El motor síncrono: ángulo de carga y control del factor de potencia
Sobreexcita el campo y el factor de potencia va…
Una vez fijada la carga en el eje, es decir, la potencia activa, la componente activa de la corriente del inducido queda fija. Pero al cambiar con la excitación del campo el módulo de la FEM interna E cambia la componente reactiva de la corriente, y con ella si la corriente I va en retraso o en adelanto respecto a la tensión en bornes V en el diagrama fasorial. Elige primero hacia dónde va el factor de potencia al aumentar la excitación (sobreexcitación) y luego mueve el deslizador para comprobarlo.
El rotor queda enganchado al campo giratorio
En un motor síncrono, el campo giratorio del estátor y el rotor excitado con corriente continua (un imán) quedan enganchados magnéticamente y giran juntos a la velocidad de sincronismo. A diferencia de la máquina de inducción no hay deslizamiento, así que con carga el rotor solo se queda atrás del campo giratorio un ángulo de carga δ y la velocidad no cambia. El par lo fija este ángulo de carga, T ∝ (V E / Xs) sin δ; al crecer la carga crece δ y aumenta el par, pero si δ pasa de 90° el enganche magnético se suelta y se pierde el sincronismo (pérdida de paso). Además, un rotor en reposo no puede engancharse a un campo que gira a la velocidad de sincronismo, así que el motor no arranca solo: arranca como máquina de inducción con un devanado amortiguador montado en el rotor, o con un inversor que sube la frecuencia desde un valor bajo.
La excitación compra y vende reactiva
Una vez fijada la carga, queda fijada la potencia activa que absorbe el motor, que corresponde a la componente de la corriente del inducido en fase con la tensión en bornes, así que esa componente no cambia al variar la excitación. Pero al cambiar con la excitación del campo el módulo de la FEM interna E cambia la componente reactiva de la corriente. Subexcitado (E pequeña), el motor toma de la red una corriente en retraso y absorbe potencia reactiva; sobreexcitado (E grande), envía una corriente en adelanto y suministra potencia reactiva. En el único punto donde la excitación es justa, la componente reactiva se hace 0, el factor de potencia vale 1 y la corriente del inducido es mínima. La potencia activa la lleva el ángulo de carga, y la reactiva, la excitación.
El condensador síncrono corrige el factor
El compensador síncrono es esta propiedad usada directamente. Un motor síncrono que gira casi sin carga en el eje, funcionando sobreexcitado, suministra potencia reactiva en adelanto a la red y corrige el factor de potencia, como un enorme condensador. Funcionando subexcitado, en cambio, absorbe potencia reactiva en retraso y contiene la subida de tensión que causa la capacitancia de una línea de transmisión larga con poca carga (efecto Ferranti). A diferencia de un banco de condensadores, puede pasar de forma continua entre suministrar y absorber con solo la excitación. Un motor síncrono con carga normal hace lo mismo si funciona sobreexcitado, así que en una fábrica entrega potencia mecánica y a la vez corrige el factor de potencia de toda la planta.
De vuelta a la primera pantalla
Al aumentar la excitación, el factor de potencia pasó a adelanto. La potencia activa fijada por la carga se mantuvo como componente activa de la corriente del inducido, así que el par no cambió, pero la excitación del campo cambió el módulo de la FEM interna E y movió la componente reactiva de la corriente. Subexcitado, el motor absorbe potencia reactiva con una corriente en retraso; sobreexcitado, la suministra con una corriente en adelanto; con la excitación justa, el factor de potencia es 1 y la corriente del inducido es mínima. Esta separación, con el par en manos del ángulo de carga y el factor de potencia en manos de la excitación, es lo que hace especial al motor síncrono, y haciéndolo girar sobreexcitado en vacío se convierte directamente en un compensador síncrono que corrige el factor de potencia. La ecuación E = V + jIXs vista en el generador, con el sentido de la corriente invertido para el motor de modo que jIXs se resta, se vuelve un mando para el par y el factor de potencia a la vez.
Si se dibuja en una sola gráfica cómo la excitación mueve el factor de potencia, con la corriente de campo en el eje horizontal y la corriente del inducido en el vertical, sale una curva en forma de V. El fondo de la V es el factor de potencia 1, el lado izquierdo es subexcitado (retraso) y el derecho sobreexcitado (adelanto), y toda la curva sube a medida que crece la carga. La siguiente unidad (MC-D4) usa esta curva en V para cuantificar el ajuste del factor de potencia y estudia también la estabilidad (el límite de pérdida de paso), es decir, hasta dónde aguanta el ángulo de carga.