Motores Síncronos: Principios, Características y Métodos de Arranque

Principio de Funcionamiento del Motor Síncrono

Funciona bajo el principio de interacción entre campos magnéticos. Cuando se aplica corriente alterna trifásica al estator, se genera un campo magnético rotativo que gira a la velocidad síncrona (n_s). El rotor, que está alimentado con corriente continua, produce un campo magnético constante. Cuando ambos campos están sincronizados, el rotor gira a la misma velocidad que el campo del estator, manteniendo una velocidad constante.

Características Principales

• Velocidad constante: La velocidad del motor síncrono está sincronizada con la frecuencia de la red eléctrica.
• Alta eficiencia: Los motores síncronos son más eficientes que los motores de inducción, especialmente en aplicaciones de alta potencia.
• Factor de potencia ajustable: Pueden operar con un factor de potencia unitario o incluso en adelanto, lo que los hace útiles para la corrección de factor de potencia en sistemas eléctricos.

Tipos de Rotores en los Motores Síncronos

• Rotor de polos salientes: Utilizado en motores de baja velocidad. Tiene polos magnéticos sobresalientes que se excitan con corriente continua. Este diseño es común en aplicaciones como generadores hidroeléctricos.
• Rotor cilíndrico (de polos lisos): Utilizado en motores de alta velocidad. Tiene una forma cilíndrica y se excita con corriente continua. Este diseño es típico en turbogeneradores y motores de alta velocidad.

Sistema de Excitación

• Anillos rozantes y escobillas: Utilizan anillos conductores y escobillas para transferir corriente continua al rotor. Este sistema es común en motores de baja y mediana potencia.
• Excitación estática (sin escobillas): Utiliza un generador de corriente continua acoplado al eje del motor, eliminando la necesidad de escobillas. Este sistema es más eficiente y requiere menos mantenimiento.

Métodos de Arranque

1. Arranque con Motor Auxiliar (Motor de Arranque)

Utiliza un motor auxiliar para llevar el motor síncrono a una velocidad cercana a la síncrona.

• El motor auxiliar se acopla mecánicamente al motor síncrono y lo acelera hasta que alcanza una velocidad próxima a la síncrona.
• Una vez alcanzada la velocidad adecuada, se desconecta el motor auxiliar y se aplica corriente continua al devanado del rotor para sincronizarlo con el campo del estator.

2. Arranque con Devanado Amortiguador (Jaula de Ardilla)

Durante el arranque, el motor funciona como un motor de inducción, utilizando el devanado amortiguador para generar torque.

• El devanado amortiguador permite que el motor acelere desde el reposo hasta una velocidad cercana a la síncrona.
• Cuando la velocidad se acerca a la síncrona, se aplica corriente continua al devanado de campo para sincronizar el motor.

3. Arranque con Frecuencia Variable

Este método utiliza un variador de frecuencia para controlar la velocidad del motor síncrono desde cero hasta la velocidad síncrona.

• El variador de frecuencia ajusta la frecuencia de la alimentación del estator, permitiendo un arranque suave y controlado.
• Este método evita picos de corriente y tensiones mecánicas, lo que lo hace ideal para aplicaciones industriales modernas donde se requiere un control preciso de la velocidad.

4. Arranque con Autotransformador

• Este método utiliza un autotransformador para reducir la tensión de alimentación durante el arranque, limitando la corriente de arranque.
• El autotransformador se conecta en serie con el motor durante el arranque, reduciendo la tensión aplicada al estator.
• Una vez que el motor alcanza una velocidad cercana a la síncrona, se desconecta el autotransformador y se conecta el motor a la tensión nominal.

5. Arranque con Resistencia en el Rotor

• En motores síncronos con rotor bobinado, se pueden insertar resistencias en el circuito del rotor durante el arranque para limitar la corriente y aumentar el torque.
• Las resistencias se conectan en serie con el devanado del rotor, reduciendo la corriente de arranque y permitiendo un arranque suave.
• A medida que el motor acelera, las resistencias se reducen gradualmente hasta que el motor alcanza la velocidad síncrona.

Consideraciones Importantes

• Corriente de Arranque: Los motores síncronos pueden demandar corrientes de arranque muy altas, lo que puede causar caídas de tensión en la red eléctrica. Por ello, es necesario utilizar métodos que limiten esta corriente.
• Sincronización: Una vez que el motor alcanza una velocidad cercana a la síncrona, es necesario aplicar corriente continua al devanado de campo para sincronizarlo con el campo del estator.
• Aplicaciones: Los métodos de arranque dependen de la potencia del motor, el tipo de carga y los requisitos del sistema eléctrico. Por ejemplo, el arranque con devanado amortiguador es común en motores de media y alta potencia, mientras que el arranque con frecuencia variable es ideal para aplicaciones industriales modernas.