4.2 Servomotoare asincrone bifazate

Răspândirea cvasi-generală a sistemului de distribuţie trifazat a făcut ca, în acţionările electrice de curent alternativ, maşinile asincrone să deţină un rol preponderent. Mai mult, avantajele pe care aceste maşini le prezintă, în ceea ce priveşte performanţele lor electrice, au făcut ca maşinile cu un număr de faze diferit de trei să fie puţin utilizate. În consecinţă, preocupările pentru impunerea utilizării unor astfel de maşini au fost prea puţin dezvoltate. Excepţie fac maşinile monofazate care prezintă marele avantaj că pot fi alimentate de la surse monofazate, deci pot fi utilizate şi pentru aplicaţii neindustriale. Însă, performanţele acestora sunt net inferioare în comparaţie cu cele ale maşinilor trifazate, în principal datorită câmpului magnetic din întrefier : câmp magnetic învârtitor, la maşinile trifazate respectiv câmp magnetic pulsatoriu, sau în unele cazuri eliptic, la maşinile monofazate.

Adoptarea unor maşini asincrone bifazate, pentru acţionările electrice, poate reprezenta o soluţie mai avantajoasă pentru unele aplicaţii. Acest lucru merită analizat din două perspective :

Posibilitatea înlocuirii, în acţionările electrice, a maşinilor asincrone trifazate cu maşini asincrone bifazate.

Posibilitatea înlocuirii, în acţionările electrice, a maşinilor asincrone monofazate cu maşini asincrone bifazate.

În ceea ce priveşte prima soluţie, la o analiză sumară, utilizarea maşinii bifazate pare dezavantajoasă. Mai întâi este vorba despre lipsa surselor de alimentare bifazate uzuale. Mai apoi apare problema armonicilor de ordin trei şi multiplu de trei ce se regăsesc în spectrul câmpului magnetic învârtitor din întrefier şi care duc, în general, la scăderea performanţelor energetice ale maşinii.

Ca urmare a utilizării tot mai accentuate a motoarelor asincrone în acţionări electrice cu turaţii variabile, prezenţa inevitabilă a convertoarelor cu elemente statice elimină practic legătura directă dintre maşina electrică şi reţeaua de alimentare. Prin urmare, dezavantajul legat de numărul diferit de faze al sursei de alimentare dispare. În plus, ansamblul convertor-motor oferă, în cazul utilizării maşinii bifazate, câteva avantaje şi anume:

caracteristici dinamice superioare datorită eliminării cuplajului magnetic între cele două faze;

inversare simplă a sensului de rotaţie prin modificarea frecvenţei tensiunii uneia dintre faze cu 0,5 Hz [85];

posibilitatea utilizării unor convertoare de frecvenţa mai simple (cu număr mai mic de ventile [1]) ceea ce implică un preţ mai mic al acţionării.Rămâne, deci, necesitatea ameliorării performanţelor energetice ale maşinii bifazate

astfel încât, într-o analiză completă a sistemului convertor-maşină electrică, să poată fi aleasă soluţia cea mai avantajoasă. În ceea ce priveşte posibilitatea utilizării maşinii asincrone

96

bifazate în locul celei monofazate, prima este mai avantajoasă din mai multe puncte de vedere. În acest sens merită amintite:

maşina bifazată are câmp magnetic învârtitor, deci prezintă cuplu de pornire, permiţându-se astfel eliminarea condensatoarelor şi dispozitivelor mecanice cu care sunt echipate motoarele monofazate;

maşina bifazată are parametri electrici superiori (randament, factor de putere, alunecare, cuplu critic, curent de magnetizare).Având în vedere cele enumerate mai sus este oportună o analiză a posibilităţilor de

utilizare a maşinilor asincrone bifazate, respectiv merită identificate aplicaţiile în care utilizarea acestora este cea mai avantajoasă.

4.2.1 Elemente constructiveDin punct de vedere constructiv, statorul servomotorului asincron bifazat (SAB) este

realizat din tole, cu crestături, în care se introduc două înfăşurări decalate la 90 grade electrice. Una din înfăşurări, numită de excitaţie, E, este conectată la reţeaua monofazata, iar, cealaltă, numită de comanda, C, Figura 4.32, se alimentează de la aceeaşi sursă sau de la o sursă separată, tensiunea aplicată fiind reglabilă ca amplitudine sau (şi) ca fază, în raport cu tensiunea aplicată înfăşurării de excitaţie.

Figura 4. 32

Cele două surse sunt de aceeaşi frecvenţă, dar pot fi şi de frecvenţe diferite, dacă se cere o comandă reversibilă. Servomotorul bifazat poate fi alimentat şi de la o sursă monofazată, în acest caz fiind necesară prezenţa unui element defazor introdus, de regulă, în circuitul fazei de comandă. Rotorul poate fi realizat în mai multe variante constructive, Figura 4.33:

a) b) c)

Figura 4. 33

97

rotor în colivie de veveriţă – Figura 4.33 (a), ( înfăşurarea rotorică prezintă, în acest caz, o rezistenţă mult mărită fată de construcţia normală a maşinilor asincrone) ;

rotor în formă de pahar din material neferomagnetic (din Al sau aliaje ale acestuia) – Figura 4.33 (b). Grosimea materialului paharului este de 0,2-0,3 mm.

rotor în formă de cilindru gol din material feromagnetic – Figura 4.33 (c). Grosimea materialului este de 0,5-3 mm, iar cilindrul este fixat de axul maşinii cu o rondea din oţel situată la mijloc.Servomotorul cu rotor în colivie se utilizează la puteri mai mari (50-200W) însă

prezintă dezavantajul unui rotor “greu” la care accelerarea şi frânarea sunt afectate de constante mecanice de timp mari.

Pentru sistemele de automatizare, unde sunt necesare accelerări şi frânări rapide, cele mai potrivite sunt servomotoarele cu rotor pahar. Principiul de funcţionare este acelaşi cu cel al maşinii asincrone cu rotor în colivie la care numărul de bare ar tinde la infinit, înfăşurarea fiind, de fapt, un strat continuu. Pentru închiderea liniilor de câmp este, însă, necesară prezenţa unui al doilea stator (stator interior), fixat pe axul maşinii Figura 4.34.

Figura 4. 34

4.2.2 Principiul de funcţionareSe consideră că înfăşurarea de excitaţie a SAB este conectată la o reţea monofazată şi

tensiunea la bornele sale este , circuitul de comandă fiind întrerupt. Înfăşurarea monofazată de excitaţie produce un câmp magnetic pulsator cu repartiţie sinusoidală în spaţiu, câmp care poate fi descompus în două câmpuri învârtitoare care se rotesc în sensuri opuse cu aceeaşi viteză şi amplitudini egale cu jumătate din amplitudinea câmpului pulsator:

(4.29)

Astfel, SAB funcţionând în regim de motor poate fi echivalat cu un motor asincron trifazat cu două rânduri de înfăşurări, un rând pentru sensul direct şi unul pentru sensul invers.

98

Figura 4. 35

Asupra rotorului vor acţiona două cupluri electromagnetice: , direct şi , de sens invers, Figura 4.35. Cuplul de pornire va fi, evident, nul şi motorul nu poate porni singur. În domeniul 0 < s < 1, câmpul direct va produce un cuplu activ, iar câmpul invers un cuplu de frânare. Pentru domeniul 1 s 2, situaţia se inversează. Cuplul rezultant este suma celor două cupluri, , valoarea sa fiind nulă pentru s = 1.

Problema pornirii este rezolvată prin cea de a doua înfăşurare, de comandă, decalată în spaţiu, faţă de înfăşurarea de excitaţie, cu 90 grade electrice. Dacă cele două înfăşurări statorice sunt identice şi parcurse de curenţi egali în amplitudine şi decalaţi la în timp,

Câmpul magnetic rezultant produs de cele două înfăşurări, decalate în spaţiu, reprezintă un câmp învârtitor, echivalent cu cel al unei maşini asincrone trifazate, iar servomotorul va prezenta un cuplu de pornire corespunzător.

(4.29’)

Un element foarte important în funcţionarea servomotoarelor asincrone bifazate îl constituie oprirea respectiv frânarea rapidă. După cum se ştie, în cazul motorului asincron monofazat cu fază auxiliară, asemănător din punct de vedere constructiv şi funcţional cu servomotorul bifazat, întreruperea alimentării fazei auxiliare nu afectează esenţial viteza maşinii. Dimpotrivă, la servomotorul bifazat oprirea trebuie să poată fi controlată prin intermediul înfăşurării de comandă. Cu alte cuvinte, la întreruperea alimentării înfăşurării de comandă, servomotorul trebuie să se oprească şi aceasta într-un timp cât mai scurt (deci cuplul de frânare să fie cât mai mare). Acest lucru se obţine prin creşterea valorii rezistenţei înfăşurării rotorice . Mărimea acesteia trebuie să asigure deplasarea alunecării critice la valori supraunitare, Figura 4.35 (a)– SAB; (b) – motor asincron obişnuit.

99

a) b)

Figura 4. 36

Să presupunem că funcţionarea servomotorului bifazat, când câmpul nu este circular, are loc pe caracteristica 3, Figura 4.36 (a) în punctul de funcţionare P1. La întreruperea alimentării înfăşurării de comandă, câmpul magnetic este creat numai de înfăşurarea de excitaţie, deci devine alternativ. Prin urmare, el se descompune într-un câmp direct, ce creează cuplul (caracteristica 1) şi un câmp invers, ce creează cuplul (caracteristica 2). Rezultanta acestor cupluri este caracteristica 4, ce trece prin punctul s = 1 (punctul de oprire). Punctul de funcţionare sare de pe caracteristica 3 pe caracteristica 4 în P2. În acest punct, cuplul ce acţionează asupra rotorului este negativ determinând frânarea rapidă a acestuia.

În practică, alunecarea critică a servomotoarelor bifazate este de ceea ce are efecte favorabile şi asupra liniarizării caracteristicii mecanice. Aceste valori se obţin prin creşteri importante ale rezistenţei rotorice, ceea ce implică pierderi importante în rotor, prin efect Joule şi deci randament scăzut.

4.2.3 Ecuaţii de funcţionareConstrucţia rotorului urmăreşte pe de o parte realizarea unui moment de inerţie cât mai

redus iar pe de altă parte a unei rezistenţe echivalente rotorice mărite în vederea liniarizării caracteristicilor mecanice şi de reglaj. Aceste cerinţe sunt indispensabile pentru utilizarea maşinii bifazate ca servomotor în sistemele automate de acţionare ca element de execuţie.

Pentru stabilirea ecuaţiilor de funcţionare ale MAB se foloseşte schema electrică din Figura 4.37, reprezentând o maşină electrică generalizată model d-q. Înfăşurările statorice sunt plasate în axele d şi q, iar rotorul prezintă două înfăşurări identice, scurtcircuitate prin perii, plasate în axele D şi Q.

În cazul SAB utilizarea modelului bifazat d-q se impune de la sine având în vedere similitudinile existente între construcţia fizică a maşinii şi elementele constitutive ale modelului.

Ipotezele simplificatoare pe baza cărora s-a stabilit modelul d-q sunt: maşina bifazată prezintă o simetrie radială;

100

statorul şi rotorul nu prezintă crestături; întrefierul este uniform; câmpul magnetic propriu al maşinii are o distribuţie spaţială sinusoidală; circuitul magnetic se consideră liniar;

Figura 4. 37

La maşinile cu două axe de simetrie magnetică, din cauza reactanţelor magnetice diferite, aceleaşi solenaţii determină câmpuri magnetice diferite după cele două axe.

Se consideră că rotorul se roteşte în sens trigonometric cu viteza unghiulară legată de viteza câmpului magnetic învârtitor statoric (ambele exprimate în unghi electric), prin relaţia,

(4.30)

unde s reprezintă alunecarea. În aceste condiţii ecuaţiile operaţionale ce descriu funcţionarea SAB sunt de forma [10,22,54,65],

(4.31)

unde sunt rezistenţele înfăşurărilor statorice şi rotorice echivalente, sunt

inductivităţile de dispersie din stator şi rotor , respectiv, inductivitatea mutuală, iar

este operatorul de derivare în raport cu timpul ce se aplică curenţilor din matricea curenţilor.

Se consideră regimul staţionar de alimentare cu tensiuni sinusoidale de pulsaţie , numeric egală cu , situaţie în care toţi curenţii şi tensiunile au formă sinusoidală putând fi reprezentaţi în complex simplificat. Termenii de forma devin, la trecerea în complex,

101

, (4.32)

iar termenii de forma

(4.33)

unde este viteza unghiulară relativă de rotaţie a rotorului (raportată la viteza de sincronism). Se notează,

(4.34)

unde sunt curenţii statorici, iar sunt curenţii rotorici.La acest sistem de ecuaţii se adaugă ecuaţia mişcării determinată de cuplul rezistent

de la arborele maşinii şi de cuplul electromagnetic , considerate pozitive în sensul rotaţiei. Astfel, diferenţa între cuplul electromagnetic şi cuplul rezistent al sarcinii este cuplul electromagnetic , de expresie,

(4.35)

unde J este momentul de inerţie al maselor în mişcare, redus pe arborele maşinii, iar p este numărul de perechi de poli. Preluând din literatură [55] una din formele de exprimare ale cuplului electromagnetic, ecuaţia de mişcare devine,

(4.36)

Ecuaţiile de mai sus se utilizează pe scară largă la studiul regimurilor tranzitorii ale maşinilor de inducţie şi ale celor sincrone. Atât modelul bifazat d-q utilizat, cât şi relaţiile matematice ce descriu funcţionarea sa, sunt valabile pentru orice maşină m-fazată cu armături cilindrice, în regim permanent sinusoidal, cu turaţie stabilizată. Acestea au fost criteriile pentru care notaţiile au fost modificate astfel: pentru că înfăşurarea de excitaţie s-a considerat amplasată în axa d, mărimile corespunzătoare s-au înlocuit cu indicele “d”, iar pentru

102

înfăşurarea de comandă mărimile corespunzătoare s-au notat cu indicele “q”, ea fiind amplasată în axa q.

4.2.4 Modelul liniar al SAB utilizat în sisteme de reglare automatăMaşinile electrice, în particular SAB, ca elemente de execuţie în sistemele de reglare

automată, necesită un model matematic, care descrie regimul dinamic al maşinii. Cel mai adecvat model este acela care oferă structura cea mai simplă a sistemului de reglaj. Dacă pentru servomotoarele asincrone trifazate, modelul cel mai potrivit, care este capabil de a soluţiona atât problemele maşinii, cât şi ale reglării, este bazat pe teoria fazorilor spaţiali, SAB este astfel construit încât modelul matematic este realizat şi fizic. Astfel la această maşină se valorifică din plin conceptul bifazat şi anume teoria unitară a maşinilor electrice. Mărimile d-q unde la MAT sunt numai matematice, la SAB, ele există şi fizic. Curenţii şi tensiunile d-q apar în bucle de reglare orientate după câmp, în afara maşinii, în timp ce fluxurile apar fizic chiar în maşină în întrefier, unde pot fi măsurate direct.

Sistemul ortogonal de axe d-q al planului complex are ca referinţă statorul, d fiind axa reală şi q axa imaginară.

Tensiunea de alimentare aplicată fiecărei faze este echilibrată de căderea de tensiune la bornele rezistenţei fazei şi de tensiunea electromotoare indusă de fluxul magnetic corespunzător. Astfel, relaţiile de tensiuni statorice corespunzătoare modelului bifazic natural sunt,

(4.37)

care pot fi scrise sub formă matricială,

(4.38)

Pentru sistemul de înfăşurări rotorice, în sistem propriu de referinţă, rezultă,

(4.39)

sau în formă matricială,

103

(4.40)

Prin raportarea ecuaţiilor (4.37) şi (4.39) la un sistem de referinţă ce se roteşte în sens trigonometric cu viteza unghiulară , se obţin relaţiile,

(4.41)

Se pune în evidenţă o legătură ortogonală prin intermediul ultimului termen al fiecărei ecuaţii între componentele d şi q. Această legătură este proporţională cu viteza relativă de rotaţie a înfăşurării considerate, faţă de sistemul re referinţă ales. Ecuaţiile de tensiuni (4.41) au cel mai ridicat grad de generalitate deoarece sunt stabilite faţă de un sistem de referinţă ce se roteşte cu o viteză oarecare. Prin particularizare se obţine modelul considerat a fi cel mai potrivit pentru o situaţie dată.

Ecuaţiile de flux ale maşinii sunt de forma.

(4.42)

Având în vedere că în continuare se intenţionează studierea ansamblului convertor - maşină, cel mai adecvat sistem de referinţă este cel legat de stator deoarece asigură reprezentarea în mărimi naturale a tensiunilor şi curenţilor de alimentare. Pentru această situaţie ecuaţiile de tensiuni iau forma,

(4.43)

104

Aceasta este forma clasică a ecuaţiilor de tensiuni pe baza cărora se construieşte schema echivalentă corespunzătoare modelului bifazat al unei maşini de inducţie. În cazul unei maşini bifazate, modelul bifazat este un model natural ce păstrează practic ne modificaţi parametrii înfăşurărilor statorice.

Pentru descrierea completă trebuie adăugate ecuaţiile ce caracterizează mărimile mecanice, respectiv cuplului electromagnetic şi ecuaţia de mişcare. Astfel cuplul electromagnetic este de forma,

(4.44)

Pentru determinarea ecuaţiei de mişcare, considerăm sarcina motorului asincron bifazat caracterizat de un coeficient de frecări vâscoase şi un moment de inerţie care se adaugă la momentul de inerţie propriu motorului rezultând un moment de inerţie total . Astfel ecuaţia de echilibru a cuplurilor la arborele maşinii este,

(4.45)

unde este cuplul electromagnetic dezvoltat de motor (cuplul activ), este cuplul rezistent iar este cuplul vâscos rezistent. Pentru fiecare caz de comandă în parte, se înlocuieşte cu expresia sa obţinându-se ecuaţia diferenţială a mişcării de rotaţie a rotorului.

Figura 4.38

Schema bloc care realizează simularea funcţionării în gol, în regim tranzitoriu a unui motor cu parametrii cunoscuţi este prezentată în Figura 4.38, [teza de doctorat].

Figura 4.39 prezintă variaţia în timp ale curenţilor statorici şi rotorici pentru fiecare fază în parte, iar Figura 4.40 variaţia în timp a tensiunii de alimentare statorice.

105

Figura 4.39

Figura 4.40

Figura 4.41 prezintă variaţia în timp a mărimilor mecanice, cuplul electromagnetic şi viteza unghiulară a rotorului.

106

Figura 4.41

4.2.5 Comanda servomotorului asincron bifazatCele doua înfăşurări ale SAB, de excitaţie şi de comandă, se alimentează de la tensiuni

diferite ca amplitudine sau ca defazaj. Câmpul magnetic rezultant este eliptic, iar modificarea amplitudinii câmpului invers în raport cu cel direct conduce, în definitiv, la modificarea cuplului rezultant, deci a vitezei rotorului.

Aşadar, în cazul alimentării înfăşurărilor de la aceeaşi reţea monofazată, se pot utiliza schemele din Figura 4.42.

În Figura 4.42 (a), se prezintă o schemă în care se modifică amplitudinea tensiunii aplicate înfăşurării de comandă, în condiţiile menţinerii constante a defazajului dintre cele doua tensiuni . Defazajul dintre tensiuni se realizează cu un condensator sau cu un regulator de fază.

În Figura 4.42, (b) se alimentează înfăşurarea de comandă prin intermediul unui element defazor, care menţine, totuşi, amplitudinea tensiunii constantă, dar defazajul se poate modifica. În ambele variante, tensiunea aplicată înfăşurării de excitaţie se menţine aceeaşi, egală cu tensiunea reţelei.

În Figura 4.42, (c) se prezintă o variantă de modificare atât a defazajului dintre cele două tensiuni cât şi a amplitudinii tensiunii de comandă.

107

Figura 4.42

Din punctul de vedere al caracteristicilor obţinute, comanda prin modificarea fazei este superioară celei realizate prin modificarea amplitudinii tensiunii întrucât caracteristicile mecanice obţinute au pantă constantă, situaţie ce este favorabilă funcţionării în sisteme automate liniare.

Astfel, se vor analiza, doar, primele două tipuri de comenzi, rezultatele obţinute putând furniza informaţii privitoare şi la comanda mixtă.

Expresia tensiunii aplicate înfăşurării de excitaţie este:

(4.46)

Tensiunea aplicată înfăşurării de comandă se scrie:

(4.47)

unde este coeficientul de semnal (raportul dintre valorile efective ale tensiunii de

comandă şi de excitaţie), iar este defazajul dintre aceste tensiuni. În aceste condiţii, cuplul mediu devine:

(4.48)

unde:p - numărul de perechi de poli;

108

- viteza relativa,

, fiind vitezele arborelui rotoric, respectiv, a câmpului învârtitor statoric;- rezistenta înfăşurării rotorice.

Dacă se tine seama de formulele lui Euler, rezultă expresia cuplului mediu:

(4.49)

Cuplul de pornire va corespunde situaţiei n, adică:

(4.50)

Valoarea maximă a cuplului de pornire corespunde cazului şi , când

câmpul magnetic în maşina este învârtitor circular, adică:

(4.51)

Pentru a obţine caracteristicile mecanice în mărimi relative, se va face raportarea cuplului la valoarea :

(4.52)

Figura 4.43

109

Caracteristicile mecanice , pentru comanda în amplitudine, deci, la , sunt reprezentate în Figura 4.43.

Caracteristicile ideale sunt drepte întrerupte pe figură, a căror intersecţie cu axa ordonatelor este egala cu . Se considera cazul . Panta caracteristicilor este o dependenţă pătratică de l, astfel încât familia de drepte se apropie de un fascicul: la coeficienţi de semnal mici cuplul de pornire scade mai mult decât viteza de mers în gol ideal, sau, într-o alta exprimare, la mici, viteza scade mai mult odată cu creşterea cuplului (egal în modul cu cuplul rezistent static). În cazurile reale, aceste caracteristici devin neliniare (curbele trasate cu linie plina în figura).

Caracteristicile mecanice la comanda în fază, la , sunt prezentate în Figura 4.44.

Figura 4.44

Aceste caracteristici, pentru , sunt drepte de ecuaţii:

(4.53)

având aceeaşi pantă (trasate cu linii întrerupte). Caracteristicile reale sunt curbe de alură asemănătoare celor ideale (trasate cu linii pline în figura).

Caracteristicile de reglaj ale vitezei la cuplu constant se definesc prin dependentele: - la comanda în amplitudine, respectiv, - la comanda în fază.În Figura 4.45 este prezentată familia de caracteristici de reglaj pentru

, (în cazul ideal, cu linii întrerupte), conform ecuaţiilor:

(4.54)

110

Figura 4.45

adică în cazul . Aceste dependente sunt neliniare, în sensul ca la tensiuni de comandă mici, viteza motorului creste mai mult, stabilizându-se, oarecum, la comenzi ridicate (în figura, caracteristicile reale sunt prezentate, tot, cu linie plină).

În Figura 4.46 este trasată familia de caracteristici de reglaj la comandă în fază, Caracteristicile ideale (cu linie întrerupta) sunt drepte, iar în cazul real

(linie plina) prezintă o uşoară neliniaritate. S-a considerat .

Figura 4.46

Din cele expuse mai sus, rezultă următoarele: la comanda în fază caracteristicile mecanice sunt, aproximativ, drepte de pante

diferite, dependente de pătratul coeficientului de semnal, mai dezavantajoase, din acest punct de vedere, decât cele ale servomotoarelor de curent continuu;

la comanda în amplitudine se obţin caracteristici mecanice de pantă constantă, asemănătoare cu cele ale servomotoarelor de curent continuu; de aceea, în sistemele

111

automate liniare, se preferă acest mod de comanda. În schimb, realizarea practica este mai costisitoare, implicând utilizarea unui regulator de fază.

4.2.6 Surse de alimentare şi comandăUtilizarea maşinilor asincrone bifazate, atunci când funcţionează în regim de motor,

nu poate fi disociată de sursa de alimentare. Necesitatea unui sistem de tensiuni defazat la 90° (cazul optim) face ca interconectarea maşinii asincrone la reţea să reprezinte o problemă dificilă, având în vedere că sistemul de distribuţie a energiei electrice este trifazat. Aceasta a făcut ca, în cadrul sistemului de acţionare maşină electrică-sarcină mecanică să apară un al treilea element, intercalat între reţeaua de alimentare şi maşina electrică, necesar transformării sistemului trifazat, sau monofazat, în unul bifazat.

În cele ce urmează vor fi prezentate soluţiile cele mai utilizate pentru alimentarea şi comanda motoarelor asincrone bifazate, precizându-se specificul, avantajele şi dezavantajele fiecăreia dintre ele.

I. Alimentarea de la o sursă monofazată prin intermediul unui condensator de defazare

Prezenţa condensatorului, după cum se cunoaşte, determină apariţia unui defazaj între curenţii din cele două înfăşurări. Datorită faptului că, de regulă, valoarea acestui unghi de defazaj este mai mică de 90°, câmpul magnetic în întrefier este unul eliptic. Deci, pe lângă cuplul electromagnetic direct, având caracter activ, apare şi un cuplu electromagnetic invers, cu caracter rezistent, ce diminuează performanţele energetice ale maşinii.

Avantaje: Pentru această situaţie, alimentarea este simplă şi se face direct de la surse de alimentare monofazate, foarte accesibile.

Dezavantaje: acţionarea nu beneficiază de posibilităţi de reglare a vitezei ; imposibilitatea practică a inversării sensului de rotaţie ; prezenţa condensatorului este incomodă deoarece volumul acestuia creşte odată cu

puterea motorului electric. În plus, este puţin fiabil.

Figura 4.47

112

Obţinerea unei acţionări cu posibilităţi ceva mai mari se poate face adăugând în circuitul de alimentare o sursă de tensiune variabilă care să modifice, amplitudinea tensiunii uneia sau ambelor faze. Variantele prezentate în Figura 4.48 folosesc, în acest scop, un autotransformator AT. Tensiunea de alimentare poate fi variată pentru una din faze (Figura 4.48.a) sau pentru ambele faze (Figura 4.48.b şi c). Prin intercalarea unei impedanţe Z (Figura 4.48.d şi e) ce poate fi introdusă sau scoasă din circuitul unei faze cu întrerupătorul K, se pot obţine două turaţii diferite, fără a mai fi necesară utilizarea unui autotransformator. Sensul de rotaţie poate fi schimbat prin utilizarea unui comutator K (Figura 4.48.f).

a) b) c)

d) e) f)

Figura 4.48

Avantaje: permit obţinerea unui anumit reglaj de viteză; permit inversarea sensului de rotaţie (pentru schemele menţionate).

Dezavantaje: reglajul de viteză obţinut este în limite restrânse şi numai sub valoarea vitezei de mers

în gol (principial, alimentarea oricărei faze la tensiune mai mare decât valoarea nominală nu este acceptată) ;

creşte volumul părţii de alimentare şi scade fiabilitatea ;

2 Alimentare de la o sursă trifazatăÎn această situaţie, soluţia cea mai avantajoasă constă în utilizarea unui regulator de

fază (Figura 4.49).Una din înfăşurări este alimentată de la tensiunea fixă, monofazată, din primarul

regulatorului, iar cea de-a doua înfăşurare de la tensiunea de fază, fixă, a secundarului. Unghiul dintre cele două tensiuni este astfel variabil în funcţie de poziţia relativă a rotorului regulatorului faţă de statorul său. Rezultă astfel posibilitatea reglării turaţiei motorului bifazat prin modificarea unghiului de defazaj dintre tensiunile de alimentare. Se poate, în plus,

113

intercala şi un autotransformator pe una din fazele motorului bifazat astfel încât să existe şi posibilitatea reglării vitezei prin modificarea amplitudinii uneia din tensiunile de alimentare.

Figura 4.49

Avantaje: - posibilităţi de reglare a turaţiei în limite largi ;Dezavantaje:

prezenţa a încă unei maşini electrice ce determină complicarea întregului ansamblu de acţionare şi creşterea preţului acesteia ;

performanţe mai reduse ale întregii acţionări datorită randamentului scăzut al regulatorului ;

deoarece reglajul de turaţie se face, în principal, prin modificarea unghiului de defazaj dintre tensiunile celor două înfăşurări, performanţele energetice ale motorului asincron scad.

Din ce în ce mai multe aplicaţii, atât industriale dar şi electrocasnice, medicale sau din alte domenii neindustriale, necesită acţionări cu viteză variabilă. O perioadă îndelungată de timp, soluţia cea mai avantajoasă era oferită de motoarele de curent continuu. Datorită însă sistemului colector-perii şi dezavantajelor generate de prezenţa acestuia (scântei la perii, întreţinere dificilă, timp de viaţă diminuat, imposibilitatea folosirii în medii cu praf sau explozive), utilizarea motorului asincron a devenit tentantă. Problema ce trebuia rezolvată consta în găsirea mijloacelor de reglare comodă şi în limite largi a vitezei. Soluţia a fost oferită de electronică odată cu apariţia convertoarelor statice de putere.

Dacă în cazul maşinilor trifazate sistemul convertor-motor asincron trifazat este bine pus la punct, utilizarea, până acum, relativ redusă a motoarelor bifazate a făcut ca ansamblul convertor-motor bifazat să se afle încă într-un stadiu puţin dezvoltat.

În cele ce urmează, sunt prezentate soluţii ce utilizează diverse scheme de comandă pentru alimentarea motoarelor bifazate.

3. Circuit de comandă cu două tranzistoare de putere

114

La această variantă (Figura 4.50), schema de comandă conţine două tranzistoare de putere, înseriate pe fiecare fază a motorului bifazat şi care lucrează în comutaţie forţată. Pornirea se realizează prin deschiderea, la momente diferite, a tranzistoarelor principale de pe fiecare fază. De asemenea, prin deschiderea şi blocarea controlată a tranzistoarelor, se obţine modificarea amplitudinii tensiunii aplicate uneia din faze şi deci reglajul vitezei.

Schimbând ordinea de deschidere şi blocare a celor două tranzistoare principale, se poate inversa sensul de rotaţie. În acest scop, pe fiecare fază este prevăzut un al doilea tranzistor, înseriat cu o rezistenţă de valoare mare, pentru disiparea puterii înmagazinate de inductanţa motorului.

Figura 4.50

Schema de comandă poate realiza controlul vitezei prin trei strategii : Modificarea unghiului de deschidere a tranzistorului în timp ce unghiul de

închidere este menţinut constant la 180°. Modificarea ambelor unghiuri, de deschidere şi închidere, astfel încât β=π-α. Variaţia numai a unghiului de închidere în timp ce unghiul de deschidere este menţinut

constant la 0°.Rezultatele experimentale au demonstrat că cea de-a treia strategie este cea mai

avantajoasă din punctul de vedere al performanţelor motorului.Avantaje:

schema de comandă asigură un cuplu de pornire mare fiind potrivită pentru aplicaţiile cu porniri în sarcină;

regimul de frânare poate fi suportat de schema de comandă astfel încât reversarea sensului de rotaţie este posibilă şi în timpul funcţionării;

alimentarea se face de la o sursă monofazată;

115

schema de comandă este simplă, are un număr redus de componente şi drept urmare are un preţ scăzut.Dezavantaje :

conţinut mare în armonici a curenţilor de fază; plaja de variaţie a vitezei este redusă deoarece reglajul se face numai prin modificarea

amplitudinii tensiunii de alimentare.

4. Circuit de comandă cu alimentare în C.C. cu patru tranzistoareInvertorul bifazat, prezentat în Figura 4.51, este destinat alimentării unui motor bifazat

de putere mică (sub 100W), propus să înlocuiască un micromotor de c.c. Drept urmare, alimentarea se face de la o sursă de tensiune continuă (de exemplu un acumulator).

Figura 4.51

Invertorul bifazat, realizat din două invertoare monofazate, conţine patru ventile (tranzistoarele T1-T4) prin a căror comandă este asigurat un unghi de 90° între tensiunile de alimentare a celor două faze. Formele de undă ale tensiunilor sunt nesinusoidale (pătratice) şi, în plus, nu sunt identice, astfel încât rezultă o funcţionare nesimetrică.

Avantaje : invertorul nu este complicat fiind o soluţie fezabilă pentru aplicaţii nepretenţioase rezultatele experimentale demonstrează că randamentul obţinut în cazul utilizării

soluţiei invertor - motor bifazat este superior faţă de randamentul instalaţiei redresor comandat - motor c.c. De asemenea, efectele variaţiei tensiunii acumulatorului asupra turaţiei motorului sunt mai mici în cazul motorului bifazat decât a motorului de c.c.Dezavantaje :

invertorul nu realizează reglaj de viteză ; datorită funcţionării nesimetrice, performanţele motorului bifazat sunt inferioare.

5. Circuit de comandă pe o singură fază, cu patru tranzistoareSchema de comandă, propusă în Figura 4.52, conţine patru tranzistoare în punte H,

plasate pe circuitul de alimentare a uneia din faze. Cealaltă fază este alimentată direct de la sursă cu tensiune de amplitudine şi frecvenţă fixe. Controlul vitezei motorului bifazat se realizează, în principal, prin modificarea unghiului de defazaj dintre tensiunile celor două faze, folosindu-se o strategie de comandă a tranzistoarelor de tipul PWM. De asemenea, în scopul reducerii pulsaţiilor cuplului electromagnetic, se realizează şi o variaţie controlată a amplitudinii tensiunii fazei comandate.

116

Figura 4.52

Avantaje : schema de comandă permite reglaj de viteză, frânare şi reversare a sensului de rotaţie; simplitate constructivă ce implică un preţ scăzut; deoarece comanda se face doar pe una din faze, schema poate fi utilizată şi în cazul

motoarelor bifazate cu înfăşurări nesimetrice. Astfel, dacă înfăşurarea comandată are un număr mare de spire, sursa de comandă este una de putere mică şi pot fi folosite tranzistoare BJT sau MOSFET;

cuplul de pornire şi rata acceleraţiei pot fi controlate (mărite) prin modificarea unghiului de defazaj dintre tensiuni.Dezavantaje :

reglajul continuu de turaţie poate fi realizat într-o gamă redusă (între n0 şi 0,9n0); deoarece controlul vitezei se face prin modificarea unghiului de defazaj dintre

tensiunile aplicate celor două înfăşurări, deci prin transformarea câmpului învârtitor în unul eliptic, performanţele motorului (randament, factor de putere) scad odată cu turaţia;

pentru anumite unghiuri de defazaj, apar curenţi inverşi prin diode care încarcă condensatorul de pe partea de c.c. Acest fenomen determină o creştere a zgomotului în motor.

6. Circuit de comandă cu patru tranzistoare şi control tip SPWMControlul vitezei se face prin tehnica U/f = ct. obţinută prin comanda tip SPWM

(sinusoidal pulse width modulation). Totodată, în permanenţă, unghiul de defazaj dintre tensiunile aplicate celor două faze este menţinut constant la valoarea de 90°.

Schema de comandă prezentată, (Figura 5.53) asigură un control independent al frecvenţei şi tensiunii de pe cele două faze. Controlul este de tip digital, partea de comandă a modulelor de putere fiind încorporată într-un singur procesor.

Avantaje : este o schemă de comandă cu număr minim de ventile ce asigură un reglaj complet şi

la performanţe bune; pulsaţiile cuplului şi vitezei sunt reduse şi implicit vibraţiile şi zgomotul motorului; schema poate fi folosită atât pentru motoare bifazate cu înfăşurări simetrice cât şi

nesimetrice. În acest ultim caz, pentru reducerea pulsaţiilor de cuplu, este necesar ca

117

raportul tensiunilor aplicate celor două înfăşurări să fie invers proporţional cu numărul lor de spire.Dezavantaje :

conţinutul în armonici al curenţilor pe fiecare fază este destul de mare.

Figura 4.53

4.3 Servomotoare asincrone monofazate

Servomotoarele asincrone monofazate sunt utilizate în acţionări de putere relativ mică - acţionările electrocasnice, electromedicale şi industriale (pompe, ventilatoare, polizoare) care impun anumite condiţii speciale: utilizarea unor reţele de alimentare monofazate, dezvoltarea unor cupluri numai pe perioade scurte de timp etc.

Din punct de vedere constructiv servomotoarele asincrone monofazate au un circuit magnetic clasic, cu înfăşurare statorică care ocupă 2/3 din crestăturile statorice şi o înfăşurare rotorică în colivie, de obicei cu bare înalte.

Funcţionarea acestei maşini a fost prezentată la capitolul servomotoare asincrone bifazate 4.2.2 de aceea acum voi completa această teorie.

Pentru ca această maşină să aibă cuplu de pornire, ea se prevede cu încă o înfăşurare satorică auxiliară care ocupă restul de 1/3 din crestăturile statorice şi care este decalată în spaţiu cu 900 el., devenind astfel un servomotor asincron bifazat cu înfăşurări nesimetrice. Această înfăşurare este prevăzută de regulă cu un număr mai mare se spire în crestătură.

Astfel, prezenţa înfăşurării auxiliare are drept scop transformarea câmpului alternativ creat de maşina monofazată cu o singură înfăşurare, în câmp învârtitor. În acest fel se elimină principalul neajuns al acesteia şi anume lipsa cuplului de pornire.

118

a) b)

Figura 4.54

În Figura 4.54 (a), corespunzător maşinii monofazate, sunt prezentate cele două cupluri, direct şi invers, egale şi de sens contrar, astfel încât la pornire (s=1), cuplul electromagnetic rezultant, M, este nul. Prin prezenţa înfăşurării auxiliare, câmpul electromagnetic este de tip învârtitor eliptic (datorită nesimetriei celor două înfăşurări) respectiv cuplul direct este mai mare decât cel invers şi astfel, pentru s=1, cuplul rezultant este nenul şi motorul poate porni, Figura 4.54 (b)

Odată maşina ajunsă la turaţie normală de funcţionare, menţinerea înfăşurării auxiliare la sursa de tensiune nu mai este strict necesară. Drept urmare, la multe din motoare, această înfăşurare este deconectată, maşina redevenind una de tip monofazat cu o singură înfăşurare alimentată. În felul acesta, se reduc pierderile de tip Joule în înfăşurarea auxiliară, iar dimensionarea ei se face pentru un regim de scurtă durată. Datorită însă faptului că performanţele, în această configuraţie, sunt scăzute (randament, factor de putere, cuplu maxim, capacitate de suprasarcină) se preferă adeseori menţinerea permanentă a ambelor înfăşurări, schema de principiu arătând ca în Figura 4.55.

Figura 4.55

Trebuie remarcată la aceste motoare asincrone bifazate nesimetrice, alimentate direct de la o sursă de tensiune monofazată, prezenţa unei impedanţe înseriată în circuitul fazei auxiliare. Rolul acesteia este de a crea o defazare a curenţilor prin cele două înfăşurări, cât mai apropiată de 90° el., astfel încât, câmpul creat în întrefier să fie cât mai apropiat de unul circular, în scopul creşterii performanţelor motorului. Drept impedanţe defazoare pot fi utilizate : rezistenţe, bobine sau condensatoare. Rezistenţa este un element comod de utilizat,

119

însă pierderile Joule şi defazarea cu un unghi mic nu o fac recomandabilă pentru situaţii în care se doresc performanţe deosebite. Bobina realizează, de asemenea, un defazaj destul de mic având şi dezavantajul unor gabarite mari şi a înrăutăţirii factorului de putere. Condensatorul este cel mai răspândit deoarece, pe de o parte realizează un defazaj mare al curenţilor prin cele două faze, deci o creştere a performanţelor motorului, iar pe de altă parte îmbunătăţeşte factorul de putere general, cunoscut ca fiind mic la maşinile de inducţie.

În practică se adoptă una din soluţiile: motor cu fază auxiliară şi condensator înseriat, folosită numai pentru pornire,

întrerupătorul centrifugal K deconectând faza auxiliară după ce viteza rotorului depăşeşte 70 – 80% din valoarea nominală (Figura 4.56 a);

motor cu fază auxiliară cu două condensatoare, unul de valoare mai mare, , folosit numai pentru perioada pornirii şi altul care rămâne conectat permanent în circuit, , (Figura 4.56 b);

motor cu fază auxiliară cu condensator înseriat funcţionând în permanenţă (atât la pornire cât şi la funcţionare);

motor cu fază auxiliară realizată astfel încât, prin construcţie, să aibă o rezistenţă care să introducă un defazaj al curentului, permiţând pornirea, eventual să se întrerupă în timpul funcţionării.

a) b)

Figura 4.56

Există variante care utilizează înfăşurări auxiliare plasate la unghiuri diferite de 90º (100º - 110º) în raport cu faza principală.

În cazul utilizării condensatoarelor de pornire, caracteristica este reprezentată prin curba 1, Figura 4.57, motorul având cuplu de pornire ridicat. În momentul deconectării din circuitul fazei auxiliare, punctul de funcţionare trece pe caracteristica 2, corespunzătoare capacităţii .

120

Figura 4.57

Un factor determinant în funcţionarea motorului monofazat cu fază auxiliară îl constituie calitatea defazorului utilizat. alunecării. De exemplu, pentru a obţine un cuplu de pornire maxim, corespunzător deci la , este necesar ca cele două condiţii, de egalitate a solenaţiilor şi de defazaj al curenţilor cu 90º el., să fie îndeplinite simultan, de aceea sunt necesare două elemente de circuit introduse în circuitul fazei auxiliare, pentru ca problema să aibă soluţie.

Tot în acelaşi mod se pune problema şi dacă la o anumită alunecare, de exemplu cea nominală , se cere o funcţionare optimă (adică cu câmp circular). Pentru acest lucru este necesară conectarea în faza auxiliară tot a două elemente de circuit, în general de alţi parametri faţă de cei ai elementelor utilizate pentru pornire.

a) b)

Figura 4.58

În Figura 4.58 (a) şi (b) se prezintă două variante de scheme care permit funcţionarea optimă a motorului cu fază auxiliară. Valorile rezistenţelor şi capacităţilor folosite se deduc din condiţiile ca cele două înfăşurări să realizeze solenaţii egale şi defazate la 90º el, [Simion]

De asemenea se pot deduce expresiile defazorilor pentru cazuri particulare, [Simion] şi anume:

motoare monofazate cu înfăşurări identice şi defazor în faza auxiliară, deconectabil după pornire, sau menţinută permanent la reţea;

121

motoare monofazate cu înfăşurări diferite, cea auxiliară rămânând permanent conectată, sau putând fi deconectată după pornire.

Concluzii

Servomotoarele sunt motoare electrice, de regulă de mică putere, care transformă un semnal electric de comandă, într-o mişcare de rotaţie.

Servomotoarele sunt utilizate, în special, ca elemente de execuţie în sistemele de automatizare. Drept urmare, funcţionarea lor este caracterizată de porniri şi opriri repetate, inversări frecvente ale sensului de rotaţie, accelerări şi frânări rapide. Din această cauză servomotoarele trebuie să îndeplinească, în plus, o serie de cerinţe şi anume :

- caracteristici mecanice şi de reglaj liniare;- viteză de răspuns mare, respectiv constante electrice şi electromecanice de timp

reduse;- putere de comandă cât mai mică;- funcţionare fără zgomot şi fără producere de paraziţi radiofonici;- greutate şi gabarit reduse;- siguranţă în funcţionare.În curent alternativ, maşinile care îndeplinesc cel mai bine aceste cerinţe sunt

servomotoarele asincrone bifazate (SAB).

122