Blake Bailey
Miembro del Comité de Enseñanza Técnica
Designmotors
Pocas cosas resultan menos estimulantes en el mundo de los motores que un gran motor sincrónico que se niega a arrancar; y, con demasiada frecuencia, la causa raíz reside en la excitación. Este artículo ofrece un panorama general de qué es la excitación de un motor síncrono, cómo funciona y los problemas habituales que es probable que encuentre.
Que es excitación
Todas las máquinas eléctricas rotativas dependen de campos electromagnéticos para generar el par motor. Sin embargo, a diferencia de los motores de inducción, las máquinas sincrónicas requieren una fuente de alimentación externa para energizar el circuito de su rotor. Esta energía se suministra a los devanados de campo (polos del rotor) ya sea mediante anillos rozantes y escobillas (excitación con escobillas) o a través de un pequeño generador montado en el eje que proporciona corriente continua rectificada (excitación sin escobillas).
Independientemente del método de excitación, la corriente suministrada circula por los devanados de campo para establecer el campo electromagnético del rotor. Este campo se sincroniza con el campo magnético rotativo del estator, lo que permite que la máquina funcione a una velocidad sincrónica real, sin el deslizamiento inherente a los motores de inducción. Por ejemplo, un motor sincrónico de 12 polos y 60 Hz funcionará a 600 rpm. Además de permitir el funcionamiento sincrónico, la excitación externa también posibilita el control de la potencia reactiva del motor (y, por ende, del factor de potencia o FP) mediante el ajuste de la intensidad de corriente continua del campo.
Excitación con Escobillas
Estos sistemas utilizan dos anillos rozantes y sus correspondientes escobillas de carbón (véase la Figura 1) para suministrar corriente al campo del rotor principal; asi mismo, la tensión y la corriente de campo (rotor) indicadas en la placa del motor son necesarias para que el devanado de campo principal alcance la potencia nominal (HP), la corriente a plena carga (FLA) y el factor de potencia (FP) especificados.
Aunque su concepto es sencillo, los sistemas con escobillas conllevan desafíos habituales: Chisporroteo, polvo de carbón y mantenimiento continuo; problemas bien conocidos por cualquiera que haya trabajado con motores de inducción de rotor bobinado o máquinas de corriente continua (CC). Para complicar aún más las cosas, muchos sistemas antiguos dependen de armarios de control (véa la Figura 2) que parecen haber sido construidos por un científico loco que olvidó incluir repuestos o un número de teléfono de atención al cliente.
Afortunadamente, los sistemas modernos permiten aplicar la excitación adecuada y realizar funciones como la regulación de tensión y el control del factor de potencia mediante sistemas de estado sólido más compactos; además, los sistemas con escobillas generalmente pueden obtener su alimentación de CC de cualquier fuente de corriente continua de la planta que tenga el dimensionamiento adecuado.
Excitación sin Escobillas
Los sistemas sin escobillas utilizan un generador relativamente pequeño, montado en el eje, para suministrar la corriente de campo del motor principal. Si bien para la operación a velocidad variable se emplean las llamadas excitatrices "CA-CA", la gran mayoría de las excitatrices sin escobillas utilizan excitatrices "CC-CA" (véa la Figura 3). Estas excitatrices incluyen un campo estacionario con un bobinado de CC (estator de la excitatriz), el cual induce un flujo de corriente en el rotor de la excitatriz (inducido) bobinado —típicamente trifásico—; posteriormente, un rectificador rotativo (rueda de diodos) convierte la corriente alterna proveniente del rotor de la excitatriz en la corriente continua que requieren los devanados de campo principales del motor.
El campo estacionario de CC sigue requiriendo una fuente de alimentación, pero el nivel de potencia es muy inferior al que demanda un sistema con escobillas. En el caso de las máquinas sin escobillas, la tensión y la corriente de campo indicadas en la placa de datos principal corresponden a los niveles del estator de la excitatriz necesarios para alcanzar la potencia nominal (HP), la corriente a plena carga (FLA) y el factor de potencia (PF) especificados. Dichos valores de tensión y corriente de campo no se deben confundir con los requeridos por los devanados de campo del rotor principal.
Aunque la excitación sin escobillas evita los problemas de mantenimiento asociados a los sistemas con escobillas de carbón, conlleva los inconvenientes potenciales relacionados con un conjunto adicional de devanados más pequeños, así como los problemas operativos que pueden surgir debido al fallo de cualquiera de los componentes del rectificador rotativo. Además, una excitatriz sin escobillas requiere más espacio que un conjunto típico de anillos rozantes. Al igual que en los sistemas con escobillas, la alimentación de CC para las excitatrices sin escobillas puede provenir de diversas fuentes.
Rectificador Rotativo
Como ya se mencionó, el rectificador rotativo necesario para la función básica de la excitación sin escobillas tiene la finalidad de rectificar la corriente alterna generada en el rotor de la excitatriz y convertirla en corriente continua para alimentar directamente los polos del rotor principal. En el caso de los generadores sincrónicos, estos conjuntos suelen estar formados por un puente rectificador de onda completa, compuesto por diodos y disipadores de calor debidamente dimensionados. Sin embargo, para aplicaciones en motores, los rectificadores rotativos (véa la Figura 4) deben incorporar también rectificadores controlados de silicio (SCR) para controlar el flujo de corriente y la temporización, resistencias de descarga de campo (FDR) destinadas a proteger los devanados del rotor principal contra sobretensiones durante la aceleración, y algún tipo de módulo de control o filtro que garantice la aplicación de la corriente de campo y la desconexión de las FDR del circuito. Estos componentes deben funcionar de manera coordinada y eficaz para lograr una sincronización fiable de la máquina principal.
Problemas Comunes de Excitación
A lo largo de los años, he presenciado innumerables problemas derivados de malentendidos y de una configuración inadecuada de los sistemas de excitación. Dado que los motores sincrónicos requieren sistemas de alimentación del rotor mucho más complejos que los motores de inducción, la probabilidad de que surjan complicaciones es considerablemente mayor. Incluso con un sistema de excitación plenamente operativo, unos ajustes incorrectos pueden provocar diversos problemas, que van desde el sobrecalentamiento de los devanados de campo y una corriente excesiva en el estator hasta valores de factor de potencia y tensión muy alejados de los nominales. Resulta fundamental comprender la aplicación y consultar las curvas en V del motor para establecer la excitación adecuada según el nivel de carga deseado (véase la Figura 5). También son frecuentes los problemas de arranque, que se pueden originar por una temporización incorrecta al aplicar la alimentación de campo, fallos en el conjunto de diodos o en los componentes del armario de arranque, o bien porque las resistencias de descarga de campo (FDR) permanezcan conectadas al circuito de campo una vez que el motor ha alcanzado la velocidad sincrónica.
Reflexiones Finales
Puede que comprender y solucionar problemas en los sistemas de excitación no resulte apasionante para todo el mundo, pero la excitación es fundamental para el funcionamiento de algunas de las máquinas más grandes y críticas de la industria. Poseer un conocimiento sólido de cómo funcionan estos sistemas —y de dónde suelen fallar— es una parte esencial de las competencias de cualquier profesional del sector de los motores, ¡y podría abrirle muchas puertas en una carrera apasionante en este ámbito!
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