Qué es un motor síncrono de imanes permanentes y su funcionamiento

En un sistema eléctrico, los motores síncronos son los motores de CA trifásicos de estado estacionario más utilizados, que convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Este tipo de motor funciona a velocidad sincrónica, que es constante y está sincronizada con la frecuencia de alimentación y el periodo de rotación es igual al número integral de ciclos de CA. Esto significa que la velocidad del motor es igual al campo magnético giratorio. Este tipo de motor se utiliza principalmente en los sistemas de potencia para mejorar el factor de potencia. Existen motores síncronos no excitados y excitados por corriente continua, que funcionan según la potencia magnética del motor. Los motores de reluctancia, los motores de histéresis y los motores de imanes permanentes son los motores síncronos no excitados. Este artículo trata del funcionamiento de un motor síncrono de imanes permanentes.

¿Qué es un motor síncrono de imanes permanentes?

Los motores síncronos de imanes permanentes son uno de los tipos de motores síncronos de corriente alterna, en los que el campo es excitado por imanes permanentes que generan un EMF sinusoidal. Contiene un rotor y un estator iguales a los de un motor de inducción, pero se utiliza un imán permanente como rotor para crear un campo magnético. Por lo tanto, no es necesario el bobinado de campo en el rotor. También se conoce como motor de onda sinusoidal permanente sin escobillas de 3 fases. El diagrama del motor síncrono de imanes permanentes se muestra a continuación.

Teoría del motor síncrono de imanes permanentes

Los motores síncronos de imanes permanentes son muy eficientes, no tienen escobillas, son muy rápidos, seguros y ofrecen un alto rendimiento dinámico en comparación con los motores convencionales. Producen un par suave, poco ruido y se utilizan principalmente para aplicaciones de alta velocidad como la robótica. Es un motor síncrono de CA trifásico que funciona a velocidad síncrona con la fuente de CA aplicada.

En lugar de utilizar bobinas para el rotor, se montan imanes permanentes para crear un campo magnético giratorio. Como no hay suministro de fuente de corriente continua, este tipo de motores son muy sencillos y de menor coste. Contiene un estator con 3 devanados instalados en él y un rotor con un imán permanente montado para crear los polos del campo. La alimentación de CA de entrada trifásica se da al estator para que empiece a funcionar.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del motor síncrono de imanes permanentes es similar al del motor síncrono. Depende del campo magnético giratorio que genera la fuerza electromotriz a velocidad sincrónica. Cuando el devanado del estator se energiza mediante la alimentación trifásica, se crea un campo magnético giratorio entre los entrehierros.

Esto produce el par cuando los polos del campo del rotor mantienen el campo magnético giratorio a velocidad sincrónica y el rotor gira continuamente. Como estos motores no son motores de arranque automático, es necesario proporcionar una fuente de alimentación de frecuencia variable.

Ecuación de EMF y par

En una máquina síncrona, el CEM medio inducido por fase se denomina CEM dinámico inducido en un motor síncrono, el flujo cortado por cada conductor por revolución es Pϕ Weber
Entonces el tiempo que se tarda en completar una revolución es de 60/N seg

El CEM medio inducido por conductor puede calcularse utilizando

( PϕN / 60 ) x Zph = ( PϕN / 60 ) x 2Tph

Donde Tph = Zph / 2

Por tanto, el CEM medio por fase es

= 4 x ϕ x Tph x PN/120 = 4ϕfTph

Donde Tph = nº. De vueltas conectadas en serie por fase

ϕ = flujo/polo en weber

P= nº de polos De polos

F= frecuencia en Hz

Zph= nº. De conductores conectados en serie por fase. = Zph/3

La ecuación del CEM depende de las bobinas y los conductores del estator. Para este motor, también se considera el factor de distribución Kd y el factor de paso Kp.

Por lo tanto E = 4 x ϕ x f x Tph xKd x Kp

La ecuación del par de un motor síncrono de imanes permanentes viene dada por

T = (3 x Eph x Iph x sinβ) / ωm

Control directo del par del motor síncrono de imanes permanentes

Para controlar el motor síncrono de imanes permanentes, utilizamos diferentes tipos de sistemas de control. Dependiendo de la tarea, se utiliza la técnica de control necesaria. Los diferentes métodos de control del motor síncrono de imanes permanentes son,

Categoría sinusoidal

• Escalar
• Vectorial: Control orientado al campo (FOC) (con y sin sensor de posición)
• Control de par directo

Categoría Trapezoidal

• Bucle abierto
• Bucle cerrado (con y sin sensor de posición)

La tecnología de control de par directo de este motor es un circuito de control muy sencillo con un rendimiento dinámico eficaz y un buen rango de control. No requiere ningún sensor de posición para el rotor. La principal desventaja de utilizar este método de control es que produce un par elevado y una ondulación de la corriente.

Construcción

El construcción del motor síncrono de imanes permanentes es similar al motor síncrono básico, pero la única diferencia está en el rotor. El rotor no tiene ningún devanado de campo, pero los imanes permanentes se utilizan para crear polos de campo. Los imanes permanentes utilizados en el PMSM están formados por samario-cobalto y medio, hierro y boro debido a su mayor permeabilidad.

El imán permanente más utilizado es el de neodimio-boro-hierro por su coste efectivo y su fácil disponibilidad. En este tipo, los imanes permanentes se montan en el rotor. En función del montaje del imán permanente en el rotor, la construcción de un motor síncrono de imanes permanentes se divide en dos tipos. Estos son,

PMSM de montaje superficial

En esta construcción, el imán se monta en la superficie del rotor. Es adecuado para aplicaciones de alta velocidad, ya que no es robusto. Proporciona un entrehierro uniforme porque la permeabilidad del imán permanente y del entrehierro es la misma. No tiene par de reluctancia, tiene un alto rendimiento dinámico y es adecuado para dispositivos de alta velocidad como la robótica y los accionamientos de herramientas.

PMSM enterrado o PMSM interior

En este tipo de construcción, el imán permanente está incrustado en el rotor, como se muestra en la figura siguiente. Es adecuado para aplicaciones de alta velocidad y consigue robustez. El par de reluctancia se debe a la saliencia del motor.

Funcionamiento del motor síncrono de imanes permanentes

El funcionamiento del motor síncrono de imanes permanentes es muy sencillo, rápido y eficaz en comparación con los motores convencionales. El funcionamiento del PMSM depende del campo magnético giratorio del estator y del campo magnético constante del rotor. Los imanes permanentes se utilizan como rotor para crear un flujo magnético constante, funciona y se bloquea a velocidad sincrónica. Estos tipos de motores son similares a los motores de corriente continua sin escobillas.

Los grupos de fasores se forman uniendo los devanados del estator entre sí. Estos grupos fasoriales se unen para formar diferentes conexiones como una estrella, un triángulo, fases dobles y simples. Para reducir las tensiones armónicas, los devanados deben enrollarse poco entre sí.

Cuando la alimentación de CA trifásica llega al estator, crea un campo magnético giratorio y el campo magnético constante se induce debido al imán permanente del rotor. Este rotor funciona en sincronismo con la velocidad sincrónica. Todo el funcionamiento del PMSM depende del entrehierro entre el estator y el rotor en vacío.

Si el entrehierro es grande, se reducen las pérdidas de viento del motor. Los polos de campo creados por el imán permanente son salientes. Los motores síncronos de imanes permanentes no son motores de autoarranque. Por tanto, es necesario controlar electrónicamente la frecuencia variable del estator.

Motor síncrono de imanes permanentes vs. BLDC

Las diferencias entre el motor síncrono de imanes permanentes (PMSM) y el BLDC (motores de corriente continua sin escobillas) son las siguientes

Ventajas

El ventajas del motor síncrono de imanes permanentes incluyen,

• proporciona una mayor eficiencia a altas velocidades
• disponible en tamaños pequeños en diferentes envases
• el mantenimiento y la instalación es muy fácil que un motor de inducción
• capaz de mantener todo el par a bajas velocidades.
• alta eficiencia y fiabilidad
• proporciona un par motor suave y un rendimiento dinámico

Desventajas

Las desventajas de los motores síncronos de imanes permanentes son

• Este tipo de motores son muy caros en comparación con los motores de inducción
• En cierto modo, son difíciles de poner en marcha porque no son motores autoarrancables.

Aplicaciones

Las aplicaciones de los motores síncronos de imanes permanentes son,

• Acondicionadores de aire
• Frigoríficos
• Compresores de CA
• Las lavadoras, que son de accionamiento directo
• Dirección asistida eléctrica para automóviles
• Máquinas-herramienta
• Grandes sistemas de energía para mejorar el factor de potencia principal y el factor de potencia secundario
• Control de la tracción
• Unidades de almacenamiento de datos.
• Servoaccionamientos
• Aplicaciones industriales como la robótica, la industria aeroespacial y muchas más.

Por tanto, se trata de una visión general del motor síncrono de imanes permanentes - definición, funcionamiento, principio de funcionamiento, diagrama, construcción, ventajas, inconvenientes, aplicaciones, emf y ecuación del par. Aquí tienes una pregunta: "¿Para qué sirve el imán permanente en los motores síncronos?