Antes de comenzar el tema, necesitas aclarar algo. Al referirte a una máquina síncrona, esta puede funcionar tanto como motor como generador, dependiendo de que necesitas. El motor convierte energía eléctrica a energía mecánica, y el generador convierte energía mecánica a energía eléctrica. La misma máquina puede hacer ambas cosas. Aunque obviamente no al mismo tiempo. Es por eso que utilizas el término más general máquina de corriente síncrona y no motor, o generador.

La construcción de una máquina síncrona es muy parecida a la de cualquier máquina de corriente alterna, aunque tiene una particular importante: la máquina síncrona es una máquina doblemente alimentada. La máquina de inducción es una máquina de alimentación sencilla.

Esto quiere decir, que la máquina de inducción solo tiene una alimentación: la del estator. El rotor girará por el principio de inducción. En cambio, una máquina síncrona necesita doble alimentación: para el estator, y para el rotor. La máquina síncrona tiene la siguiente forma:

Figura 1. Máquina síncrona.

Imagen obtenida de http://fc08.deviantart.net/fs35/i/2008/294/d/9/Synchronous_Motor_by_Mark5150.jpg solo para fines educativos.

Y representado de forma esquemática:

Figura 2. Motor Síncrono.

Imágen obtenida de
http://www.electrical4u.com/wp-content/uploads/2013/05/synchronous-motor.jpg
solo para fines educativos.

Lo más importante de apreciar en las figuras 1 y 2 son las dos partes de la máquina: el estator, que es la parte estática de la máquina, y el rotor, la parte rotatoria de la máquina. El estator tiene un devanado trifásico, que será la alimentación eléctrica que moverá el motor. A diferencia de una máquina de inducción, el campo producido por el estator no puede hacer girar al rotor por sí mismo y es aquí donde radica la principal diferencia entre una y otra.

Para que el rotor pueda girar, se necesita un campo magnético producido por una fuente externa. Es por esto que la máquina se conoce como doblemente excitada. Este campo magnético proviene de un devanado adicional que se encuentra en el rotor, que a su vez se conecta a una fuente externa de corriente directa.

Este campo magnético se “acopla” al campo magnético rotatorio producido por el estator, y así comenzarán a girar a la misma velocidad.

Una vez que los campos magnéticos se han acoplado, estos girarán a la misma velocidad pase lo que pase, y esto le otorga a la máquina síncrona una de sus características más importantes: sin importar la carga, está siempre girará a la misma velocidad. Lo único que puede hacer que varíe la velocidad de giro es la frecuencia de entrada, la cual normalmente se considera constante.

Si varias la corriente que circula por el devanado del rotor, cambiará la magnitud del campo magnético del rotor. Si este vale cero, la máquina no puede girar. Los cambios en magnitud de la corriente de campo se discuten en la sección 9.3.

Una de las características más importantes de una máquina síncrona es el hecho de que su velocidad, sin importar las circunstancias de carga, se mantiene constante. Lo único que puede variar es el par rotacional que se requiere en la flecha, el cual depende totalmente de la carga. Existe un par máximo que se le puede pedir al motor, el cual se conoce como par de salida. Si excedes este par en la flecha, el motor puede salir de sincronismo, es decir, el campo magnético del rotor se desacopla del campo magnético del estator y el motor ya no puede girar. Este par es muy alto, típicamente 3 o 4 veces el par nominal de la máquina.

Recuerda que la alimentación del estator es fija, tanto en magnitud como en frecuencia. Esto hace que la máquina solo pueda girar a una sola velocidad.

Como se mencionó anteriormente, los cambios en la corriente de campo también tendrán un efecto en el comportamiento del rotor. Si cambias la magnitud del mismo, no puede cambiar el voltaje en terminales del motor, ya que este está acoplado a la red eléctrica. Tampoco puede cambiar la velocidad, ya que está dada por la frecuencia del sistema. Tampoco puede cambiar el par de la flecha, ya que este depende totalmente del requerimiento de la carga. ¿Entonces en qué modifica a la máquina síncrona cambiar la magnitud del campo?

La respuesta radica en el factor de potencia. Una de las ventajas más importantes de una máquina sincrónica es que puede operar a un factor de potencia atrasado o un factor de potencia adelantado, es decir, la misma máquina puede entregar energía reactiva o entregarla. Esto no afecta de ninguna manera a la carga, solo al sistema eléctrico. Esto es importante en sistemas industriales grandes, pero en los sistemas eléctricos automotrices realmente tiene poca importancia. Aun así, es importante que consideres que la máquina puede aparecer ante el sistema como una gran inductancia o un gran capacitor, dependiendo de la magnitud del campo magnético del rotor.

Aun cuando un gran porcentaje de máquinas sincrónicas son utilizadas como generadores en las plantas de producción de energía eléctrica, debido fundamentalmente al alto rendimiento que es posible alcanzar con estos convertidores y a la posibilidad de controlar la tensión, en numerosas ocasiones se emplea industrialmente como elemento motriz. Como otros convertidores electromecánicos, la máquina sincrónica es completamente reversible y se incrementa día a día el número de aplicaciones donde puede ser utilizada con grandes ventajas, especialmente cuando se controla mediante fuentes electrónicas de frecuencia y tensión variable.

Revisa a continuación el Checkpoint: