Motor Sincrono: Funcionamiento, Aplicaciones y Ventajas

El motor síncrono es un tipo de motor eléctrico ampliamente utilizado en aplicaciones donde se requiere una velocidad constante, sincronizada con la frecuencia de la red eléctrica. Su precisión, eficiencia y capacidad de operar a factor de potencia controlado lo convierten en una herramienta esencial en la industria moderna, especialmente en sistemas de automatización, procesos continuos y grandes instalaciones industriales.

¿Qué es un motor síncrono?

Un motor síncrono es una máquina eléctrica que gira a una velocidad constante, sincronizada con la frecuencia de la corriente alterna (CA) que lo alimenta. A diferencia del motor de inducción, cuya velocidad depende de la carga, el motor síncrono mantiene una velocidad fija determinada por la fórmula:

Velocidad síncrona (rpm) = (120 × frecuencia) / número de polos

Por ejemplo, en una red de 60 Hz y un motor de 4 polos, la velocidad síncrona será de 1800 rpm.

Partes principales del motor síncrono

El motor síncrono tiene un estator con un devanado trifásico que crea un campo magnético giratorio. El rotor, que se mueve en sincronía, es alimentado por corriente continua a través de anillos rozantes y escobillas, generando un campo magnético constante. La interacción entre estos dos campos (el giratorio del estator y el constante del rotor) es lo que produce el par motor. A diferencia de los motores de inducción, no necesita deslizamiento para funcionar y opera a una velocidad constante, lo que lo hace ideal para aplicaciones que requieren precisión. Sus principales componentes son el estator, el rotor, los polos salientes del rotor, los anillos rozantes y las escobillas, siendo un motor fundamental en la industria.

• Estator: Parte fija que contiene los devanados trifásicos conectados a la red eléctrica.
• Rotor: Parte giratoria que se magnetiza para sincronizarse con el campo giratorio del estator.
• Anillos rozantes y escobillas: En algunos modelos, permiten la excitación del rotor con corriente continua.
• Fuente de excitación: Proporciona corriente continua al rotor para crear el campo magnético necesario.

¿Cómo funciona un motor síncrono?

Un motor síncrono funciona gracias a la interacción de dos campos magnéticos. El estator, la parte fija, contiene bobinas que al ser energizadas con corriente alterna trifásica, crean un campo magnético que gira a una velocidad constante (velocidad síncrona). El rotor, la parte giratoria, es un electroimán alimentado por corriente continua que genera un campo magnético fijo.

La función principal del motor es que el campo magnético del rotor se «enganche» con el campo magnético giratorio del estator. Esto hace que el rotor gire exactamente a la misma velocidad que el campo del estator, manteniendo siempre la misma posición relativa, lo que se conoce como sincronismo. Puedes aprender más sobre el funcionamiento de los motores síncronos en este video.

Características técnicas

Las características técnicas principales de un motor síncrono son:

• Velocidad constante: La velocidad del motor síncrono es directamente proporcional a la frecuencia de la red de alimentación y al número de polos, y no varía con la carga, lo que es ideal para aplicaciones que requieren precisión. La velocidad de sincronismo se calcula con la fórmula $n=(120\ast f)/P$, donde n es la velocidad, f la frecuencia de la red y P el número de polos.
• Corrección del factor de potencia: A diferencia de otros motores, un motor síncrono puede operar con un factor de potencia unitario, capacitivo o inductivo. Esto significa que puede suministrar potencia reactiva a la red, lo que ayuda a mejorar la eficiencia general del sistema.
• Par de arranque: No tienen par de arranque inherente y requieren de un método auxiliar para iniciar el giro, como un motor de arranque, un devanado de jaula de ardilla, o un variador de frecuencia.
• Eficiencia: Son muy eficientes, especialmente con cargas parciales, lo que los hace ideales para aplicaciones de alta potencia.

Aplicaciones del motor síncrono

Los motores síncronos se utilizan en una variedad de aplicaciones industriales y de alta precisión debido a sus características únicas. Son esenciales en la minería para mover molinos y trituradoras, y en la industria del cemento y siderurgia para cintas transportadoras y compresores. Su capacidad para mantener una velocidad constante sin importar la carga los hace ideales para procesos de fabricación que requieren precisión. Además, son clave en la industria química y petroquímica para bombas y ventiladores. También se usan como compensadores síncronos para corregir el factor de potencia en la red eléctrica, mejorando la eficiencia general del sistema.

• Molinos y trituradoras: Necesitan velocidad constante para evitar daños.
• Compresores industriales: Equipos de alta potencia y uso continuo.
• Sistemas de corrección de factor de potencia: Usados como motores sin carga (motores sincrónicos compensadores).
• Plantas generadoras: Funcionan como generadores síncronos, especialmente en hidroeléctricas.
• Transportadores industriales: Mantienen velocidad sin variaciones.

Ventajas del motor síncrono

Las principales ventajas de los motores síncronos se resumen en: velocidad constante e independiente de la carga, ideal para procesos industriales que requieren gran precisión. Además, son capaces de corregir el factor de potencia de la red, lo que mejora la eficiencia energética y reduce las pérdidas. Presentan una alta eficiencia, especialmente en aplicaciones de alta potencia. Su diseño es compacto y robusto, y aunque no tienen un par de arranque propio, con los métodos adecuados son muy versátiles. Son la elección preferida para aplicaciones que demandan rendimiento y precisión, como en la minería, la metalurgia y la fabricación a gran escala.

• Alta eficiencia energética en operación continua.
• Velocidad constante, sin importar la carga.
• Permite ajuste del factor de potencia para optimizar sistemas eléctricos.
• Durabilidad y bajo mantenimiento en aplicaciones industriales bien diseñadas.

Desventajas o limitaciones

Aunque tienen muchas ventajas, los motores síncronos también presentan limitaciones significativas. Su principal desventaja es el costo inicial más elevado debido a la complejidad de su construcción y el uso de imanes permanentes en algunos diseños. Además, su arranque es problemático, ya que no poseen un par de arranque inherente, lo que requiere el uso de métodos auxiliares como un motor de arranque, un devanado de jaula de ardilla, o un variador de frecuencia. Su mantenimiento puede ser más complejo y especializado. Por último, su rigidez de velocidad, aunque es una ventaja, puede ser una desventaja si la aplicación requiere un rango de velocidades variable.

• No puede arrancar por sí solo (requiere ayuda externa).
• Diseño más complejo y costoso que un motor de inducción.
• Mayor sensibilidad a cambios de tensión o fallos de sincronismo.

Tipos de motores síncronos

Los motores síncronos se clasifican principalmente según su método de excitación y construcción del rotor. Los más comunes son:

Motores de rotor bobinado, que utilizan una fuente de corriente continua externa a través de escobillas y anillos rozantes para crear el campo magnético del rotor.

Motores de imán permanente (PMSM), cuyo rotor está hecho de imanes permanentes, eliminando la necesidad de excitación externa y mejorando la eficiencia. Un tipo relacionado son los motores sin escobillas (BLDC), que son una forma de PMSM.

También existen los motores de reluctancia variable, que no utilizan imanes ni bobinas en el rotor, sino que generan par por la tendencia del rotor a alinearse con el campo magnético del estator para minimizar la reluctancia del circuito magnético.

• Rotor de polos salientes: Utilizados en aplicaciones de baja velocidad.
• Rotor de polos lisos: Para alta velocidad, como generadores síncronos.
• Auto-excitados: Incorporan un sistema de autoexcitación sin necesidad de corriente externa.
• Con imanes permanentes: Usan imanes en el rotor, muy comunes en motores compactos y servomotores.

¿Cómo se arranca un motor síncrono?

Debido a la ausencia de par de arranque inherente, los motores síncronos no pueden arrancar por sí mismos y requieren de un método auxiliar para alcanzar la velocidad de sincronismo. Uno de los más comunes es el arranque con devanados de jaula de ardilla, donde se incluyen barras conductoras en los polos del rotor que permiten que el motor arranque como un motor de inducción.

Una vez que el motor alcanza una velocidad cercana a la de sincronismo, se excita el campo del rotor y se «engancha» con el campo giratorio del estator. Otros métodos incluyen el uso de un variador de frecuencia, que acelera el motor gradualmente, o un motor auxiliar (motor pony) que impulsa el rotor hasta la velocidad de sincronismo.

• Motor auxiliar: Un motor externo hace girar el rotor hasta alcanzar la velocidad síncrona.
• Bobinas amortiguadoras: Creadas para funcionar como motor de inducción durante el arranque.
• Variador de frecuencia: Permite acelerar gradualmente hasta sincronizarse.

Enlaces relacionados

• Tipos de motores eléctricos: guía completa
• Arranque estrella-triángulo: ¿Cómo funciona y cuándo usarlo?

Conclusión

El motor síncrono es una solución ideal para aplicaciones que requieren velocidad constante, eficiencia y control de potencia. Si bien su complejidad es mayor que la de otros motores, su fiabilidad y beneficios lo hacen imprescindible en muchas industrias. Te invitamos a revisar nuestra sección de motores para conocer más sobre los distintos tipos disponibles y sus usos prácticos.