” total en pies.lbs2 X: Factor de compresión Hz: Frecuencia de línea (cps)

Pr: Potencia de sincronización G: (1.34 x108) / (rpm)2 Usando la expresión anterior y los factores de compresión establecidos por NEMA obtenemos que la frecuencia natural y forzada difieran lo suficiente para generar una pulsación admisible. 5. Compresores centrífugos y bombas de vacío Varios tipos de compresores centrífugos con desplazamiento positivo se utilizan como compresores de aire o gas o para bombas de vacío. Ver la Fig. 46 para las recomendaciones NEMA relativas al torque. Torques recomendados por NEMA para compresores Centrífugo, arranque con a. Entrada o válvula descarga cerrada b. Entrada o válvula descarga abierta Fuller Company, arranque a. Sin carga, bypass abierto b. Con carga, bypass cerrado Nash-Hytor, arranque sin carga Reciprocante, arranque sin carga a. Aire y gas b. Amoníaco (presión 100-250 psi) c. Freón Fig. 46

% de torque a plena carga Arranque Enganche Máximo

30

40-60

150

30

100

150

60 60 40

60 100 60

150 150 150

30 30 30

25 25 40

150 150 150

6. Ventiladores centrífugos, compresores, sopladores y extractores Estos equipos difieren de las unidades reciprocantes en que la presión desarrollada es una función de la densidad del aire o gas manejado, la velocidad del impulsor y de la restricción del flujo. El gas es acelerado al pasar a través del impulsor, esta velocidad se convierte en presión en el remolino que rodea al impulsor. Las unidades que operan arriba de 30 psi son llamadas compresores. Para presiones arriba de 10psi se utiliza compresión multi-etapa. Estas unidades entregan alto volumen con baja presión. Los torques recomendados por NEMA son mostrados en la Fig.47 Torques recomendados por NEMA

% de torque a plena carga Arranque Enganche Máximo

Soplador, centrífugo Entrada o válvula de descarga cerrada Entrada y válvula de descarga abierta Compresor, centrífugo Entrada o válvula de descarga cerrada Entrada y válvula de descarga abierta Ventilador centrífugo Entrada y válvula de descarga cerrada Entrada y válvula de descarga abierta Ventilador Hélice impulsora Descarga abierta

30

40-60

150

30

100

150

40

40-60

150

40

100

150

30

40-60

150

30

100

150

40 30

100 100

150 150

Fig. 47 Muchas de estas aplicaciones tienen más carga que la normal WK2. El valor real debe tomar en cuenta la aplicación para tales cargas. También debe tomarse cuidado en motores que manejan gases calientes. La carga, cuando manejan gases fríos, puede ser alta en el arranque. Motores síncronos para bombas centrífugas El término “centrífugo” comprende bombas de flujo axial, flujo mixto o de flujo radial. En todos los casos, la energía es añadida al fluido mediante las diferencias de presión creadas por las paletas de un impulsor o propulsor rotatorio. La bomba de flujo radial descarga el fluido en ángulo recto, en flujo mixto descarga en un ángulo y en flujo axial descarga en dirección axial. Hidráulicamente, la diferencia se encuentra en la velocidad específica. Matemáticamente, se expresa como: NS2 = N x Q / (H) 0.75 Donde: NS =Velocidad específica N = rpm Q= gpm H = Impulso total en pies donde Q y H corresponden a las condiciones donde se obtiene la máxima eficiencia.

Estas diferencias son importantes en la aplicación de motores síncronos, como puede verse en la Fig.48.

Tipo

Velocidad % de torque en específica condición cerrado Flujo Radial 500 45 1000 50 2000 60 3000 70 Flujo mixto 5000 120 Flujo axial 10000 220

Fig.48 El factor importante es el torque requerido a plena velocidad y la descarga cerrada. En las bombas centrífugas de flujo axial se llega al 55% del torque total de carga. En el flujo axial puede alcanzar 220%.Obviamente, no intente sincronizar un motor que maneje una bomba axial o mixta en condición de cerrado. Sin embargo, la inercia de una columna de agua puede simular una descarga parcialmente cerrada en caso de una aceleración rápida. Ver Fig.49. Torques recomendados Por Nema para bombas Flujo axial, paleta ajustable, arranque con a. Recipiente seco b. Recip. lleno, paletas levantadas Flujo axial, paleta fija, arranque con a. Recipiente seco b. Recip. lleno, descarga cerrada c. Recip. lleno, descarga abierta Centrífuga, impulsor Francis, arranque con a. Recipiente seco b. Recip. lleno, descarga cerrada c. Recip. lleno, descarga abierta Centrífuga, impulsor radial, arranque con a. Recipiente seco b. Recip. lleno, descarga cerrada c. Recip. lleno, descarga abierta Flujo mixto, arranque con a. Recipiente seco b. Recip. lleno, descarga cerrada

% de Torque a plena carga Arranque Arrastre Máximo 5-40 5-40

15 40

150 150

5-40 5-40 5-40

15 175-250 100

150 150 150

5-40 5-40 5-40

15 60-80 100

150 150 150

5-40 5-40 5-40

15 40-60 100

150 150 150

5-40 5-40

15 82-125

150 150

c. Recip. lleno, descarga abierta Reciprocante, arranque con: a. Cilindro seco b. Bypass abierto c. Sin bypass

5-40

100

150

40 40 150

30 40 150

150 150 150

Fig. 49 Los torques mostrados anteriormente no son válidos para bombas axiales o mixtas. En algunos casos es posible arrancar estas bombas con depósitos parcialmente vacíos y reducir así los requerimientos de arranque. En motores de bombas verticales, usualmente se requiere un empuje adicional para romper la inercia tanto mecánica como hidráulica. Cuando la carga excede a los valores de la tabla 49, deben considerarse rodajes hidráulicos elevadores. Motores Síncronos para trituradoras, chancadoras y molinos El chancado, la trituración y la pulverización es un paso necesario para la separación del metal del mineral, la preparación de la roca chancada para la industria de la construcción, la preparación de caliza agrícola y la fabricación de cemento. Las chancadoras primarias, usualmente tipo quijada, martillo o molino de bolas son alimentadas de roca o mineral directamente después de ser extraídas. Luego el mineral va a una chancadora secundaria donde son reducidas a partículas de 0.5 pulgada. Estos molinos pueden ser tipo giratorio, cono, martillo o de bolas. Finalmente pasan a un molino final donde son reducidos a polvo. En la Fig.50 .se muestran los torques recomendados por NEMA para varios tipos de molino.

Aplicación Giratorio sin carga Cónico sin carga Molino de martillo sin carga Chancadora de Rodillo sin carga Molino de pistón mineral Molino de bolas mineral

% de Torque a plena carga Arranque Arrastre Máximo 100 100 250 100 100 250 100 80 250 150

100

250

160

120

175

150

110

175

Molino de bolas roca o carbón

150

110

175

Fig. 50 Motores síncronos para molinos de pulpa y papel La tabla de aplicaciones y torques recomendados por NEMA mostrados en la Fig.51 cubren las aplicaciones usuales de motores síncronos en los molinos e industria del papel. Torques recomendados % de Torque Por NEMA Arranque Refinadora sin carga 50 Disco cónico 50 Astillador Vacío (1) 60 Amoladora sin carga 50 Otros 40 Bombas de vacío 60

a plena carga Arrastre 50-100 50 50 40 30 100

Máximo 150 150 250 150 150 150

(1)Estos son valores de alta inercia y los requerimientos de torque no pueden determinarse solamente de los valores de carga. Los valores de WK2 deben determinarse para una apropiada aplicación del motor. Fig. 51

Traducción: Juan Galván D. Gráficos y Revisión: Alindor Suarez Tipeos : María Hinostroza