Funcionamiento de la Máquina Síncrona

1. Rotor (Inductor)

El rotor se alimenta en corriente continua (CC) y crea un campo magnético que, en primera aproximación, se considera distribuido senoidalmente por el entrehierro, tanto en el caso de polos salientes como de forma cilíndrica. Al girar el rotor, se genera un campo senoidal giratorio a una velocidad angular ω_geo = ω_rot = ω_ele / Par de polos. A mayor intensidad (I) en el rotor, mayor amplitud del campo creado.

2. Estator (Inducido)

El estator tiene una distribución semejante al de la máquina de inducción. En cada una de las fases se induce, por el giro del campo magnético, una tensión (V) senoidal de frecuencia marcada por la velocidad de giro del rotor. Al estar desplazadas las fases entre sí, las tensiones también lo estarán, generando en el estator un sistema trifásico equilibrado.

3. Interacción Rotor-Estator

Si se conecta una carga equilibrada al estator, circularán corrientes (I) que crearán a su vez un campo giratorio a la velocidad dada por la frecuencia de las corrientes del estator, que coincidirá con la velocidad de giro del campo generado por el rotor.

4. Campo Magnético Resultante

El campo total es un campo senoidal giratorio a una velocidad geométrica dada por la de giro del rotor. La frecuencia de las corrientes del estator dependerá, como en la máquina de inducción, de la velocidad de giro del campo y del número de pares de polos (p). La velocidad de giro del campo giratorio será ω_e = 2πf.

5. Funcionamiento como Generador o Motor

El funcionamiento más habitual de la máquina síncrona es como generador (centrales eléctricas), aunque también puede funcionar como motor. Si se desea generar tensiones de frecuencia constante o si el generador está conectado a la red eléctrica, la velocidad de giro del rotor debe permanecer constante.

6. Tensión Inducida

La tensión (V) inducida en el estator será proporcional a la derivada del flujo por sus espiras respecto al tiempo. Por tanto, será proporcional a la intensidad del campo total (creado por el rotor y el estator) y a la velocidad de giro. El campo del rotor aumenta al aumentar la tensión continua con que se alimenta (tensión de excitación).

Circuito Equivalente

El circuito equivalente del estator es abierto. Por un lado, hay una resistencia (r) y una reactancia X_s = X_principal + X_dispersión (impedancia síncrona Z_s = r + jX_s) y luego la fuente que es E = 4.4 * k_w * f * N * flujo. El circuito del rotor tiene una resistencia (R), una inductancia (L) y una fuente de tensión (E).

Consideraciones sobre el Funcionamiento

1. La potencia consumida en r(Z_s) representa las pérdidas de Joule por fase en el estator.
2. Las pérdidas rotatorias y magnéticas no se incluyen en el circuito equivalente.
3. Las pérdidas de Joule en el rotor se calculan conociendo la resistencia del rotor por fase y la corriente que circula por él. El circuito equivalente del rotor es una fuente de tensión continua (llamada excitatriz) que alimenta una bobina real (bobina ideal en serie con una resistencia). En régimen permanente, al ser CC, la bobina no se considera.
4. La máquina síncrona puede absorber o dar potencia activa. Para una potencia activa dada puede, a su vez, proporcionar o absorber energía reactiva.
5. Cuando la máquina funciona como generador independiente, la fuerza electromotriz (E) vendrá dada por la corriente proporcionada por la excitatriz y la frecuencia de giro, y la tensión (V) en la carga dependerá de esa E y de la carga. El par mecánico a aportar dependerá de la potencia eléctrica consumida por la carga. El desfase entre V e I y entre E e I vendrá marcado por el factor de potencia de la carga, de modo que el generador podrá dar o absorber potencia reactiva.
6. Si conectamos la máquina a la red, V será un dato. Para una misma potencia activa (tanto en modo motor como generador), variando E se modificará la potencia reactiva que da o absorbe la máquina síncrona. Cuando V e I están en fase, la I es la menor posible para una potencia activa dada y se dice que se trabaja con excitación óptima. Si la I no está en fase, la E para esa misma potencia activa será menor (subexcitada) o mayor (sobreexcitada) que la óptima. La sobreexcitación lleva al calentamiento del rotor y se debe evitar que sea excesiva. En el caso de funcionar como generador, ocurre cuando la carga es muy inductiva.

Ensayos

1. Ensayo con CC sobre el estator: Se aplica una tensión continua a los devanados del estator para que circule una corriente similar a la de condiciones normales de trabajo. Dado que la resistencia varía con la temperatura, se espera hasta que el estator alcance una temperatura semejante a la de trabajo normal. Con este ensayo se obtiene la resistencia del estator.
2. Ensayo en vacío como generador: Se impulsa el rotor a velocidad de sincronismo y, para diferentes valores de corriente de excitación del rotor, se obtiene el valor de la tensión en bornes del estator, que se deja en vacío. Se obtiene E como función de la intensidad de excitación del rotor.
3. Ensayo como generador con el estator en cortocircuito: El rotor se hace girar a la velocidad de sincronismo y, con el estator cortocircuitado, se mide la intensidad. Se debe tener cuidado de que la corriente de excitación del rotor sea tal que la corriente por el estator no sea demasiado elevada. En caso de serlo, la situación debe mantenerse poco tiempo para evitar calentamientos excesivos. Este ensayo permite obtener el valor de X_s, que resultará ser semejante para las distintas intensidades de excitación del rotor, salvo cuando se entra en saturación, en que parece disminuir. Sin embargo, en saturación el circuito equivalente ya no tiene mucho sentido, dado que no todas las magnitudes que en él intervienen serán senoidales como se supuso en un principio.

Arranque y Usos

1. Para arrancar el motor, se deja desconectada la tensión continua del rotor, el cual se deja cortocircuitado por medio de una resistencia (R) hasta que, por algún método, se lleva hasta la velocidad de sincronismo. Este método puede ser un motor auxiliar o disponiendo de un devanado en jaula en el rotor que hará que se comporte como uno de inducción. Si inicialmente no se carga el motor, alcanzará una velocidad próxima a la de sincronismo. Si en ese momento se conecta el rotor a la fuente de continua, acabará girando exactamente a la velocidad de sincronismo. En principio, se puede prescindir del devanado en jaula que, al girar el motor a velocidad de sincronismo, no aporta par. Sin embargo, se puede dejar para que, si por alguna circunstancia, como una variación brusca de par, la máquina tiende a salirse del sincronismo, le ayude a volver a él.
2. Dado que el par instantáneo es proporcional a la magnitud de los campos creados por el rotor y por el estator y al seno del ángulo que forman, se deduce que si ambos campos giran a velocidades distintas se obtendrá un par oscilatorio de valor medio nulo. Por tanto, si el rotor está parado inicialmente y se conecta el estator a la red, el motor no arrancará, pues el campo del estator girará a la velocidad de sincronismo pero el del rotor estará parado.
3. Según sea el par a mover por el rotor, para una tensión (V) y una fuerza electromotriz (E) fijos, variará el ángulo entre ellos para adaptarse a la carga e incluso a ese par. Por ejemplo, si se pone más carga, el rotor tiende a pararse, E se retrasa un poco y aumenta el par de modo que los dos campos sigan girando a la misma velocidad. Si se quita más carga e incluso se ayuda a girar al rotor, el campo E tenderá a adelantarse, con lo que el par pasará a ser negativo para oponerse a ello. Entonces se pasará a modo generador.
4. El par máximo, tanto como motor como generador, es (3 * E * V / X_s) / ω_sincronismo. Si el par resistente (como motor) o el de ayuda al giro (como generador) supera este valor, el desplazamiento de E con respecto a V no puede compensar la variación de par y la máquina pierde el sincronismo.
5. Para una misma potencia activa, variando el valor de E por medio de la corriente de excitación del rotor se varía el consumo o aportación de potencia reactiva. A diferencia del motor asíncrono, el síncrono puede consumir potencia reactiva negativa, por lo que se puede usar para compensar el factor de potencia.
6. Este tipo de motor es útil en el caso en que se quiera mantener una velocidad de giro constante aun cuando se produzcan variaciones de par, como puede ser, por ejemplo, el movimiento de antenas de radar. En la máquina síncrona, sea cual sea el par, la velocidad es constante, a no ser que se supere el valor máximo admisible y la máquina pierda el sincronismo.

Conexión de Generadores Síncronos a la Red

1. Para poder conectar en paralelo dos generadores síncronos, debe cumplirse que tengan igual frecuencia, tensión eficaz (V_eficaz) y secuencia de fases.
2. Para ver si las frecuencias son iguales o no, se usa un aparato llamado sincronoscopio.
3. Aunque las tensiones de ambos generadores tengan igual frecuencia, lo más probable es que estén desfasadas una respecto a la otra. Esto es difícil de evitar. Lo que se hace es conectar los generadores justo en el instante en que sus tensiones instantáneas sean iguales, con lo que, tras un ajuste, ambos acabarán funcionando en fase.
4. Como los generadores pueden ser máquinas de mucha potencia, debe tenerse mucho cuidado en cumplir los requisitos anteriores al conectarlos pues, en caso contrario, dos máquinas de gran potencia tratarían de imponer sus tensiones, frecuencias, etc., produciéndose un grave accidente debido a la gran energía liberada.
5. Una vez acoplados los generadores, si son iguales, se debe hacer un reparto igualitario de la carga, de modo que ambos proporcionen la misma potencia activa y reactiva a la carga.
6. En realidad, en la red eléctrica hay multitud de generadores diferentes conectados simultáneamente y el reparto de potencias entre ellos es un proceso complejo en el que intervienen no solo factores técnicos sino también económicos.
7. La regulación de los generadores síncronos de la red es un proceso complejo que ha de asegurar siempre el equilibrio entre potencias consumidas y producidas. El par mecánico ha de estar perfectamente regulado para que la máquina produzca la potencia activa demandada, de modo que cuando la máquina tienda a pararse se le dé más par y viceversa. De igual modo, se ha de controlar la corriente de excitación para ajustarse a las demandas de potencia reactiva.