GENERADOR Y MOTOR SINCRÓNICO

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Laboratorio de Máquinas Eléctricas 
GENERADOR Y MOTOR SINCRÓNICO
INTRODUCCIÓN 
En el presente informe se abordará el tópico de máquinas síncronas (o sincrónicas) 
trifásicas. Se hablará sobre los principios de operación de una máquina síncrona, 
enfocada a su función como generador, junto con sus aspectos teóricos de 
funcionamiento.
Una máquina sincrónica cuenta con una estructura similar a la de un motor de 
inducción, al tener un conjunto de bobinas en el estator, las cuales “encapsulan” a las 
bobinas del rotor. La característica principal de la máquina síncrona es que en ella cual
el rotor gira a una velocidad igual a la velocidad síncrona. Esto en comparación a un 
motor de inducción, en el cual existe un deslizamiento que causa que el eje gire a 
menor velocidad que la velocidad síncrona.
Otra diferencia con los motores de inducción es que estos cuentan con un embobinado
de estator por el cual circula una corriente alterna, la cual induce una FEM en el 
embobinado de rotor, produciendo un torque producto del as interacciones de los 
campos magnéticos, mientras que una máquina síncrona genera un campo magnético 
en su rotor (Ya sea mediante imanes permanentes o por una corriente continua 
circulando por el embobinado cortocircuitado). Al aplicar un torque sobre el rotor, el 
campo magnético inducirá un voltaje en el estator, funcionando así como un 
generador. Si en lugar de eso se alimenta el estator con una corriente alterna, la 
máquina funcionará como motor. Vale destacar que la aplicación más común de las 
máquinas sincrónicas es como generadores, con el torque del eje proviniendo de 
turbinas accionadas por vapor, caídas de agua, o mediante la quema de combustibles.
OBJETIVOS
Conocer los aspectos constructivos de las maquina sincrónica.
Indagar cómo funciona la maquina sincrónica como motor y como generador.
Ver los requisitos para sincronizar la maquina sincrónica con la red eléctrica.
Investigar la curva V de la maquina sincrónica.
MARCO TEÓRICO
La máquina síncrona como motor
Como se mencionó anteriormente que una máquina síncrona puede funcionar tanto 
como motor como generador, dependiendo si lo que se hace es aplicar una fuerza 
mecánica sobre su eje, o una fuerza eléctrica sobre su estator.
En ambos casos se cuenta con un campo magnético en el rotor, llamado campo de 
excitación y comúnmente producido mediante una fuente de voltaje DC conectada a 
un embobinado en el rotor, siendo los imanes permanentes utilizados para 
aplicaciones de menor calibre.
Al alimentarse el embobinado del estator con una corriente alterna trifásica, se 
producirá un campo magnético rotatorio que girará a velocidad síncrona n:
n=120 f
p
n=velocidad síncrona de lamáquina en RPM .
f=frecuencia de lacorriente dealimentación .
p=númerode polos del estator .
Este campo magnético rotatorio interactúa con el campo de excitación, produciendo un
torque y un movimiento rotatorio. Recordemos que el motor de inducción no podía 
girar a velocidad síncrona, ya que esto implica que al no haber variación de campo 
magnético percibido en el rotor, no se induciría una corriente y finalmente no habría 
torque. Dado que el motor síncrono no depende de la inducción de corriente, el eje 
puede girar a la misma velocidad de este campo magnético rotatorio.
 Dado el motor sincrónico, con su factor de potencia igual a cero, en atraso y en 
adelanto. Se muestra los diagramas fasoriales:
La máquina síncrona como generador
Si en lugar de alimentar nuestra máquina con corriente trifásica para que funcione 
como motor, aplicamos un torque sobre el eje, estaremos en presencia de un 
generador síncrono. El campo magnético fijo del rotor pasará a ser ahora un campo 
magnético rotatorio. Las espiras del estator, al estar fijas con respecto a este campo, 
percibirán una variación del campo magnético y se generará una FEM inducida, 
obteniendo así voltaje a partir de una acción mecánica.
Hay dos formas de trabajar con un generador síncrono: Alimentando una carga 
independientemente, o suministrando potencia activa y reactiva al estar conectado a 
una red mayor.
Generador síncrono independiente
Al hacer funcionar una máquina síncrona como un generador independiente de una 
red eléctrica, se obtendrá un voltaje trifásico cuya frecuencia se puede deducir de la 
fórmula de la velocidad síncrona.
f= p∗n
120
Entonces, por ejemplo, para obtener un voltaje trifásico con una frecuencia de 50 Hz 
(Frecuencia utilizada en Chile), con una máquina de 8 polos, es necesario que su eje 
gire a una velocidad constante de 750 RPM. Nótese que las variables n y s son 
inversamente proporcionales, por lo que máquinas con un enorme número de polos 
requieren una muy baja velocidad de rotor para generar una frecuencia deseada, 
mientras que las máquinas con pocos polos van a necesitar de mayor velocidad.
Una vez controlada la frecuencia del voltaje inducido en el estator, es necesario 
regular su intensidad. Esto se puede realizar al modificar la corriente de excitación del 
rotor. Una corriente más alta generará un campo magnético mayor, lo que a su vez 
inducirá un voltaje más alto. Y viceversa, una corriente de excitación menor induce 
voltajes más bajos.
Vale la pena destacar que la intensidad del voltaje generado se puede modificar 
mediante la variación de la velocidad de rotación del eje. Una mayor velocidad de giro 
va a producir un cambio más abrupto de campo magnético en el devanado del estator,
produciendo así un mayor voltaje. Sin embargo, en caso de que se requiera un voltaje 
con una frecuencia específica, es imposible alterar la velocidad de rotación del eje sin 
modificar la frecuencia del voltaje resultante, por lo que la única opción disponible es 
modificar el campo de excitación del generador.
Generador síncrono acoplado a una red eléctrica mayor
En caso de que se quiera conectar un generador síncrono a una red eléctrica ya 
instalada, hay que tener en cuenta que la frecuencia de operación y el voltaje 
generado va a estar dictado por la red eléctrica a la cual se va a acoplar el generador. 
Su única función va a ser suministrar potencia tanto activa como reactiva.
Dependiendo, del factor de potencia de este, se darán 3 casos para los 
diagramas fasoriales que corresponden a un generador sincrónico: factor de potencia 
igual a cero, en atraso y en adelanto.
Si se añaden cargas de potencia reactiva inductivas a un generador, el Voltaje de 
campo y el voltaje en los terminales Vt decrecen significativamente.
En el caso de se añadan cargas de potencia reactiva capacitivas a un generador, el 
voltaje de campo y el voltaje de terminal aumentaran.
Para poder conectar el generador a la red es necesario llevar a cabo lo que se conoce 
como la sincronización, es decir, los fasores de voltaje del motor han de estar en 
sincronía con los de la red eléctrica. Esto implica:
-Igual frecuencia.
-Igual amplitud de voltaje.
-Igual secuencia.
Además de estas variables, es necesario que al momento de realizar la conexión a la 
red eléctrica, el desfase entre los fasores de voltaje de la red y los fasores de voltaje 
del generador estén con el menor desfase posible. Estas cuatro condiciones deben 
cumplirse con el fin de evitar producir daños de gran magnitud al generador (Pudiendo 
llegar a la destrucción de este), junto con evitar posibles daños al personal trabajando 
con la máquina.
La igualación de la frecuencia del generador se lleva a cabo regulando la velocidad de
giro del eje, teniendo en cuenta el número de polos del generador. Es imperativo que 
esta frecuencia se mantenga estable con un margen de variación mínimo para no 
producir desperfectos durante el funcionamiento del generador.
La amplitud del voltaje se modifica controlando la intensidad de la corriente de 
excitación que circulará por el devanado del rotor.
Para los dos últimos puntos (la igualación de la secuencia y el desfase entre los 
fasores de generador y red), se puede utilizar un dispositivo llamado lámpara síncrona,
el cual consistesimplemente en un conjunto de tres ampolletas, cada una conectada 
con uno de sus terminales en una fase de la red y el otro terminal con la fase 
correspondiente del generador. Mientras mayor sea la diferencia del ángulo entre 
estos voltajes, más iluminará la lámpara, mientras que cuando los fasores estén 
sincronizados la lámpara se apagará.
Después de realizar la conexión de la lámpara primero es necesario prestar atención 
al patrón de prendido y apagado de sus luces. Si las luces se prenden y apagan al 
unísono, significa que el generador y la red cuentan con la misma secuencia. Si las 
luces parpadean alternadamente, es necesario modificar la secuencia del generador 
cambiando su conexión.
Finalmente, el último paso es realizar la conexión del generador a la red. Esto se hace 
ubicando un interruptor entre ambos. Dicho interruptor debe ser cerrado en el 
momento justo en el que todas las luces de la lámpara de sincronismo estén 
apagadas, indicando que el desfase entre generador y red es mínimo.
Ya que existen 4 posibles situaciones al conectar el generador a la red eléctrica, aquí 
se puede apreciar su correspondiente diagramas fasoriales:
Situación 1: Voltajes diferentes, pero frecuencia y secuencia iguales.
 
En esta condición, las lámparas tendrán un brillo constante e igual para todas.
Situación 2: Frecuencias diferentes, pero voltajes y secuencia iguales.
 
Las lámparas tendrán un brillo variado, igual para todas. Las lámparas encenderán y 
apagarán a la frecuencia w R.
 
Situación 3: La secuencia de fase es incorrecta, todo lo demás está correcto.
 
Ante este caso las lámparas tendrán un brillo diferente cada una debido a 
la inversión de fases.
Situación 4: La fase no es igual, pero voltaje, frecuencia, y secuencia de fase, 
idénticas.
 
 
Aquí las lámparas encenderán y apagarán con la misma intensidad todas a la 
frecuencia ws.
Curvas v 
Trabajando con la potencia reactiva, si hacemos trabajar el motor a potencia en el eje 
constante (No se modifica la carga acoplada al mismo), y como la tensión de 
alimentación de la red de suministro es constante, se cumple:
Partiendo de estas condiciones, la única posibilidad de modificación en la máquina es 
su corriente de excitación, y si analizamos el diagrama fasorial correspondiente, 
vemos que el extremo del fasor que representa EF se mantiene sobre una recta 
horizontal y el extremo de la corriente del estator sobre una recta vertical. Partamos 
nuestro análisis, tomando una corriente de excitación tal que la fem en el estator tiene 
el valor EF con lo que el motor absorbe corriente en atraso con un ángulo ϕ, Si ahora 
se aumenta dicha corriente de excitación, aumenta la fem al valor EF1, y la caída de 
tensión en la reactancia sincrónica será j XS I1, la corriente estatórica debe estar a 90°
de esta y pasa a ocupar la posición I1 (disminuye su valor ya que disminuye la 
potencia reactiva del motor). Si ahora pasamos a una corriente de excitación mayor tal
que provoque la EF2, haciendo el mismo análisis la corriente estatórica ocupa la 
posición I2 , en fase con la tensión, lo cual indica que no hay potencia reactiva en 
juego, y el valor de la corriente estatórica toma su valor mínimo, para la potencia activa
que se analiza. Si volvemos a aumentar la corriente de excitación la fem toma el valor 
EF3, y en este caso la corriente estatórica vuelve a aumentar su valor (I3), pero la 
misma adelanta a la tensión de la red, con lo cual toma potencia reactiva capacitiva.
De aquí se concluye que el motor trabajando a potencia activa constante, o sea a 
velocidad y cupla constante, variando la excitación del mismo se puede hacer que la 
máquina se comporte como un inductor o un capacitor a los efectos de la red de 
suministro eléctrico. Debido a eso se puede utilizar la máquina como un compensador 
de potencia reactiva. Al contrario del generador, el motor trabajando subexcitado 
absorbe potencia reactiva inductiva y sobreexcitado potencia reactiva capacitiva. Si 
efectuamos un gráfico en el cual llevamos en ordenadas la corriente estatórica y en 
abscisas la corriente de excitación correspondiente, lo que se obtiene es lo que se 
llama curva “V” de la máquina, lo cual se observa en la figura de más abajo, para 
distintas potencias activas. En dicha figura se puede observar que con factor de 
potencia unitario la corriente que toma el motor es mínima, y ese valor es el que fija si 
la máquina está subexcitada o sobreexcitada. Este mínimo se desplaza hacia la 
derecha a medida que se incrementa la potencia en el eje de la máquina. Los límites 
inferiores de la corriente de excitación están determinados por la obtención de un 
campo magnético muy débil, lo cual hace que la máquina funcione en forma inestable. 
Los límites superiores están limitados por el valor excesivo de la corriente estatórica, 
que puede ocasionar calentamiento excesivo.
 MATERIALES UTILIZADOS
Listado de instrumentos y equipos utilizados en el laboratorio:
Multitéster Fluke “79 serie ll multimeter”: 
Función Rango Resolución Precisión
V en AC 0 a 4,000 V
0 a 40,00 V
0 a 400,0 V
0,001 V
0,01 V
0,1 V
±(1,9%+2)
±(1,0%+2)
±(1,0%+2)
Resistencia 0 a 400,0 Ω 0,1 Ω ±(0,4%+2)
Chicotes
Chicotes Canadá
2 Voltímetro 
Nudos.
Juego de bananas
Generador sincrónico, Electrolab EC 609-16K
Maquina DC EC609-21, Electrolab
Carga Resistiva EC606-01, Electrolab
Lámpara síncrona
2 frecuencímetros
DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA
Circuito de trabajo 
Fig.: Esquema compacto
Fig.: Esquema detallado
Para armar el experimento acoplo una maquina sincrónica y maquina motriz DC, de tal
forma de que estos estuvieran unidos en uno de sus extremos.
Usando de base este esquema, se dispuso los instrumentos de la manera expuesta 
en el circuito de trabajo.
Con el objetivo de simplificar las mediciones se utilizó una plantilla colocada encima de
un panel externo al motor. De esta forma se evita hacer conexiones extras al mismo 
generador y tomar muestras mientras este esté en funcionamiento.
Se prueba la maquina sincrónica como motor y como generador.
Como generador, se busca sincronizar este a la red de energía.
Se habla sobre la curva V de la maquina sincrónica. 
Medir la Resistencia ohmica de los enrollados de armadura y de campo.
Se midieron las resistencias de los devanados que conforman los enrollados de 
armadura 
T1 – T4 = 4.1Ω
T2 – T5 = 4.1Ω
T3 – T6 = 4.1Ω
Prueba de Vacío
Para la prueba de vacío se procedió a medir el voltaje del generador como circuito 
abierto es decir sin carga en su eje, a una velocidad constante de 1500 rpm en el rotor.
Para así medir los valores de la corriente de excitación en contraste con los valores del
voltaje en los bornes de la maquina actuando como generador.
Vg [V] Iex [A]
0 0
41 0,2
101 0,4
144 0,6
190 0,8
220 1
244 1,2
259 1,4
Prueba de corto circuito 
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
0
50
100
150
200
250
300
41
101
144
190
220
244
259
Prueba de vacio
Vg
Para la prueba de corto circuito el procedimiento consistió en cortocircuitar los bornes 
del generador para así medir la corriente de excitación de la maquina en contraste a la
corriente de campo (Igenerador). Al igual que el ensayo anterior se realiza a un 
velocidad constate de 1500 RPM.
Iex 
[A] Igenerador [A]
0,05 0,3
0,125 0,65
0,18 0,93
0,25 1,23
0,3 1,51
0,35 1,82
0,41 2,11
0,47 2,42
0,54 2,7
0,6 3
0.3 0.65 0.93 1.23 1.51 1.82 2.11 2.42 2.7 3
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Prueba de corto circuito
Iex
Obtención del circuito equivalente 
para la obtención del circuito equivalente se deben obtener los valores de la reactancia
sincrónica y de la resistencia efectiva, en base a las pruebas de vacío y cortocircuito.
Resistencia efectiva
Con el promedio de las resistencias medidas en cada enrollado obtenemos Ra
Ra=
RT 1−T 4+RT 2−T 5+RT 3−T 6
3∗2
=4,1+4,1+4,1
6
=2,05 [Ohms ]
Reactancia sincrónica
Es el cociente entre el voltaje de armadura en la prueba de vacío y la corriente de 
armadura en la pruebade cortocircuito, para un valor constante de corriente de 
excitación para ambas pruebas.
I campo=0,6 [A ]
X s=
V o
Ia
=144
3
=48 [Ω ]
Parámetros en [pu]
Impedancia base ZB=
V Nominal
INominal
=220
3
=73,33[Ω ]
Por lo tanto, los valores por unidad de la máquina sincrónica son:
X s ( pu )=
X s
ZB
= 48
73,33
=0,655 [ pu ]
Ra ( pu )=
Ra
Z B
= 2,05
73,33
=0,028 [ pu ]
Circuito equivalente
Sincronizar la maquina a la red.
Se procedió a conectar la maquina sincrónica utilizada como generador a la red 
eléctrica, es decir, se sincronizó.
Para realizar la sincronización se hizo operar el generado a una velocidad de 1500 
[RPM], luego se aumentó la excitación del generador hasta tener 220 [V] en la 
armadura. Se tuvo cuidado de que la secuencia de la red coincidiese con la secuencia 
del generador.
Luego se observaron las lámparas y se esperó hasta que todas estas estuviesen 
apagadas para cerrar el circuito y sincronizar la maquina con la red
Funcionamiento como motor síncrono 
Una vez terminando el estudio de la maquina síncrona actuando como generador se 
procedió a hacerle funcionar como motor, para ello se alimentó el rotor por medio de 
una maquina corriente continua y el estator fue alimentado por una fuente variable 
trifásica. 
Para la maquina actuando como motor y para poder observar las curvas en V se 
procedió a medir la potencia reactiva, la potencia activa, la corriente de armadura, la 
corriente de excitación y el ángulo del factor de potencia.
P [Watts] Q [Var] Iex [A] Ia [A] φ [°]
200 850 3 3,0 100
180 720 4 2,5 100
160 580 5 2,0 104
140 440 5,2 1,5 105
120 280 8 1,0 105
120 100 9 0,5 -
100 230 12 1 250
100 260 13 1,5 250
110 480 14 2,0 250
120 690 15 2,5 200
120 760 16 3,0 200
En esta toma de datos se puede observar que a medida que se aumenta la corriente 
de excitación llega un punto donde cambia el sentido del ángulo de factor de potencia 
es decir hay un punto donde el motor pasa de entregar potencia reactiva a consumirla.
El punto de inflexión en donde el ángulo cambia de sentido es cuando el FP 1 es decir 
para un ángulo 0°. Esta más que ser una medición acuciosa fue netamente de carácter
observativo y para hacer énfasis en que el motor puede actuar como condensador 
sincrónico, no solo actúa como consumidor potencia reactiva. En esta medición si es 
realizada de manera más detallada es la que una vez tabulada y graficada nos entrega
las curvas en V.
Conclusión
Se logró identificar las características físicas de la maquina síncrona de utilizada 
durante la experiencia, se visualizaron las partes que componen la armadura, la forma 
en que está construido y como están distribuidos los enrollados en el eje, también se 
observaron los anillos que tiene el eje para recibir la alimentación externa de corriente 
continua para generar el campo magnético necesario para que al girar el eje se pueda 
inducir corriente en la armadura. 
Se pudo visualizar mediante mediciones de potencia activa y reactiva el 
funcionamiento de la maquina sincrónica como motor y como generador. Se hace 
especial énfasis en como esta máquina puede ser utilizada como “condensador 
síncrono” para corregir el factor de potencia cuya potencia reactiva depende de la 
sobreexcitación de la máquina y como da la posibilidad de ser programado para 
mantener un buen factor de potencia dependiendo de la cantidad de máquinas 
utilizadas en alguna industria
Se consiguió satisfactoriamente sincronizar la maquina sincrónica a la red mediante el 
método de las “lámparas apagadas” que nos señala que en el momento en que todas 
las lámparas estén apagadas, se puede conectar el generador a la red de 
alimentación. Se tiene que tener cuidado de tener frecuencia, tensión y secuencia 
iguales a la red ya que de otro modo la maquina puede sufrir graves daños al ser 
conectada a una red de “tensión infinita” 
A diferencia del motor de inducción la maquina sincrónica actuando como motor puede
entregar y consumir potencia reactiva. Aunque esta máquina no es muy utilizada como
motor esta característica antes mencionada se puede tener en consideración a la hora 
de generar alguna solución a nivel industrial.