Introducción:

Estos motores se denominan sincrónicos, porque la velocidad de giro depende únicamente de la frecuencia de la corriente de alimentación y del numero de polos, siendo independiente de la carga que deba vencer. Esta velocidad esta dada por la relación:

N = 120 f / p

donde f es la frecuencia de la red y p el numero de polos del conductor.

De esta propiedad surge la limitación de uso de los motores sincrónicos, que se emplean cuando se requiere una velocidad absolutamente constante. Para los demás casos se prefieren los motores asincrónicos que son más sencillos y generalizados.

Principio de funcionamiento:

Observando la figura 1. En un instante determinado, durante medio ciclo de la corriente alternada, la corriente circulara en el sentido indicado por las flechas. Como la corriente es variable también lo será el campo magnético producido por ella y entre este campo y el otro del rotor, se ejercerá una acción dinámica que tendera a desplazar al rotor en un sentido que se obtiene aplicando la regla de la mano izquierda.

En el caso de la figura 1, para la rama izquierda de la espira colocaremos la palma de la mano en posición vertical y vuelta hacia la derecha, de acuerdo con la polaridad Norte. Los dedos estirados deben señalar hacia fuera, pues esa es la dirección de la corriente en el conductor; es decir que la muñeca queda contra la pared y los dedos saliendo de él. El pulgar en tal situación indicara hacia abajo, es decir que el conductor tendera a ser desplazado hacia abajo, pero como esta fijo, el campo magnético será repelido hacia arriba, girando entonces el rotor en el sentido indicado en la figura.

Para la rama derecha de la espira se podría demostrar que el movimiento de giro coincide con el producido en la otra rama, aplicando, la misma regla.

Después de transcurrido medio ciclo, la corriente en los conductores de la espira cambia de sentido de circulación, pero si en el mismo tiempo el rotor ha dado media vuelta, también se habrá producido una inversión en los sentidos de las líneas de fuerza, pues tendremos el polo Norte a la derecha y el Sur a la izquierda. Cambiando los sentidos de las corrientes y del campo al mismo tiempo, el movimiento permanece en el mismo sentido.

Esto dice que para que un motor sincrónico comience a funcionar regularmente, se debe tener que el rotor gire a velocidad tal, que se produzca al mismo tiempo la inversión de la corriente y de la polaridad magnética en cada punto de la vuelta completa. Como cuando el rotor esta detenido ello no es posible, estos motores requieren ser llevados a la velocidad de sincronismo mediante un motor o dispositivo auxiliar.

Una vez que el rotor gira a esa velocidad, el funcionamiento se hace normal, la acción de repulsión entre el estator y el rotor suministra la fuerza necesaria para que el giro continúe y solo se detendrá si se corta la corriente del rotor, del estator, o de la si la fuerza a vencer es mayor que la que puede suministrar el motor, en cuyo caso se dice que el mismo desengancha, debiéndose hacer arrancar nuevamente si se quiere que siga funcionando.

En la practica, ni el estator tiene una sola espira, ni el rotor un solo electroimán. El arranque se consigue con un motor auxiliar de potencia reducida o dotando al motor de un arrollamiento especial para que arranque como asincrónico.

Fig.1

Campo giratorio:

Hasta aquí hemos considerado al motor sincrónico como una espira fija que formaba el estator, y un par de polos que forma el rotor. En la practica, los motores sincrónicos son trifásicos, de manera que por lo menos tendrán tres bobinados iguales desplazados 120º geométricos en la periferia del estator. La rueda polar o rotor tendrá tantos polos como los que tenga el bobinado del estator.

A fin de comprender mejor el funcionamiento de los motores sincrónicos, nos referiremos al tipo de campo magnético formado por un devanado trifásico, repartido en la periferia del estator y alimentado por un sistema trifásico sinusoidal, de acuerdo a la figura 2, estando las tres sinusoides desplazadas 120º entre sí.

Fig. 2

En el estator colocaremos tres bobinados iguales, pero apartados de 120º geométricos, en la forma que se ve en la figura 3.

En el interior del estator el flujo magnético resultante será la suma de los producidos por las tres bobinas, de manera que en cada instante habrá que sumar gráficamente los tres flujos de sus respectivas bobinas. Usamos para ello los diagramas vectoriales, pero aplicados a los flujos alternos. Pero debe hacerse una aclaración: el sentido de las líneas de fuerzas de un campo magnético depende del sentido de circulación de la corriente que lo produce, tal como resulta de aplicar la regla del tirabuzón. De manera que si aplicamos el tirabuzón a las bobinas de nuestro estator supongamos que cuando la corriente es positiva, o sea hacia arriba del eje en la figura 2, el flujo será saliente desde el centro geométrico del estator, y cuando la corriente es negativa será entrante hacia el centro O.

Fig. 3

Tomemos la posición 1, que corresponde a un instante determinado. Las tres corrientes tienen valores que se pueden ver en la figura 2. I1 e I3, tienen la mitad del valor máximo, y son positivas, mientras que I2, tiene su valor máximo, pero es negativa. Llevemos esto al gráfico de los flujos de cada bobina. Los de las bobinas recorridas por I1 e I3 tendrán un valor dado, proporcional a esas corrientes, y estarán dirigidas hacia afuera desde O; el flujo producido por I2, será doble de los otros y estará dirigido hacia adentro, es decir, hacia O, pero lo podemos dibujar saliendo de 0 en dirección opuesta a su bobina. Sumemos ahora los tres flujos y vemos que da una resultante en la dirección del 2, y con valor:

r = 1.5 2

Y como el Nº 2 estaba en su valor máximo, se ve que el flujo resultante es 1,5 veces el valor máximo de cualquiera de las fases.

Pasemos ahora al instante 2, de la figura 3. Aquí la corriente I1 tiene su valor máximo positivo, y su flujo deberá ser saliente de O, y hacia su bobina. Las otras dos corrientes tienen la mitad del valor máximo, pero negativo, y sus flujos deben converger hacia O, o también salir de O pero en dirección opuesta. En la figura se ve que sumando los tres vectores se obtiene un vector resultante igual al de la posición anterior, pero desplazado de un cierto ángulo en el sentido de las agujas del reloj.

Pasemos ahora a las posiciones siguientes, y se ve que si se procede en la misma forma, el flujo resultante de la posición 3 está dado por el mismo valor que en las otras posiciones, pero corrido más hacia adelante en el sentido del reloj. Y es evidente, pues la suma geométrica se hará con un flujo negativo y máximo, correspondiente a la corriente I3, que será el único que sale de O en dirección opuesta a su bobina, y dos flujos de valor mitad del máximo, en dirección positiva, es decir, desde O hacia sus respectivas bobinas. Y para la posición 4 resulta también un flujo del mismo valor pero desplazado angularmente.

Si se hiciera esta operación para todas las posiciones o instantes durante un ciclo, se vería que siempre el flujo resultante en el interior del estator tiene un valor constante, pero se desplaza continuamente girando en un sentido determinado. Cambiando la sucesión de fases, gira en sentido contrario. Esto permite considerar a ese campo como equivalente al producido por una corriente continua, pero que girara continuamente en torno al estator. Por este motivo tal campo se llama: giratorio.

Y lo que sucede durante un ciclo se repetirá en los demás, de manera que con un sistema de tres comentes alternadas desfasadas eléctricamente, que recorren tres bobinas desplazadas geométricamente, se consigue un campo magnético que no es alternado sino constante en valor y signo, pero que gira con velocidad uniforme, dada por la conocida expresión:

N= 120 f / p

en revoluciones por minuto. Es evidente que el número de polos p debe intervenir, pues en la figura 3 hemos considerado un solo bobinado por fase, lo que da dos polos únicamente. Cuando hay más polos, se cumple un ciclo en menos de una vuelta. La frecuencia f de la red adonde se conecta el bobinado del estator también interviene, pues es la que da la velocidad de rotación de las fases, o también, la duración del período.

Efecto del campo giratorio.

Fig. 4

Volvamos ahora a nuestro motor sincrónico, y vemos que debemos colocar una rueda polar que tenga tantos polos como el bobinado del estator, para que a cada norte del estator corresponda uno en el rotor, y así sucesivamente. Si hacemos girar el rotor hasta que coincida con la velocidad de sincronismo se producirán los siguientes efectos: en el momento que un polo norte de la rueda polar esta frente a un polo del devanado del estator que en ese momento tenga ni cara norte hacia adentro, se produce un rechazo entre los dos polos nortes y la masa polar del rotor será atraída por la sección de bobinado estatórico que esta colocado inmediatamente próximo a la periferia. Como debe haber igual cantidad de polos en el estator como en el rotor, esto mismo esta sucediendo con todos los demás polos, uno de los cuales se ve en la figura 4 y como el campo giratorio gira en el sentido indicado por la flecha, el rotor girara en el mismo sentido. La fuerza que impulsa a girar al rotor esta dada por la ley de atracción y repulsión de masas magnéticas, de modo que dependerá de la intensidad de los campos magnéticos de la rueda polar y del estator o lo que es lo mismo, del flujo magnético del rotor y de la intensidad de corriente en el estator. Al eje del motor se aplica el mecanismo que este debe mover, y que por lo tanto opondrá cierta resistencia al giro. Si la cupla que suministra el motor es mayor que la opuesta por la resistencia mecánica, el rotor girara con velocidad constante cualquiera que sea esa resistencia puesto que la velocidad sincrónica depende de la frecuencia y numero de polos, que son invariables y no de la carga.

Si la cupla resistente supera a la cupla motora el movimiento se frena, deteniéndose el rotor lo que se llama desenganche.

Resumiendo, para poner en funcionamiento un motor sincrónico hay que provocar que la rueda polar enganche con el campo giratorio, para lo cual hay que hacerlo girar hasta alcanzar o sobrepasar la velocidad de sincronismo, dejándolo entonces libre. En esas condiciones el motor engancha y mantiene una velocidad cte. igual a la sincrónica, mientras la resistencia opuesta al movimiento no sea tan grande que provoque él desenganche. Si esto sucediera hay que volver a realizar la maniobra de puesta en marcha. De estas consideraciones se deduce que los motores sincrónicos serán aplicables en aquellos casos en que se requiera una velocidad absolutamente constante, pues su mayor costo con respecto a otros motores de corriente alternada y el inconveniente de necesitar corriente continua para los campos restringe su margen de aplicación. Posteriormente veremos que a veces se lo utiliza por su cualidad de compensador del desfasaje de la red.

Para las redes de 50 ciclos por segundo de frecuencia se construyen motores sincrónicos cuyo numero de polos debe estar de acuerdo con la velocidad sincrónica deseada. La tabla adjunta da las velocidades respectivas:

Velocidades síncronas a 50 Hz.