Los motores síncronos se utilizan frecuentemente en el campo de los motores eléctricos para aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad. La frecuencia de la fuente de alimentación y el número de polos del motor determinan la velocidad síncrona, o velocidad constante, a la que funcionan estos motores.
Este artículo busca ofrecer una comparación detallada de estos dos tipos de motores, destacando sus diferencias, ventajas, desventajas y aplicaciones típicas.
Descripción general de los motores síncronos
Los motores eléctricos que giran a una velocidad exactamente proporcional a la frecuencia de alimentación se conocen como motores síncronos. A diferencia de los motores de inducción, que requieren deslizamiento para funcionar, los motores síncronos no lo experimentan, lo que significa que funcionan a una velocidad constante en condiciones estables. Estos motores pueden ser excitados o no excitados, según el método utilizado para energizar el rotor.
Motores síncronos excitados
Los motores síncronos excitados son el tipo tradicional, en el que el rotor requiere excitación externa (un campo magnético) para funcionar. Esta excitación se proporciona generalmente a través de un sistema de excitación de CC independiente, que a menudo utiliza anillos colectores y escobillas. El motor genera par energizando los devanados del rotor con una fuente de alimentación externa.
Motores síncronos no excitados
Por el contrario, la excitación externa no es necesaria para los motores síncronos no excitados. Estos motores no requieren anillos colectores ni una fuente de alimentación de CC, ya que el rotor puede ser de imán permanente o de reluctancia. Dependiendo del diseño del rotor, estos motores también se conocen como motores síncronos de reluctancia o motores síncronos de imanes permanentes (PMSM).
Diferencias clave entre motores síncronos excitados y no excitados
La principal diferencia entre los motores síncronos excitados y no excitados radica en cómo generan el campo magnético del rotor. A continuación, los comparamos en función de varios factores:
| Factor | Motores síncronos no excitados | Motores síncronos excitados |
| Tipo de rotor | Imán permanente o reluctancia | Rotor bobinado con excitación externa |
| Sistema de excitación | No requiere excitación externa | Requiere un sistema de excitación de CC externo |
| Complejidad | Diseño más simple | Más complejo debido a componentes de excitación externos |
| Eficiencia | Mayor eficiencia, sin pérdidas en el sistema de excitación | Eficiencia ligeramente inferior por pérdidas en el sistema de excitación |
| Control | Adecuado para aplicaciones que requieren control menos preciso | Proporciona control preciso de velocidad y potencia |
| Mantenimiento | Requiere menos mantenimiento | Requiere mantenimiento debido a anillos rozantes y escobillas |
| Costo | Generalmente menor costo | Mayor costo por componentes adicionales (sistema de excitación) |
| Aplicaciones | Adecuado para variadores de velocidad y aplicaciones pequeñas | Ideal para grandes aplicaciones industriales que requieren alta precisión |
Comparación de sistemas de excitación
Motores Síncronos Excitados
Los motores síncronos excitados utilizan un sistema de excitación de CC externo para generar un campo magnético en el rotor. La potencia de excitación suele provenir de una fuente independiente, ya sea mediante escobillas y anillos colectores o mediante un excitador sin escobillas. Este sistema requiere supervisión y mantenimiento constantes, ya que los anillos colectores y las escobillas pueden desgastarse con el tiempo. El sistema de excitación también contribuye a un mayor consumo de energía, lo que reduce ligeramente la eficiencia del motor.
Motores Síncronos No Excitados
Los motores síncronos no excitados utilizan rotores de imanes permanentes o de reluctancia, que no requieren un sistema de excitación externo. Los motores de reluctancia funcionan con reluctancia variable, mientras que los motores síncronos de imanes permanentes (PMSM) requieren potentes imanes integrados en el rotor. Estos diseños eliminan la necesidad de un sistema de excitación externo, lo que resulta en una menor complejidad, menores costes de mantenimiento y una mayor eficiencia.
Eficiencia del motor
La eficiencia es un factor clave a la hora de elegir el motor adecuado para una aplicación. Comparemos la eficiencia de ambos tipos de motores:
- Motores síncronos excitados: Si bien estos motores son eficientes, sufren algunas pérdidas en el sistema de excitación. La corriente continua (CC) suministrada al rotor genera pérdidas de calor y aumenta el consumo de energía. La necesidad de un sistema de excitación independiente y la presencia de anillos rozantes también pueden generar pérdidas adicionales.
- Motores síncronos no excitados: Los motores síncronos sin excitación suelen ser más eficaces. Al no necesitar un sistema de excitación complejo y utilizar rotores de imanes permanentes o de reluctancia, estos motores experimentan menos pérdidas de energía. El acoplamiento directo entre el rotor y el campo del estator garantiza una mayor eficiencia.
Comparación de eficiencia:
| Tipo de motor | Eficiencia (%) |
| Motores síncronos excitados | 85–92 % |
| Motores síncronos no excitados | 92–98 % |
Costo y complejidad
Motores Síncronos Excitados
Los motores síncronos excitados suelen ser más caros debido a los componentes adicionales que requiere el sistema de excitación. La necesidad de escobillas, anillos colectores y una fuente de alimentación externa de CC incrementa tanto el coste inicial como el coste operativo. Además, la complejidad del motor implica un mayor número de piezas que podrían fallar, lo que conlleva mayores requisitos de mantenimiento.
Motores Síncronos No Excitados
Los motores síncronos no excitados son más fáciles de desarrollar y producir a un coste menor. Al no utilizar anillos colectores ni sistemas de excitación externos, estos motores son más económicos de producir y mantener. El uso de imanes permanentes o rotores de reluctancia elimina la necesidad de una fuente de alimentación adicional para el rotor, lo que reduce aún más el coste.
Aplicaciones
Motores Síncronos Excitados
Las aplicaciones que requieren un control preciso de la velocidad y el par, como generadores síncronos, centrales eléctricas y maquinaria industrial de gran tamaño, suelen utilizar motores síncronos excitados.
Son ideales para aplicaciones a gran escala, como bombas, compresores y variadores de velocidad de gran tamaño que requieren un par de arranque elevado y una velocidad constante en condiciones de carga variables.
Motores Síncronos No Excitados
Las aplicaciones que requieren alta eficiencia y sistemas más sencillos emplean motores síncronos no excitados, en particular motores síncronos de imanes permanentes (PMSM).
Estos motores se emplean ampliamente en robótica, aplicaciones automotrices (como vehículos eléctricos), sistemas de climatización (HVAC) y aplicaciones industriales a pequeña escala. Los PMSM son especialmente adecuados para variadores de velocidad gracias a su alta eficiencia y tamaño compacto.
Comparación de Aplicaciones:
| Tipo de motor | Aplicaciones comunes |
| Motores síncronos excitados | Maquinaria industrial grande, plantas de energía, generadores síncronos, bombas, compresores |
| Motores síncronos no excitados | Robótica, vehículos eléctricos, sistemas HVAC, aplicaciones industriales a pequeña escala, maquinaria de precisión |
Ventajas y desventajas
Ventajas de los motores síncronos excitados:
- Alto par de arranque: Los motores excitados son adecuados para aplicaciones con cargas pesadas, ya que pueden producir un alto par de arranque.
- Control preciso de velocidad: Son perfectos para aplicaciones donde la gestión exacta de la velocidad es crucial, ya que proporcionan un control de velocidad excepcional.
- Fiabilidad en grandes aplicaciones: Su capacidad para operar con cargas variables sin perder la sincronización los hace fiables en operaciones a gran escala.
Desventajas de los motores síncronos excitados:
- Complejidad: La necesidad de anillos colectores, escobillas y un sistema de excitación externo los hace más complejos.
- Mantenimiento: El sistema de excitación externo requiere un mantenimiento regular, lo que incrementa los gastos operativos y el tiempo de inactividad.
- Menor eficiencia: El sistema de excitación externo genera pérdidas de energía, lo que reduce la eficiencia general.
Ventajas de los motores síncronos no excitados:
- Alta eficiencia: Al no necesitar excitación externa, los motores sin excitación tienden a ser más eficientes.
- Menor mantenimiento: La eliminación de escobillas y anillos rozantes reduce los requisitos de mantenimiento.
- Simplicidad: Gracias a su facilidad de desarrollo y operación, estos motores son más rentables a largo plazo.
Desventajas de los motores síncronos no excitados:
- Par de arranque más bajo: Los motores no excitados generalmente tienen un par de arranque más bajo que los motores síncronos excitados.
- Control limitado: Estos motores pueden no ofrecer el mismo nivel de control de velocidad preciso que los motores excitados en ciertas aplicaciones.
- Limitaciones de tamaño: Debido a la dependencia de imanes permanentes o rotores de reluctancia, los motores no excitados pueden tener limitaciones de tamaño y potencia.
Conclusión
Tanto los motores síncronos excitados como los no excitados tienen su lugar en las aplicaciones industriales modernas. Los motores síncronos excitados son los preferidos en operaciones a gran escala y de alto par que requieren un control preciso y una velocidad constante bajo cargas variables. Sin embargo, estos motores conllevan mayores costos, mayor complejidad y requieren mayor mantenimiento.
Los motores síncronos no excitados, en particular los de imanes permanentes, ofrecen alta eficiencia, un diseño más sencillo y menores costos de mantenimiento. Son ideales para aplicaciones de menor escala o que requieren control de velocidad variable con menor énfasis en el par de arranque.
En definitiva, la elección entre motores síncronos excitados y no excitados depende de las necesidades específicas de la aplicación, incluyendo el costo, la eficiencia, el par, la precisión del control y los requisitos de mantenimiento. Comprender las diferencias entre estos dos tipos de motores ayuda a seleccionar el motor adecuado para cada trabajo, optimizando el rendimiento y reduciendo los costos operativos.
