CURS 12-14

MAŞINI DE CURENT ALTERNATIV. MASINA ASINCRONA

Maşina asincronă este cea mai răspândită maşină electrică. Ea se întâlneşte pe scara largă în acţionările electrice din toate sectoarele industriale si sociale, îndeosebi în regimul de motor trifazat, pentru acţionarea maşinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a morilor cu bile, a macaralelor electrice, a podurilor rulante, a aparaturii medicale, a aparaturii electrocasnice etc.

Motoarele asincrone se construiesc pentru o gamă foarte largă de puteri (de la ordinul unităţilor de W până la ordinul zecilor de MW), pentru tensiuni joase (sub 500V) si tensiuni medii (3 kV, 6 kV sau 10 kV) si având turaţia sincronă la frecventa f=50Hz egală cu 500, 600, 750, 1000, 1500 sau 3000 rot/min, în funcţie de numărul de perechi de poli.

Principalele avantaje ale motoarelor asincrone fată de alte tipuri de motoare electrice sunt: simplitate constructivă, preţ de cost redus, siguranţă mare în exploatare, cuplu mare de pornire, randament ridicat, stabilitate în funcţionare, exploatare, manevrare si întreţinere simplă, alimentare direct de la reţeaua trifazata de c.a.

Dintre principalele dezavantaje putem enumera socul mare de curent la pornire, factor de putere relativ scăzut, caracteristică mecanică dură.

a. Elemente constructive ale maşinii asincrone.Maşina asincronă constă dintr-o armatură statorică, numită stator si o armatură

rotorică numită rotor.Statorul, format din unul sau mai multe pachete de tole, are în crestături o înfăşurare

monofazată sau trifazată care se conectează la reţea si formează inductorul maşinii (fig. 4.a).

Fig. 3. Maşina asincronă cu rotorul bobinat1 - inele colectoare; 2 – suport port-perii; 3 – inel de ridicare; 4 – tole statorice; 5 – carcasă; 6 –

înfăşurare statorică; 7 – înfăşurare rotorică; 8 – ventilator; 9 – scut; 10 – tole rotorice.

a bFig. 4. Stator maşină asincronă si înfăşurarea în colivie a rotorului

Rotorul este format tot din pachete de tole, dar în crestături poate avea o înfăşurare trifazată conectată în stea, cu capetele scoase la trei inele sau o înfăşurare în scurtcircuit de tipul unei colivii (fig. 4.b). De aceea, după forma înfăşurării rotorului, maşinile asincrone se mai numesc maşini asincrone cu inele si maşini asincrone cu rotorul în scurtcircuit. Înafara acestor părţi, maşina mai are, în funcţie de destinaţie, de tipul de protecţie la pătrunderea apei si a corpurilor străine în maşină, de forma constructivă, de sistemul de răcire, de putere si tensiune, o serie de elemente constructive, dintre care o parte sunt date sau pot fi observate în fig. 3.

Întrefierul este spaţiul liber rămas între miezul feromagnetic al rotorului si miezul statoric. Lăţimea întrefierului la maşina asincronă se consideră constantă si are o valoare foarte mică (0,1…2mm) pentru un consum de curent de magnetizare cât mai redus, respectiv a unui factor de putere ridicat.

Simbolurile convenţionale si înfăşurările maşinilor electrice asincrone sunt date in fig. 5.

a b c d Stea Triunghi

Fig. 5. Simbolizarea maşinilor electrice

b. Principiul de funcţionare al motorului asincronMotorul asincron trifazat primeşte energie electrică de la reţeaua de c.a. prin

conectarea statorului la aceasta, energie pe care o converteşte în energie mecanică furnizată la axul rotorului. Dacă înfăşurarea statorică se conectează la o reţea de c.a. trifazat, de tensiune si frecventă corespunzătoare, ea va fi parcursă de un sistem de curenţi care vor produce în întrefier un câmp magnetic învârtitor cu viteza unghiulară 1. Dacă armătura rotorică are în acel moment viteza unghiulară , într-o înfăşurare de fază a ei, devenită înfăşurare secundară, se induce o t.e.m. (relaţia 15):

(16)în care 2 este pulsaţia t.e.m. induse iar 2 este viteza relativă dintre câmpul inductor si rotor.

Dacă înfăşurarea rotorică este închisă (pe o rezistentă sau chiar în scurtcircuit), ea va fi parcursă de curenţi, care, la rândul lor, produc un câmp învârtitor de reacţie cu o viteză unghiulară fată de înfăşurarea care l-a produs:

(17)

Fată de stator, câmpul de reacţie are viteza unghiulară:(18)

adică, indiferent de turaţia rotorului, câmpul inductor si cel de reacţie au aceiaşi viteza relativă fată de stator. Deci cele două câmpuri sunt fixe intre ele si se pot însuma, dând un câmp rezultant în întrefier. Prin interacţiunea dintre acest câmp si curenţii din înfăşurări se exercită între cele două armături un cuplu electromagnetic. Relaţia (16) arată că în înfăşurarea sunt curenţi, deci se poate exercita un cuplu, numai dacă adică . În acest caz se spune că se poate exercita un cuplu numai dacă rotorul alunecă fată de câmpul învârtitor inductor. Acesta alunecare, în valori relative, este definită de relaţia:

(19)

unde si , f fiind frecventa.Motoarele asincrone de construcţie normala au în mod uzual alunecări nominale

cuprinse între . Acest lucru arată că la frecventa statorică industrială, , frecventa curenţilor rotorici va fi, conform relaţiei (19), (0,5-2,5)Hz, deci, o frecventă foarte joasă, ceea ce ne permite sa consideram pierderile în fier din rotor practic nule.

De asemenea valoarea efectiva a t.e.m. indusa în rotor depinde de alunecare. Astfel la pornire (s=1) ea are expresia:

(20)iar în regim staţionar corespunzător alunecării s:

(21)De exemplu dacă o maşină asincronă are la pornire (s=1), o t.e.m. indusă rotorică

, atunci la o valoare uzuală a alunecării nominale (ex. s=2%), ea va avea valoarea .

Pornind de la alunecare se pot defini regimurile de funcţionarea ale maşinii asincrone. Ştim că turaţia relativă n2 a rotorului fată de câmpul magnetic învârtitor inductor produs de stator este .

Atunci când turaţia rotorului , deci , t.e.m. indusă în conductoarele rotorului produce curentul I2, iar forţa produsă de acest curent care acţionează asupra conductoarelor are tendinţa să accelereze rotorul către turaţia n1 a câmpului magnetic învârtitor. În acest caz, maşina primeşte energie electrică de la reţea si dezvoltă la arbore un cuplu mecanic, funcţionând în regim de motor. Dacă turaţia motorului este , deci si , t.e.m. indusă îşi schimbă polaritatea, deci si I2, iar forţa se opune creşterii turaţiei n a rotorului. Deci pentru menţinerea acestei turaţii trebuie ca maşina să primească energie mecanică pe la arbore. În acest caz maşina primeşte energie mecanică si dă energie electrică, funcţionând în regim de generator. Când rotorul este rotit în sens invers câmpului magnetic învârtitor inductor, deci are fată de acesta turaţia si alunecarea , t.e.m. indusă produce curentul I2, iar forţa produsă de acest curent are sens opus fată de turaţia rotorului n. În acest caz maşina primeşte energie mecanică pe la arbore să menţină turaţia n în sensul forţei si energie electrică de la reţea să aducă rotorul către turaţia de sincronism, maşina funcţionând în regim de frână.

În funcţionarea maşinilor asincrone sunt întâlnite toate regimurile de funcţionare arătate, dar regimul de bază este cel de motor, când alunecarea .

c. Bilanţul puterilor, randamentul si factorul de putereFăcând bilanţul puterilor active, se obţine, la fel ca la transformator, pentru motorul

trifazat:(25)

iar diagrama de bilanţ este prezentată în fig. 7.unde:- - puterea activă absorbită de motor de la reţea;

- - pierderile în cuprul statorului (prin efect Joule), m1 fiind numărul de faze al înfăşurării statorice;- - pierderi active în fierul statorului: fiind pierderile datorate curenţilor turbionari iar - pierderile datorate histerezisului magnetic;

Fig. 7. Diagrama de bilanţ a maşinii asincrone

- - puterea electromagnetica a maşinii care se transmite din stator în rotor la nivelul întrefierului prin câmpul magnetic învârtitor rezultant;- - pierderile active din cuprul rotorului, m2 fiind numărul de faze al înfăşurării rotorice;- - pierderile mecanice (prin frecări în lagăre si prin frecarea rotorului si a ventilatorului de pe ax cu aerul);- - puterea mecanica totală dezvoltată de motor;- - puterea mecanică utilă la axul motorului.

Din punct de vedere al bilanţului de puteri reactive motorul asincron este un receptor ohmic inductiv. Motorul preia putere reactivă relativ importantă de la reţea necesară magnetizării miezului feromagnetic, deci creării câmpului magnetic din maşină. Randamentul motorului asincron va avea expresia:

(26)

Factorul de putere al motorului asincron , este totdeauna inductiv. Motorul asincron este excitat de la aceeaşi reţea care îi furnizează si puterea activă.

d. Caracteristicile de funcţionare ale motorului asincronAprecierea posibilităţilor de utilizare a motorului asincron în acţionari electrice se

poate face utilizând caracteristica mecanică n=f(M) care reprezintă dependenta dintre turaţia motorului si cuplul electromagnetic dezvoltat de acesta.

Caracteristica cuplu-alunecare M=f(s) se obţine pe cale experimentală. Deducerea pe cale experimentala la bancul de încercări nu se poate face decât într-un domeniu restrâns. Forma caracteristicii M=f(s) în tot domeniul de variaţie a lui alunecării s se poate deduce pe cale analitică exprimând relaţia cuplului într-o forma aproximativă, simplificată, adică:

(27)

cunoscută sub numele de formula lui Kloss. Cu ajutorul acestei formule se poate explica uşor forma caracteristicii M=f(s) reprezentată în fig. 8. Astfel, pentru alunecări mici ,

se poate neglija termenul în comparaţie cu si expresia (27) devine:

(28)

adică dependenta dintre cuplu si alunecare se face după o hiperbolă echilateră (fig. 8).

Fig. 8. Caracteristica M=f(s) a motorului asincron

În domeniul maşina funcţionează în regim de motor (M>0, n>0); în domeniul maşina funcţionează în regim de frâna electrica (M>0, n<0); în domeniul maşina funcţionează în regim de generator electric (M<0, n>n1).

Porţiunea AB a caracteristicii este o porţiune instabilă de funcţionare a motorului asincron deoarece orice creştere a cuplului rezistent la axul maşinii va duce la creşterea alunecării si la scăderea cuplului electromagnetic dezvoltat.

Rezumând cele arătate mai sus putem afirma că motorul asincron funcţionează stabil si cu randament superior în domeniul .

Caracteristica mecanică rezultă din caracteristica cuplu-alunecare ţinând seama de relaţia liniară dintre turaţia n si alunecarea s, adică:

(29)

Fig. 9. Caracteristica mecanică a motorului asincron

Ordonata la origine ( , ) corespunde sincronismului ( , ). Tăietura absciselor ( , ) corespunde cuplului de pornire ( , ).

Examinând expresia cuplului electromagnetic funcţie de alunecare se observă că se poate schimba forma caracteristicii prin modificarea valorii efective a tensiunii de alimentare, a frecventei tensiunii de alimentare si a rezistentei rotorice a motorului, caracteristicile astfel obţinute fiind prezentate în fig. 10.

a b c Fig. 10. Caracteristici motorului asincron la

a – tensiune variabilă b – frecventă variabilă; c – rezistentă rotorică variabilă

Si pentru caracteristica mecanică n=f(M) se pot trasa cele trei familii de caracteristici obţinute prin variaţia mărimilor U1, f1 si R2, redate în fig. 11.

e. Pornirea motorului asincronAlegerea motorului si a modului de pornire depind de cuplul static rezistent al

mecanismului de antrenat si de curentul de pornire maxim admis pentru motor si pentru reţeaua de alimentare. Totodată pornirea trebuie să se facă fără şocuri periculoase pentru elementele transmisiei.

a b cFig. 11. Caracteristici mecanică la

a – tensiune variabilă b – frecventă variabilă; c – rezistentă rotorică variabilă

e1. Pornirea motoarelor cu rotorul bobinatMotorul se poate porni la cuplul dorit prin introducerea de rezistente suplimentare în

circuitul rotorului.

Fig. 12. Caracteristici mecanică la pornirea motorului cu rotorul bobinat

Se limitează astfel curentul de pornire mărind rezistenta circuitului rotorului prin conectarea în serie a unor rezistente exterioare. De obicei aceste rezistente sunt reglabile în trepte care se scurtcircuitează succesiv pe parcursul procesului de pornire (fig. 12).

Valoarea rezistentei se alege astfel încât la pornire motorul sa dezvolte un cuplu cât mai aproape de cuplul maxim.

e1. Pornirea motoarelor cu rotorul în scurtcircuitPornirea directă se face prin conectarea motorului direct la reţea acolo unde

reţelele de alimentare si mecanismele antrenate permit acest lucru. Această metodă se aplică motoarelor de puteri relativ mici, unde curentul de pornire este în limitele

si acestea fiind proprii pentru motor în parte, de putere si turaţie.

Reducerea tensiunii de alimentareMetoda se foloseşte în special la motoarele mari, prin introducerea în serie cu

statorul a unei bobine (fig. 13.a) sau a unui autotransformator (fig. 13.b).Caracteristicile sunt redate în fig. 10.a si fig. 11.a. După terminarea procesului de pornire, bobinele se scot din circuit.

a b c d

Fig. 13. Pornirea motoarelor asincrone

Pornirea stea-triunghi se poate aplica motoarelor care au scoase cele sase capete ale înfăşurării statorice si care pot funcţiona în triunghi la tensiunea reţelei trifazate la care se va cupla. Deci un motor cu tensiunea de lucru 220/380V se poate porni stea-triunghi numai la reţeaua trifazată cu tensiunea de linie de 220V. La pornire (fig. 13.c) se conectează întrerupătorul I1 si I2 pe poziţia Y, înfăşurarea statorică se conectează în stea, astfel că intensitatea curentului fată de conexiunea triunghi va fi de trei ori mai mică,

. După ce se ajunge în regim staţionar se conectează înfăşurarea statorică în triunghi. În acest fel tensiunea de fază aplicată statorului va creste de ori, deci cuplul electromagnetic va creste de trei ori (cuplul fiind proporţional cu pătratul tensiunii de alimentare).

La comutarea în triunghi au loc salturi de curent si de cuplu, motorul trecând pe o altă caracteristică de funcţionare (fig. 13.d).

Pornirea stea-triunghi se poate face numai în gol sau cu un cuplu static rezistent redus, excluzându-se pornirile în plină sarcină.

f. Reglarea turaţiei motorului asincronPornind de la relaţia ce defineşte turaţia motorului asincron:

(30)

reiese că acesta poate fi reglată prin schimbarea numărului de perechi de poli p, a frecventei tensiunii de alimentare f1 si prin modificarea alunecării s (deci a rezistenței rotorice).

f1. Reglarea turaţiei prin schimbarea numărului de perechi de poliModificând numărul de perechi de poli p, se modifică în trepte viteza de sincronism

si deci viteza de rotaţie a motorului asincron. Modificarea numărului de perechi de poli se poate face pe doua cai:

- prin introducerea în crestăturile statorului a doua înfăşurări distincte cu număr diferit de poli, obţinându-se în acest fel două turaţii de sincronism diferite. Evident în acest caz, secţiunea crestăturilor va fi mai mare ducând la creşterea curentului de mers în gol si a reactanţei magnetice de dispersie statorice. Ca urmare se obţin un factor de putere si un randament scăzute.- prin realizarea înfăşurării statorice pe fiecare fază din doua secţiuni identice care printr-un comutator special pot fi conectate în serie sau în paralel, determinând astfel configuraţii cu p=2, respectiv p=1 (fig. 14.).

Fig. 14. Motor cu p=1 si p=2

f2. Reglarea turaţiei prin variaţia frecventeiModificarea frecventei tensiunii de alimentare se face cu convertizoare statice de

frecventă cu condiţia respectării constante a raportului U1/f1 , aceasta pentru a menţine un factor de supraîncărcare constant si pentru a evita saturarea maşinii la frecvente joase.

Familia de caracteristici mecanice obţinută pentru diverse frecvente are un aspect favorabil menţinând capacitatea de suprasarcină indiferent de viteză (fig. 15). Aceasta metodă asigură o gamă largă de turaţii, o reglare fină, fără pierderi de energie.

Fig. 15. Familia de caracteristici mecanice la modificarea frecventei

f3. Reglarea turaţiei prin modificarea rezistentei rotoriceAceasta metodă de reglare se poate aplica numai motoarelor cu rotorul bobinat.

Introducerea de rezistente în serie cu înfăşurările de fază rotorice modifică crescător alunecările critice aşa cum am văzut la pornirea motoarelor cu rotorul bobinat (paragraf d).

Reostatele de reglare cu rezistente în trepte sunt asemănătoare cu cele de pornire, dar destinate pentru o funcţionare de lungă durată.

Prin introducerea în rotor a rezistentelor suplimentare se poate regla viteza în jos fată de cea sincronă în limite largi, cu scăderea rigidităţii caracteristicii. Fineţea reglajului depinde de numărul treptelor reostatului de reglare.

Dezavantajele metodei constau în:- eficientă economică slabă datorită pierderilor mari prin efect termic pe rezistentele exterioare;- necesitatea dimensionării speciale a reostatului de reglare pentru stabilirea regimului termic, fapt ce îi măreşte costul;

Cu toate aceste dezavantaje reglarea turaţiei motoarelor asincrone cu ajutorul reostatelor rotorice este larg utilizată în practică datorită în special simplităţii ei si mai ales la acţionarea mecanismelor de ridicat (macarale, poduri rulante) care nu necesită un reglaj continuu de turaţie si care funcţionează în regim intermitent.

g. Frânarea motorului asincronRegimul de frână este regimul în care maşina primeşte putere electrică din reţeaua de

alimentare trifazată şi putere mecanică pe la arbore transformând-o în căldură prin efect Joule. Maşina asincronă intră în regim de frânare atunci când cuplul electromagnetic dezvoltat este de sens opus sensului său de rotaţie. În acest caz alunecarea devine:

g1. Frânarea propriu-zisă Constă în înserierea de rezistente în circuitul rotoric cu sau fără inversarea sensului

succesiunii fazelor.În cazul introducerii doar a rezistentelor suplimentare maşina îşi păstrează sensul de

rotaţie al câmpului învârtitor dar îşi schimbă sensul de rotaţie a rotorului. Din acest punct de vedere se mai numeşte si frânare contracurent.

Schimbarea sensului de rotaţie a rotorului poate fi făcută forţat de către maşina de lucru cu care este cuplat motorul (la macarale când sarcina este prea mare si începe să coboare), sau lucrând pe o caracteristică mecanică artificială corespunzătoare rezistentei suplimentare înseriate în rotor (fig. 16).

Fig. 16 Fig. 17

În punctul N maşina funcţionează ca motor. Pentru frânare se introduce o rezistenta suplimentară în rotor Rs4 astfel încât motorul trece in punctul de funcţionare N” samd.

Frânarea propriu-zisă prin inversarea sensului de succesiune a fazelor se foloseşte în acţionările electrice pentru frânarea rapida a mecanismului antrenat. În acest scop se inversează două faze de la reţeaua de alimentare si, simultan, se introduc în rotor rezistente suplimentare pentru limitarea curentului rotoric.

Iniţial maşina funcţiona în regim de motor, corespunzător punctului N (fig. 17). Inversând două faze si înseriind rezistenta Rs în rotor, punctul de funcţionare va sari brusc din N în N' corespunzător noii caracteristici mecanice. În acest punct de funcţionare maşina lucrează în regim de frâna propriu-zisă, cuplul electromagnetic dezvoltat fiind de sens invers si acţionând în sens invers cuplului de inerţie al maselor în muscare ale instalaţiei.

În scurt timp punctul de funcţionare va ajunge în N'' corespunzător turaţiei n=0 si cuplului M's=-Mr.

Dacă în acest punct se scurtcircuitează rezistenta suplimentara, Rs punctul de funcţionare se va deplasa rapid în N''' corespunzător turaţiei n'2=- n2 si cuplului M's= - Mr , adică corespunzător regimului de motor sens stânga (considerând regimul iniţial motor sens dreapta).

Aceasta metoda se mai numeşte si frânare prin contraconectare si are o largă aplicaţie atât pentru inversarea sensului de rotaţie al motorului cât si pentru oprirea sa completă.

g2. Frânarea cu recuperare de energie În acest mod de frânare maşina trece din regim de motor în regim de generator.

Astfel cuplul electromagnetic devine negativ (de frânare), iar turaţia la ax devine

suprasincronă (alunecarea devenind negativă pentru ). Pentru a trece în

acest regim se impune ca maşina să primească energie mecanică la ax, energie care se transformă în energie electrică si care prin stator este recuperată în reţea.

Acest mod de frânare este reprezentat în fig. 18 pe caracteristica mecanică naturală. Punctul de funcţionare N, sub acţiunea unui cuplu de sarcină de acelaşi sens cu cuplul electromagnetic dezvoltat, va trece în domeniul turaţiilor suprasincrone, cuplul electromagnetic dezvoltat schimbându-si sensul (N') devenind astfel un cuplu de frânare.

Fig. 18.

Asemenea mod de frânare îl întâlnim frecvent în tracţiunea electrică când vehiculul coboară o pantă, componenta tangenţială a greutăţii sale antrenând rotorul motorului la viteze suprasincrone, sau la macarale când se coboară sarcina.

g3. Frânarea fără recuperare e energie (frânarea dinamică)

Acest tip de frânare numit si frânare dinamică se obţine prin trecerea motorului în regim de generator asincron pe reţea proprie.

Acest lucru se realizează prin deconectarea statorului de la reţeaua de curent alternativ si prin alimentarea sa de la o reţea de curent continuu (prin deschiderea întrerupătorului K1 si închiderea întrerupătorului K2 din fig. 18). Curentul continuu parcurgând fazele statorului, produce la periferia interioara a statorului un câmp magnetic fix, alternativ în spaţiu si constant în timp. Pentru rotorul maşinii care continua sa se rotească, acest câmp reprezintă un câmp învârtitor, având viteza relativă fată de acesta.

Fig. 19

În fazele rotorului se vor induce t.e.m. care vor produce la rândul său curenţi alternativi. În rezistentele fazelor rotorice se va consuma în scurt timp prin efect Joule întreaga energie cinetică acumulată în masele în mişcare ale instalaţiei care se va frâna până se va opri.