Prueba de aplicación de campo en máquinas sincrónicas: controles y curva en V

Qué es

Un motor sincrónico arranca como motor de inducción, con ayuda de los devanados amortiguadores del rotor, y solo después se energiza su devanado de campo con corriente continua para que el rotor se enganche con el campo giratorio del estator. El sistema de excitación que lo hace posible es lo que examinan las pruebas de aplicación de campo. Incluye la excitatriz o el rectificador que alimenta el campo, el control que fija la corriente de campo, los circuitos de temporización y de detección de deslizamiento que deciden cuándo aplicar el campo, la resistencia de descarga y los dispositivos semiconductores de conmutación que protegen el devanado de campo durante el arranque, y la protección por factor de potencia o por pérdida de sincronismo. Las pruebas se realizan en motores sincrónicos, ya sean con escobillas y anillos rozantes o sin escobillas con excitatriz giratoria, y las verificaciones relacionadas con el campo figuran en las normas de aceptación y mantenimiento como parte de la secuencia de la máquina sincrónica. Algunas de ellas, como los semiconductores de aplicación de campo, el disparo del relé de factor de potencia y la curva en V, están marcadas como opcionales, de modo que la especificación del proyecto y la importancia de la máquina determinan cuántas se incluyen.

Por qué se realiza

Si el campo se aplica en el momento equivocado, el motor puede entrar en sincronismo con una violenta pulsación de par, no sincronizarse en absoluto o perder un polo una vez cargado. Cualquiera de estas situaciones puede sacudir la máquina y el equipo accionado, dañar acoples, calentar los devanados amortiguadores y disparar la alimentación. Una corriente de campo incorrecta también es costosa: poca excitación debilita la capacidad de la máquina de mantenerse en sincronismo cuando la carga se dispara, y demasiada recalienta el devanado de campo y desperdicia energía en forma de corriente reactiva que fluye de la máquina al sistema. Los componentes de descarga del campo o los semiconductores de conmutación que fallan pueden exponer el devanado de campo a tensiones dañinas durante el arranque, y un relé de factor de potencia que no dispara cuando debe deja al motor libre de salir de sincronismo. Probar estas funciones en la puesta en servicio demuestra que toda la cadena de excitación se instaló y ajustó correctamente, y repetir las verificaciones en el mantenimiento detecta ajustes desviados, componentes envejecidos y contactos contaminados antes de que interrumpan la producción.

El principio

Una máquina sincrónica solo desarrolla un par estable cuando el rotor gira exactamente a la velocidad del campo giratorio del estator, y eso requiere que el rotor tenga su propio campo magnético, suministrado por corriente continua en el devanado de campo. Durante el arranque, la máquina acelera como motor de inducción y el devanado de campo se pone en cortocircuito o se conecta a través de una resistencia de descarga para protegerlo de las tensiones inducidas por el deslizamiento. A medida que el rotor se acerca a la velocidad sincrónica, la frecuencia de deslizamiento baja y el control lo detecta, ya sea por la frecuencia de la corriente inducida en el campo o mediante temporizadores, y aplica el campo en un instante favorable. Entonces el rotor entra en sincronismo. Una vez sincronizado, la corriente de campo gobierna el comportamiento reactivo de la máquina: con el campo por encima de la excitación normal, el motor suministra potencia reactiva al sistema y opera con factor de potencia adelantado, y con el campo reducido, consume potencia reactiva. Al graficar la corriente del estator frente a la corriente de campo a carga constante se obtiene la característica curva en forma de V, cuyo fondo marca la condición de factor de potencia unitario. El relé de factor de potencia se basa en la misma idea, y usa el cambio de factor de potencia que acompaña a la pérdida de sincronismo como señal de disparo.

Cómo se realiza

Las verificaciones comienzan con la máquina y su equipo de excitación aislados y desenergizados, y con el circuito de campo comprobado libre de energía almacenada. Se examina que la alimentación de la excitatriz tenga la fuente de tensión y la polaridad correctas, y se verifica el ajuste de la corriente de campo frente al valor del fabricante, con el amperímetro de campo o un instrumento calibrado, una vez que la máquina está en marcha. Los temporizadores que gobiernan la aplicación del campo, y los del relé de factor de potencia, se comprueban con un equipo de prueba o observando la operación durante los arranques, para confirmar que la secuencia sigue el diseño. Los semiconductores de aplicación de campo, como tiristores o diodos de los circuitos de descarga y control, se prueban para verificar que conducen en el sentido correcto y bloquean en el otro, con el circuito de campo aislado según lo exija el manual del instrumento. El relé de factor de potencia puede probarse simulando la condición que vigila, con un equipo de prueba de relés o mediante una operación controlada de la máquina. Para la curva en V, la máquina opera bajo una carga estable mientras se varía la corriente de campo por pasos y se registra la corriente del estator en cada ajuste, siempre dentro de los límites térmicos y de estabilidad de la máquina. Cada paso exige coordinación con operaciones y atención a los peligros de los equipos rotativos.

Qué se registra

El registro indica la identificación de la máquina y del equipo de excitación, la fuente de alimentación de la excitatriz y el ajuste de la corriente de campo encontrado y dejado. Documenta los ajustes de los temporizadores tal como se encontraron y como se dejaron y la secuencia de operación observada durante los arranques, el estado de los semiconductores de aplicación de campo y cómo se verificaron, y la respuesta del relé de factor de potencia, incluido el punto en que operó. Para una curva en V se conservan la condición de carga y las lecturas pareadas de campo y estator tomadas en cada paso, junto con los instrumentos usados y las condiciones ambientales. Se anotan las alarmas, los comportamientos inusuales durante la sincronización y las desviaciones respecto a la documentación del fabricante.

Cómo se juzgan los resultados

Los resultados se juzgan frente a la placa de datos de la máquina, la documentación del sistema de excitación y los valores de ajuste del fabricante, así como los requisitos aplicables de ANSI/NETA ATS-2025 y ANSI/NETA MTS-2023. El ajuste de la corriente de campo se compara con el valor del fabricante para la condición nominal. La operación de los temporizadores se juzga frente a la secuencia de diseño y a la tolerancia indicada para el dispositivo, y la operación del relé frente a su ajuste previsto y a su característica de disparo. Los semiconductores deben conducir y bloquear según el diseño, sin indicios de un dispositivo en cortocircuito o con fuga. Una curva en V se juzga por su forma y su coherencia con la curva esperada del fabricante, con el punto de corriente mínima coincidente con la condición de factor de potencia unitario, y en el mantenimiento por comparación con curvas anteriores tomadas con carga similar. Las desviaciones respecto a los ajustes o a resultados previos exigen ajuste o investigación. Las tolerancias específicas no se reproducen aquí; tómelas de las normas citadas y de los datos del fabricante de la máquina y de su excitatriz.

Variaciones

En la aceptación, las pruebas de aplicación de campo confirman que toda la cadena de excitación funciona según el diseño y establecen los ajustes y las curvas de referencia. En el mantenimiento, las verificaciones se repiten en un ciclo periódico o después de reparaciones, cambio de componentes o variaciones de la carga, con énfasis en los temporizadores, la operación del relé y el estado de los semiconductores, que pueden desviarse o degradarse. Las máquinas con escobillas añaden verificaciones de anillos rozantes, escobillas y del circuito de descarga del campo, mientras que las máquinas sin escobillas ubican los componentes de aplicación de campo en la excitatriz giratoria, por lo que deben examinarse durante una parada o con instrumentación giratoria, y algunas mediciones son solo indirectas. Las excitatrices estáticas alimentadas desde la red añaden verificaciones del rectificador y del control. La curva en V y el disparo del relé de factor de potencia son opcionales en las normas y se piden con más frecuencia en máquinas grandes o críticas, donde importan la confiabilidad del proceso y el factor de potencia.