Máquinas Síncronas

Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son máquinas cuyo estator se encuentra alimentado por corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentación continua ya sea a través de un enrollado de campo o bien mediante imanes permanentes.

Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectada y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de motor contiene electromagnetos en el estator del motor que crean un campo magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.
En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas.
Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y corriente) y del número de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo con la red. Por ejemplo, una máquina con un par de polos conectada a una red de 50[Hz] girará a una velocidad fija de 3000 [RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de 1500 [RPM] y así sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos que giran a bajísimas revoluciones.
En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecánica del eje.
Esta aplicación ha sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la energía eólica.
Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautógenos (molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera.
 Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la alimentación del rotor hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como reactor o condensador sincrónico respectivamente. Particularmente esta última aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el cual tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos.
La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados es:

Características del rotor:
 El rotor de una máquina sincrónica puede estar conformado por:
- Imanes permanentes
- Rotor de polos salientes
- Rotor cilíndrico
Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que evita el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su aplicación a altas potencias se encuentra limitada ya que las densidades de flujo magnético de los imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los imanes permanentes crean un campo magnético fijo no controlable a diferencia de los rotores con enrollados de excitación donde se puede controlar la densidad de flujo magnético.
Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo cilíndrico y los de polos salientes.
En la siguiente imagen muestra el diagrama del estator de una máquina sincrónica, la figura (b) corresponde a un rotor de polos salientes, en tanto que el dibujo (c) muestra el esquema de un rotor cilíndrico. Por su parte, en las figuras (d) y (e) se observa la apariencia de una máquina sincrónica vista desde fuera y la representación de los enrollados de rotor y estator, respectivamente.

Desde el punto de vista de modelamiento el rotor cilíndrico es bastante más simple que el rotor de polos salientes ya que su geometría es completamente simétrica. Esto permite establecer las relaciones para los voltajes generados respecto de las inductancias mutuas del rotor y estator, las cuales son constantes.

Motores síncronos:

De acuerdo con lo estudiado, los motores síncronos no pueden arrancar en forma autónoma lo cual hace que requieran mecanismos adicionales para la partida:

-Una máquina propulsora externa (motor auxiliar).

-Barras amortiguadoras.

Particularmente en el segundo caso, se intenta aprovechar el principio del motor de inducción para generar torque a la partida. Constructivamente, en cada una de las caras polares del rotor (polos salientes), se realizan calados donde se colocan una barras, denominadas amortiguadoras, que le dan al rotor una característica similar a los segmentos tipo jaula de ardilla del motor de inducción.

De este modo, el motor se comporta como una máquina de inducción hasta llegar a la velocidad sincrónica. Es importante notar que el circuito de compensación se construye de modo que el campo magnético rotatorio inducido en el rotor sea débil comparado con el campo magnético fijo del rotor (producido por la alimentación con corriente continua). De este modo se evita que el efecto de inducción perturbe la máquina en su operación normal.

Ejes directo y en cuadratura:

El estudio del comportamiento de las máquinas sincrónicas se simplifica al considerar dos ejes ficticios denominados eje directo y eje en cuadratura, que giran solidarios al rotor a la velocidad de sincronismo (ver siguiente imagen):

-El eje directo es aquel que se define en la dirección Norte-Sur del rotor, con su origen en el centro magnético y en dirección hacia el Norte.

-El eje en cuadratura tiene el mismo origen que el anterior pero su dirección es perpendicular a éste.

Las corrientes por ambos enrollados ficticios (Id e Iq) están desfasadas en 90º eléctricos y la suma de ambas es equivalente a la corriente por fase en los enrollados reales.

El uso de estos enrollados ficticios permite simplificar el análisis de las máquinas sincrónicas. En particular, en el caso de la máquina con rotor cilíndrico que posee una geometría simétrica es posible establecer un circuito eléctrico equivalente para definir el comportamiento de esta máquina.

Circuito equivalente de la máquina sincrónica:

La existencia de los ejes ficticios directo y en cuadratura permite modelar eléctricamente las variables del estator a través de la resistencia del estator y las reactancias del eje directo y en cuadratura.

Particularmente, si el rotor es de polos salientes las reactancias en ambos ejes son diferentes y su cálculo supone un desarrollo complejo como el presentado precedentemente. En el rotor cilíndrico, sin embargo, se define una única reactancia: Xs=Xd=Xq por lo cual es posible establecer un circuito como el de la siguiente figura.

A partir de la figura se define:

Donde:

E es la tensión inducida de la máquina

Re es la resistencia en los enrollados del estator.

Ler es la inductancia mutua entre rotor y estator.

Ne, Nr son el número de vueltas de los enrollados de estator y rotor respectivamente.

R es la reluctancia del circuito magnético.

Ir es la corriente rotórica (de excitación).

Hay distintos tipos de diseño.

Generador síncrono con polos salientes en el estator:

El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos.

La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm.

Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando.

Generador síncrono con polos salientes en el rotor:

Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían un tamaño mayor.

Generador síncrono sin escobillas:

Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría  ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.

Motor síncrono como maquina conectada a un sistema infinito
El comportamiento de un motor es semejante al del generador conectado a un sistema infinito, el cual determina el voltaje y la frecuencia a que debe trabajar la máquina.
Se hace coincidir en uno solo en el que el fasor V es el mismo, se observa que el acortamiento o alargamiento de la fuerza electromotriz hace girar sobre su extremo a la escuadra formada por fasores  Ra  Ia y Xa Ia

Como la fuerza electromotriz se controla con la corriente de excitación, se deduce que el factor de potencia de la maquina síncrona se puede controlar a voluntad mediante la corriente de excitación. 

La fuerza electromotriz puede adquirir una magnitud superior a la del voltaje aplicado, sin que por ello deje de trabajar la maquina como motor. La característica fundamental del trabajo como motor es que la fuerza electromotriz está atrasada con respecto al voltaje aplicado.

Capacitor síncrono

Un motor lo suficientemente grande como para influir apreciablemente en la carga de una industria, puede hacerse trabajar a factor de potencia adelantado, con lo cual se corrige el bajo factor de potencia retrasado de otros equipos. El motor está desempeñando además de su propio trabajo, la función de un banco de capacitores.

A un motor síncrono trabajando en estas circunstancias se le llama capacitor síncrono. Como el grado de adelanto se puede controlar con la corriente de excitación, tiene la ventaja sobre los bancos de capacitores estáticos, de que su capacitancia es variable.

Un motor que se desee trabajar como capacitor síncrono debe tener su embobinado de excitación lo suficientemente reforzado como para soportar la alta corriente que se necesita, sin que su calentamiento supere el límite de seguridad.

Arranque del motor síncrono.

Si el rotor no se encuentra excitado no hay atracción que produzca el par electromagnético, y si lo está, la liga magnética se rompe cada vez que el flujo de armadura pasa frente a los polos con tal rapidez, que no puede vencer la inercia del rotor.

Para arrancar un motor síncrono es necesario algún sistema auxiliar. Existen dos formas de lograrlo, que son las siguientes:

- Con un motor auxiliar. Un motor de cualquier tipo acoplado a la flecha del síncrono, se encarga de iniciar el giro hasta obtener la velocidad síncrona. Entonces se energiza la armadura y se excita el campo, con lo que queda sincronizado el motor al sistema.

- Con devanado auxiliar de inducción. La jaula no puede tener la misma consistencia que para un motor de inducción, como se puede ver en la figura, pues si se trata de rotor cilíndrico hay que dejar libre el espacio de las ranuras, en donde se acomoda el embobinado de excitación, y si es de polos salientes, las barras se alojan únicamente en las zapatas polares, pues no tiene ningún objeto agregar barras en el espacio de aire interpolar.

Protección del embobinado de excitación. En el instante de arranque, el flujo de armadura cruza con gran rapidez por las bobinas de excitación. Como estas bobinas tienen un gran número de vueltas, se inducen en ellas tensiones que llegan a ser del orden de varias veces el voltaje con que normalmente trabajan.

Las altas tensiones pueden producir descargas en forma de chispas, entre capas o entre espiras del embobinado, perforando el aislamiento y fundiendo el cobre del conductor, causando un daño que deja fuera de servicio a la máquina.

En resumen 

- El generador síncrono consta de una igualdad entre la frecuencia eléctrica y la frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. 

- El diseño de polos salientes en el estator, tiene la condición que cuenta con el inducido en el rotor, es decir en la parte que se mueve, de aquí que es necesario la utilización de anillos, y estos van a depender del número de fases. 

- El diseño de polos salientes en el estator, es utilizada para generadores de gran potencia, el inducido se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tensión generada, únicamente ingresar un voltaje mínimo para la excitación del campo. 

- El diseño del generador sin escobillas es mucho más complejo que los anteriores, ya que la salida de este va a dirigirse hacia una placa electrónica, en la cual van a encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este comandar el circuito de excitación.