Antes de avanzar más, deshazte del trauma.

Si estas aquí es porque estás buscando formas de comprender qué son las máquinas síncronas, porqué hacen lo que hacen y se emplean para lo que ya te han dicho. Para asegurarme de que realmente asimilarás la información, te sugiero que te deshagas de todo el trauma que pudieron causarte con la matemática de los circuitos equivalentes y las transformadas asociadas.

Es más fácil de lo que parece, pero vamos a darle sentido a todo eso.

 


Principio, operación y estructura.

En inicio, demos un repaso violento sobre la estructura y física asociada a la máquina eléctrica, ya conoces que esta amiga esta constituida por una parte móvil (rotor) y una parte fija (estator), la magia de su funcionamiento radica, se centra y se origina en la Ley de Faraday -Lenz.

“Si un circuito está sometido a variaciones de flujo magnético, existirá en él, una fuerza electromotriz que estará relacionada con la velocidad de variación del flujo magnético, donde el sentido de la corriente inducida se opondrá a la causa que lo origina”

(Fernández, F. “Electricidad, Teoría de Circuitos y Magnetismo”, p.144, 2006)

Estructuralmente, la máquina síncrona dispone de un estator constituido por un devanado trifásico distribuido a 120º idéntico a la máquina asíncrona.

Pero ahora, tendremos que el movimiento del rotor depende exclusivamente de la alineación entre el campo magnético del estator, y el campo magnético del rotor.

Si inyectamos corrientes trifásicas en el estator, al igual que en un motor de inducción se producirá un campo rotatorio equivalente que en este nuevo arreglo “arrastrará” al campo del imán permanente del rotor.

Un motor cuyo rotor gira a la misma velocidad del campo del estator es un motor síncrono porque no tiene el deslizamiento (s) del motor de inducción, donde la energía que recibe el rotor desde el estator tiene que alcanzar para la rotación y para cubrir sus pérdidas internas.

Si ahora, en lugar de alimentar al estator lo desconectamos y hacemos que el rotor gire accionándolo externamente, como por ejemplo conectando su eje a una turbina, veremos que el movimiento giratorio hará que un campo magnético fijo pase por cada una de las bobinas del estator y provoque una variación de flujo, por lo tanto, se inducirá un voltaje en cada bobina (generador síncrono).

Si las bobinas están separadas 120 grados entre sí, el voltaje inducido en cada una de ellas tendrá los 120 grados de diferencia que, en conjunto, conforman un sistema trifásico balanceado, esto en el caso ideal de que las bobinas son iguales, de esta manera tendriamos un generador síncrono.

Según utilicemos una máquina síncrona, puede ser como motor o como generador, el campo magnético que “arrastra” será el que proviene desde el elemento por donde entra la energía: si es un motor, la energía eléctrica entra por el estator y su campo magnético “arrastra” al del rotor (demanda-mecánica).

Por el contrario, si se utiliza como generador, la energía mecánica entra por el rotor y este campo magnético “arrastra” la carga eléctrica conectada al estator (demanda-eléctrica).

Como podrás ver en la imagen de arriba, existe un ángulo especial denominado "ángulo delta", también conocido como ángulo de arrastre o ángulo de carga, esta es la separación angular entre el campo del inductor y del inducido, puedes verlo como el campo que “arrastra” y el campo “arrastrado”.

El valor de este ángulo dependerá de que tan fuerte sea la atracción magnética entre los dos campos. La relevancia del ángulo delta radica en que nos sirve de referencia para analisis de estabilidad, pero de esto podemos conversar más adelante.

En cuanto a sus características constructivas, el rotor de una máquina síncrona está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes mediante corriente contínua, este puede ser liso o de polos salientes dependiendo de su aplicación.

 

 

De la imagen, ¿Puedes identificar cuál es de rotor de polos lisos y cuál de rotor de polos salientes?

Es como obvio, el izquierdo es de rotor de polos lisos, y el de la derecha es de rotor de polos salientes.

Fíjate de las líneas de campo (sí, las punteadas), verás el recorrido del flujo magnético interactuando internamente, es justo este recorrido lo que nos habla de la Fuerza magneto motriz asociada al torque de cada estructura.

Notarás que el rotor liso tiene un flujo contínuo, y sí, su torque es directamente proporcional a la fuerza magneto motriz del estator y del rotor, asi como al seno del ángulo de forman entre sí, (Teoría y análisis de las máquinas eléctricas de Fitzgerald) por lo cual es muy usado en aplicaciones de altas velocidades, caso contrario al rotor de polos salientes.

Pero, ¿por qué tener polos lisos o salientes si ambos son síncronos y hacen los mismo?, ¿no?

Pues, lo mismo - lo mismo, no. Uno funciona para aplicaciones de alta velocidad y otras para aplicaciones de bajas velocidades con una elevada masa inercial.

Pero veamoslo a nivel estructural y luego lo llevamos a lo científico, las causas que limitan el diseño de máquinas de polos salientes para altas velocidades son la alta concentracion de masa en los polos (necesitarías muchos más polos para distribuir bien el flujo de campo) y lo otro es que a grandes velocidades producirían fuerzas centrígugas excesivas.

Por otro lado tendríamos las pérdidas por ventilación, que para este tipo de rotor serían considerables y serían máquinas muy ruidosas.

Otra condición resaltante es que el tipo de devanado que se acostumbra para cada topología también resulta muy diferente, en el caso de los polos salientes el tipo de devanado típico es el devanado concentrado. En el caso del rotor liso, el devanado es concentrico para lograr que la fuerza magneto motriz (FMM) originada por la corriente se aproxime lo más posible a una onda senoidal (Análisis de Fourier).

También notamos que en el caso de la máquina de rotor de polos lisos, la distribución de la densidad de flujo no es perfectamente senoidal pero se aproxima más que en la máquina de polos salientes.

Para asegurar que la densidad de flujo producida por la FMM se aproxime a una onda senoidal "limpia", en la máquina de polos salientes, los polos se fabrican de forma que sea posible:
1: una expansión polar con mayor reluctancia que en el centro del polo
2: un entrehierro mayor en los extremos del polo en comparacion con el centro

Y Sí, ¿por qué tanto alboroto por la densidad de flujo?

Bueno, recuerda toda la historia de Faraday-Lenz, la inductancia (provocación) electro-magnética que ocurre entre el devanado de estator y de rotor, genera un flujo de campo y es justo el material del devanado y la forma en cómo este mismo material esta dispuesto, el que condiciona el recorrido y distribución de la densidad de flujo magnético.

La importancia de que esta densidad se distribuya adecuadamente radica en la forma que tendrá el voltaje de inducido puesto que en cualquier instante, este tendrá la misma forma senoidal ya que es directamente proporcional al campo.


Ahora que ya estamos un poco más ubicados podemos cerrar este post mencionando que la denominada “estabilidad” de una máquina síncrona dependerá en parte de que su ángulo delta máximo no se exceda cuando se produzca un desequilibrio en el balance entre la energía que entra y la energía que sale de la máquina.

La diferencia entre las dos se acumula o se pierde en la máquina y esto se traduce en variaciones de su velocidad y frecuencia que ocasionan condiciones operativas insostenibles.

Y la relevancia de todo esto es que constituyen la base de la operación segura en un sistema de potencia eléctrica y es por esto que podemos decir que tenemos electricidad en casa.

Para más información puedes consultar la sección de Guías prácticas y dejar comentarios para atender tus dudas y asi ayudar a otros con dudas similares.

Nos leemos pronto.