Masini electrice asincrone

5/10/2018 Masini electrice asincrone - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/masini-electrice-asincrone 1/24

CAP.7. MAŞINI ELECTRICE ASINCRONE

Maşinile electrice transformă energia mecanică în energieelectrică, atunci când funcţionează în regim de generator sau transformăenergia electrică în energie mecanică, atunci când ele funcţionează înregim de motor. Dacă maşina primeşte atât energie electrică cât şi energie

mecanică (la arborele maşinii), astfel încât cele două energii setransformă, prin pierderile din maşină în căldură, atunci maşinafuncţionează în regim de frână electromagnetică. În general funcţionareamaşinilor electrice este reversibilă, acdică aceeaşi maşină poate funcţionaşi ca generator şi ca motor.

Există un grup de maşini, numite convertizoare de frecvenţă, caretransformă energia electrică de c.a. cu o anumită frecvenţă în energieelectrică cu o altă frecvenţă.

În practică se întâlneşte cel mai des funcţionarea în regim de motor şi înregim de generator. Motorul electric este limentat de la o reţea de c.a. sauc.c. şi dezvoltă, la arbore, o putere mecanică. Generatorul electric esteantrenat, în mişcarea de rotaţie de un motor exterior (electric, termic,hidraulic etc.) şi debitează energie electrică pe o reţea de c.a. sau c.c. (înfuncţie de tipul generatorului).

7.1. Elementele constructive de bază ale maţinii asincrone

trifazateMaşina asincronă este compusă din două părţi: o parte fixă,

numită stator şi o parte mobilă, acre are o mişcare de rotaţie, numitărotor.

Statorul maşinii asincrone trifazate este format dintr-o carcasă dinfontă sau oţel turnat, în interiorul căreia ste aşezat un miez de oţelelectrotehnic, de formă inelară, asamblat din tole cu grosimea de 0,35 sau0,5 mm. Tolele sunt izolate între ele. Pe suprafaţa interioară a miezului,

în lungul generatoarei, există crestături sau şanţuri în care se introducconductoarele înfăşurării statorului. Figura 7.1.1 reprezintă , schematic, o



secţiune transversală prin statorul unui motor asincron trifazat, prevăzutla partea inferioară cu o talpă, necesară fixării motorului pe un postament.

Înfăşurarea statorică, la motorul asincron trifazat, este formată din

trei înfăşurări monofazate, independente, plasate în crestături şi defazateîntre ele cu un unghi de 1200. Capetele înfăşurărilor sunt scoase la o plăcuţă de borne şi conectate în stea sau triunghi.

Cea mai simplă înfăşurare, compusă din trei bobine aşezate înşase crestături (bobinaj într-un strat), este

reprezentată în fig.7.1.2a, iar înfig.7.1.2b s-a reprezentat schema deamplasare a celor trei bobine (în

crestături s-a figurat câte un singur conductor, în realitate sunt maimulte conductoare emailate sau izolate cu

bumbac şi carton electrotehnic faţăde miezul de oţel).

Considerând momentul cândcurentul prin faza A–X este pozitiv,

iar prin fazele B-Y şi C–Z negativ,adică ţinând cont de sensul curenţilor prin

conductoare la un moment dat, se observă că se formează un câmp

Fig.7.1.1

Z A Y C X B

A

Z

B

X

Y

C

a) b)

Fig.7.1.2



magnetic cu doi poli (p=1); zonele statorice în care liniile de câmpmagnetic ies din stator constituie un pol nord.În prima parte a cursului, la producerea câmpului magnetic învârtitor trifazat, s-a arătat că dacă trece un curent alternatir trifazat prin trei

bobine, decalate între ele cu un unghi de 1200 apare un câmp magnetic,care se roteşte cu vitaza unghiulară egală cu pulsaţia curentului alternativtrifazat, adică se poate scrie ω =Ωca (aceasta în cazul p=1).

În construcţia maşinilor electrice se urmăreşte ca înfăşurările săformeze, în întrefier, câmpuri magnetice cu o distribuţie spaţială ainducţiei cât mai apropiată de o funcţie sinusoidală. În acest scop seutilizează înfăşurări cu mai multe bobine pe fază (mai multe crestături pe pol şi fază). În fig.7.1.3a) şi b) se arată modul de realizare a unei

înfăşurări monofazate cu trei crestături pe pol şi fază. Înfăşurarea cu p=1se obţine aşezând şi celelate două înfăşurări monofazate decaşate înspaţiu astfel încât axele polilor să formeze unghiuri de 1200.

În cazul când înfăşurarea se construieşte pentru mai multe perechide poli, aşezarea celor trei faze se face în aşa fel încât defazajul de 120 0

(grade electrice) să corespundă la 1200/p.(grade geometrice). Deexemplu, pentru oînfăşurare cu p=2 şi cuq=2 crestături pe pol şifază statorul trebuie săaibă 2424323 =⋅⋅=⋅⋅ q p

c restături şi defazajul întreînfăşurări trebuie să fie120/2=600 (gradegeometrice).Reprezentarea schematicăeste dată în fig.7.1.4,

unde se poate vedea că

A

x

a) b)

A x

Fig.7.1.3

X

Y A

Z

B

C

N S

NS

XZ A B C Y

τ τ

Fig.7.1.4



defazajul între două faze alăturate este de patru crestături, adică de 600

geometrice (unghiul corespunzător unei crestături estede 360/24=150).Distanţa τ , măsurată între axele a doi poli alăturaţi se numeşte

pas polar.

Rotorul maşinii asincrone este format dintr-un ax de oţel pe carese asamblează tole circulare de oţel electrotehnic, izolate între le cu lacsau prin oxidare. La periferia rotorului, care este de formă cilindrică, suntdistribuite uniform, în lungul generatoarei, crestături sau şanţuri, în carese introduc conductoarele înfăşurării rotorului. După modul de execuţie aînfăşurării rotorului, se distinge:

a) rotor bobinat sau cu inele colectoare; b) rotor în scurtcircuit sai în colivie.

Rotorul bobinat are înfăşurarea exectată sub formă de bobine, lafel ca înfăşurarea unui stator. Cele trei faze sunt conectate în stea,capetele libere fiind legate la trei inele colectoare, fixate pe axulrotorului, izolate între ele şi faţă de ax. Pe inele se aplică câte o perie dincărbune metalizat (bronz-grafit), pri intermediul cărora se face legătura laun reostat de pornire trifazic, conectat în stea.

Rotorul în scurtcircuit are înfăşurarea executată din bare dealuminiu, formate prin turnare, crestăturile fiind închise. Barele suntscurtcircuitate în ambele părţi ale rotorului prin două inele de aluminiu,formate din crestăturile rotorului, apare sub forma unei colivii (fig.7.1.5).Întrefierul maşinilor asincrone trebuie să fie cât mai mic (cca. 0,25 ÷ 0,4

mm).Schema electrică a

maşinii asincrone estereprezentată în fig.7.2.1 (a – pentru motorul cu rotorul înscurtcircuit şi b – pentru

motorul cu rotorul bobinat).

7.2. Funcţionarea maşinii asincrone în regim de motor

Prin legarea înfăşurării statorului la o reţea de c.a. trifazat, princale trei faze va trece un curent alternativ care va da naştere la un câmpmagnetic pulsativ. Prin suprapunerea celor trei câmpuri magnetice

pulsative, monofazate, va apare un câmp magnetic rezultant care va firotitor.

Fig.7.1.5



t1

t2

t3

Fig.7.2.2

În fig.7.2.1 se reprezintă modul de apariţie al câmpului magnetic

învârtitor statoric, considerând în trei momente diferite: t1 – curentul i1

are valoarea maximă; t2 – curentul i2 are valoarea maximă; t3 – curentul i3

are valoarea maximă. Statorul este reprezentat schematic, înfăşurareastatorică fiind considerată pentru p=1 şi câte două bobine pentru

fiecare fază.După um se observă, axa polilor O1 – O1

în momentulul t1, coincide cu axa bobinelor 1-1’ prin care i1 este maxim, iar

momentul t2 axa polilor O2 – O2

coincide cu axa bobinelor 2-2’ prin care i2

este maxim. Se observă, de asemenea, cădistribuţia liniilor de câmp magnetic este

aceeaşi, indiferent de momentul considerat de timp corepunzător diferenţei t2-t1 sau t3-t2, adică corespunzător unei treimi pe perioadă,

câmpul

magnetic sedeplasează

în sensul orar cu câte120o, adică într-o periadă execută o rotaţie completă.

Evident, dacă ar fi de p ori mai mică.

S

pre

re

ostat

de

pornire

a) b)Fig.7.2.1



Notând cu csΩ - viteza unghiulară a câmpului magnetic învârtitor statoric, se poate scrie relaţia:

pcs

ω =Ω (7.2.1)

sau dacă înlocuim nπ ω 2= şiSC

ncs

12π =Ω , unde n1 reprezintă numărul

de rotaţii a câmpului statoric, rezultă:

p

f n

601 = (rot/min) (7.2.2)

Câmpul magnetic învârtitor induce în înfăşurarea rotorului câte ot.e.m. în fiecare fază. Dacă circuitul înfăşurării rotorului este închis (încazul rotorului în scurtcircuit această condiţie este îndeplinită

întotdeauna), atuci prin cele trei faze va circula câte un curent. Cei trecurenţi rotorici vor forma un sistem trifazat simetric. Asupraconductoarelor străbătute de curenţii rotorici, care sunt situate în câmpulmagnetic învârtitor statoric, se vor exercita forţe electromagnetice, acăror valoare instantanee este: l i B f ⋅⋅= 2

Rezultanta acestor forţe va produce un cuplu, care va determinamişcarea de rotaţie a rotorului şi deci maşina asincronă va funcţiona camotor. Rotorul se va învârti cu viteza ungiulară r Ω , în sensul de rotaţie

a câmpului învârtitor statoric.Când înfăşurarea rotorică nu este străbătută de curent, adică atuci

când circuitul rotoric este deschis (de ex., periile de pe inelele colectoaresunt ridicate), nu vor apare forţe electromagnetice şi deci rotorul nu se vaînvârti. În această situaţie maşina sincronă se comportă ca untransformator funcţionând în gol.

La funcţionarea maşinii asincrone în regim de motor vitezaunghiulară r Ω va fi întotdeauna mai mică decât csΩ . Dacă presupunem

csΩ = r Ω înseamnă că liniile de câmp magnetic învârtitor statoric nuintersectează conductoarele înfăşurării rotorice nu se induc t.e.m. şi caurmare nu vor apare curenţii rotorici şi nici forţele electromagnetice,adică cuplul motorului va fi zero.

Deoarece aceste motoare funcţionează cu o turaţie mai mică decâta câmpului magnetic învârtitor, ele se numesc motoare asincrone, iar turaţia câmpului magnetic învârtitor se mai numeşte turaţie desincronism.

La trecerea curentului rotoric prin conductoarele înfăşurăriirotorului, se va forma un câmp magnetic propriu, rotoric, care va fi un



câmp magnetic indus.Infăşurarea rotorică fiind trifazată, cu acelaşi număr de poli ca şi ai înfăşurării statorice, cele trei fazefiind decalate între ele cuacelaşi unghi de 1200 şi străbatute de curenţi rotorici, ce va forma uncâmp magnetic rotoric, învârtitor, care faţă de rotor va avea viteza

unghiulară cr 'Ω ω = '2r ca p Ω−Ω= unde 2ω reprezintăpulsaţia

curentului rotoric. Faţă de stator, câmpul magnetic învârtitor rotoric seva învârti cu viteza unghiulară r cr Ω+Ω' egală cu cea a câmpuluiînvârtitor statoric csΩ . Cela două câmpuri învârtitoare, statoric şirotoric, fiind sincrone vor da un câmp rezultant, care va rămâne constant,indiferent de regimul de funcţionare a rotorului. De exemplu, dacăsarcina motorului creşte(cuplul rezistent la arbore se măreşte), va creşteşi cuplul motor, pentru a echilibra creşterea cuplului rezistent, însăaceastă creştere a cuplului motor va fi dată de creşterea forţelor electromagnetice, respectiv de creşterea curentului rotoric, care duce lacreşterea câmpului magnetic rotoric.Câmpul magnetic rotoric fiind uncâmp indus, tinde să micşoreze câmpul magnetic rezultant şi din aceastăcauză, adică pentru a se menţine constant, trebuie să crească câmpulinductor statoric, respectiv curentul statoric.Iată deci că o creştere asarcinii motorului(a cuplului rezistent), antrenează în mod automat ocreşterea curentului statoric.

Curentul rotoric depinde de t.e.m.indusă în înfăşurarea rotorică,care la rândul său depinde de viteza cu care liniile de câmp magneticînvârtitor intersectează conductoarele înfăşurării rotorului.Pentru caaceastă viteză să crească , odată cu creşterea cuplului rezistent la arbore,trebuie ca rotorul să se învârtă mai lent. Modificarea vitezei unghiulare

r Ω şi a curentului rotoric se face automat.Raportul dintre −Ωcs r Ω , care reprezintă viteza unghiulară cu

care liniile de câmp magnetic învârtitor intersectează conductoarele

rotorului şi csΩ se numeşte alunecare, adică:(%)100*

cs

r cseΩ

Ω−Ω= (7.2.3)

Astfel alunecarea caracterizează gardul de rămânere în urmă a rotoruluifaţă de câmpul magnetic învârtitor statoric.Alunecarea se poate exprimaşi în funcţie de turaţia, în rot/min. a câmpului magnetic învârtitor n1 şi arotorului n2, dacă în relaţia (7.2.3) se înlocuieşte 60/2 1ncs π =Ω şi

2=Ωr 60/2nπ şi rezultă:



1

21

n

nna

−= (7.2.4)

La pornire n20=

şi deci a 1= , iar la sincronism 12 nn = şi deci

.0=a Alunecarea motoarelor fabricate în ţară(la Fabrica de maşinielectrice din Bucureşti, la Uzinele constructoare de maşini din Reşiţa, laElectromotor Timişoara, la Fabrica de micromotoare din Piteşti etc.),variază la sarcină nominală între %3 şi 6% .

Pulsaţia curentului rotoric se poate deduce din relaţia:csr cscr aΩ=Ω−Ω=Ω' şi deci:

csr cs a p p Ω=Ω−Ω= ..)(2ω

sau:

pa p 1

2 ..ω

ω = şi deci :

2ω 1.ω a= sau 12 . f a f = (7.2.5)

Considerând %4=a , rezultă Hz f 25004,02 =⋅= , deci ofrecvenţă mică.

7.3. Cuplul electromagnetic al maşinii asincrone.Caracteristica mecanică

Maşina asincronă trifazată, funcţionând în regim de motor, primeşte energie electrică de la reţea şi o transformă în energie mecanică,la arbore. În maşină au loc mai multe transformări de energie, după cumurmează:

- în stator o parte din energia electrică primită de la reţea se

transformă în energie termică, datorită rezistenţei ohmice aînfăşurării statorice, constituind pierderile de enrgie în cupru; oaltă parte se transformă tot în energie termică datorităfenomenului de histerezis şi a curenţilor turbionari, constituind pierderile de energie în fier; restul energiei se transmite rotorului, prin întrefier, pe cale electromagnetică;

- în rotor energia electromagnetică primită de la stator sevatransforma astfel: o parte se transformă în energie termicădatorită rezistenţei ohmice a înfăşurării rotorice, constituind

pierderile de energie în cupru (sau aluminiu); o parte în energiatermică datorită fenomenului de histerezis şi curenţilor turbionari



din rotor, care însă fiind mică, întrucât frecvenţa curentuluirotoric este mică (1,5÷ 3 Hz), se neglijează; o altă parte setransformă în energie mecanică pentru a acoperi frecările în palierele maşinii, frecările cu aerul ale rotorului şi ventilatorului;

restul energiei electromagnetice se transformă în energiemecanică şi se transmite la arbore pentru a fi utilizată demecanismul antrenat de motor (un utilaj, ca de exemplu strung, pompă, ventilator, etc.).Bilanţul acestor transformări de energie este reprezentat în

fig.7.3.1 sub forma unui bilanţ de puteri. S-a notat: P1- puterea electrică primită de stator, de la reţea; 1Cu P ∆ şi 2Cu P ∆ pierderile de putere în

cuprul înfăşurărilorstatorului şi

rotorului; Fe P ∆ -pierderile de putere în fierul înfăşurărilor statorului ; Pr - puterea transmisărotorului pe caleelectromagnetică; mec P ∆ - pierderi mecanice de putere; PM- puterea mecanică utilă la arborele

rotorului.

Între aceste puteri se pot scrie relaţiile: FeCur P P P P ∆+∆+= 11

M mecCur P P P P +∆+∆= 2 (7.3.1)Puterea mecanică mecM P P ∆+ , în funcţie de momentul cuplului

motor M, este:r mecM M P P Ω⋅=∆+ (7.3.2)

Puterea electromagnetică transmisă de stator, rotorului, se va scrieîn mod asemănător:

CS r M P Ω= (7.3.3)Din relaţiile (7.3.1), (7.3.2) şi (7.3.3) rezultă :

r CuCS M P M Ω+∆=Ω 2 , sau :r CS

Cu P M

Ω−Ω

∆=

2

Dar, 2

2223 I R P Cu =∆ (R 2 reprezintă rezistenţa ohmică a

înfăşurării rotorului, pentru o fază) şi paa CS r CS /1ω =Ω=Ω−Ω şi deci :

1

2

223

ω e

I pRM = (7.3.4)

∆ P

Cu1

∆ P

Cu2

∆ P

Fe

∆ P

mecu2

P1

Pr PM

Fig.7.3.1



Curentul rotoric I2 poate fi exprimat în funcţie de t.e.m. E2 indusăîn înfăsurarea rotorului şi de impedanţa Z2 a rotorului şi deci:

2

2

2

2

22

2

22

2 X R

N

Z

E I m

+

Φ==

ω

unde mΦ este fluxul magnetic maxim, care rămâne constant, indiferentde sarcina maşinii, dacă tensiunea de la reţea este constantă. Rezultă:

)(2

32

2

2

21

22

2

2

22

X Ra

N pRM m

+

Φ=

ω

ω

(7.3.5)

Se observă că momentul cuplului electromagnetic este proporţional cu 2

mΦ . Fluxul magnetic fiind proporţional cu tensiunea

reţelei, aplicată statorului, rezultă că momentul cuplului motor depindede pătratul tensiunii de la reţea. Aceasta constituie un dezavantaj pentrumotoarele trifazate asincrone, deoarece momentul cuplului motor estesensibil la variaţiile de tensiune( de exemplu, dacă tensiunea de la reţeascade cu 10% momentul cuplului motor scade cu 19%, deoarece( ) ).81,09,0 22

nn U U = )Impedanţa înfăsurării rotorului Z2 , se poate scrie sub

forma:222222 ω jL R jX R Z +=+=

sau ţinând cont de relaţia (7.2.5):1222 ω a jL R Z += şi notând a X L 212 =ω , rezultă căa jaX R Z 222 +=

relaţia (7.3.5) devine:

( )2

2

22

2

22

212

2

3

a

m

X a R

N a pRM

+

Φ=

ω

sau

+

Φ=

2

2

2

2

22

212

2

3

a

m

aX a

R

N pRM

ω

(7.3.6)Întrucât alunecarea variază între 1 (la pornire) şi zero (la

sincronism) se observă că la sincronism momentul cuplului este zero , iar la pornire ponderea reactanţei X2a este mai importantă decât a rezistenţei

ohmice R 2/a ; în regim de turaţie constantă, când alunecarea este mică,termenul R 2/a va avea o pondere mai mare decât reactanţa X2a. Graficul



de variaţie M(a) este prezentat în figura 7.3.2, valoarea maximă Mmax,determinându-se prin rezolvarea ecuaţiei : dM/da= 0. Din rezolvareaacestei ecuaţii rezultă:

a

m X

R

a2

2

±=

şi

=maxM a

m

X

N p

2

22

21

4

3 Φω

(7.3.7)

Se observă că Mmax nu depinde de rezistenţa ohmică a înfăşurăriirotorului şi că este proporţional cu 2

mΦ , adică este direct proporţional cu

pătratul tensiunii de la reţea. De asemenea se observă că valoarea

alunecării am, pentru care momentul cuplului este maxim, este direct proporţională cu rezistenţa R 2 a unei ţnfăşurări rotorice ( a unei faze).

Pe caracteristica M(a) se pot delimita cele trei regimuri defuncţionare ale maşinii asincrone:

• regimul motor, când alunecarea variază între valorile 1-la pornire şi zero la sincronism;

• regimul de generator când alunecarea ia valori negative;această situaţie se poate ivi când turaţia motorului devine maimare decât turaţia câmpului magnetic învârtitor statoric, adică

atunci când maşina primeşte energie mecanică la arbore şi otransformă în energie electrică;

Regim de motor

Regim de generator

0.2-0.2

Franaelectromagnetica

M

MmaxMr

Mp

Fig.7.3.2



• regimul de frână electromagnetică, când alunecarea devinemai mult decât 1, adică atunci când rotorul se va învârti însens invers faţă de câmpul magnetic învârtitor statoric;

În practică, funcţionarea maşinii asincrone în regim motor seîntâlneşte foarte des, în regim de generator, însă nu se foloseşte decât înmod întâmplător (de exemplu în cazul tracţiunii electrice, când vehicululcoboară o pantă şi deci maşina asincronă, fiind legată la reţea şi primindenergie cinetică, o va transforma în energie electrică, dacă rotorul se vaînvârti cu o turaţie mai mare decât cea a câmpului magnetic învârtitor ).

Funcţionarea în regim de frână electromagnetică se foloseşte decele mai multe ori la instalaţiile de ridicat şi transportat, la coborâreasarcinii, când rotorul învârtindu-se în sens invers primeşte energie

electrică şi energie mecanică, şi le transformă în căldură, în rezistenţarotorului, prin efect Joule –Lentz, iar în parte, acoperă pierderilemecanice ale maşinii şi pierderile în fierul rotoric, care în acest regimsunt relativ mari, deoarece frecvenţa curenţilor rotorici f 2=sf>f 1.

Un alt exemplu de funcţionare în regim de frână electromagneticăeste următorul: să considerăm că maşina asincronă a funcţionat ca unmotor, antrenând un mecanism oarecare; dacă se decuplează motorul dela reţea, rotorul va continua să se rotească inerţial. În vederea frânăriirapide, imediat după decuplare se inversează două faze şi se recuplează lareţea. Se ştie că la inversarea a două faze , câmpul magnetic învârtitor îşischimbă sensul de învârtire şi deci maşina va intra în regim de frânăelectromagnetică. O asemenea frânare se numeşte frânare princontraconectare a motorului. Pentru că după oprirea rotorului, el să nuintre din nou în regim de motor, cu sens invers de rotire, trebuie caalimentarea înfăşurării statorice să fie ăntreruptă. În practică acest lucruse realizează cu ajutorul unor scheme de acţionare, care vor fi prezentateîn cadrul capitolului de acţionări electrice.

În fig.7.3.2 se arată şi poziţia momentului cuplului nominal Mn,dezvoltat de motorul asincron. De obicei Mmax=(1,5 ÷ 3)Mn.. Cu câtmotorul funcţionează în condiţii mai grele cu şocuri de cuplu(laminoare,macarale, foraj), care pot depaşi cuplul nominal, cu atât Mmax trebuie săfie mai mare, din motive de siguranţă.

Tot în fig.7.3.2, se observă că pentru acelaşi cuplu rezistent Mr1

sunt posibile două puncte de funcţionare A şi B, la alunecări diferite.Motorul însă nu poate funcţiona stabil decât în punctul A, adică pe porţiunea urcătoare a caracteristicii M(a).



Să analizăm , în cele ce urmează , funcţionarea motorului asincrontrifazat în regim stabil. Să considerăm la arborele motorului un cuplurezistent Mr . Motorul poate porni în sarcină numai dacă cuplul de pornireM p este mai mare decât cuplul rezistent Mr .În această situaţie motorul

porneşte în sarcină şi turaţia motorului creşte(alunecarea scade) pânăcând se îndeplineşte relaţia de regim permanent:

M=Mr (7.3.8)după care turaţia rotorului rămâne constantă. În cazul cuplului rezistentMr , condiţia (7.3.8) se îndeplineşte în punctul P (fig7.3.3),corespunzătoare unei alunecări a p. Dacă la arbore există un cuplu

rezistent pr M M >'

motorul asincron nu poate

porni în sarcină. Totuşimotorul poate preluaaceastă sarcină, fiind ponit în gol şi apoi secuplează sarcinamecanică la arbore, pentru funcţionarea înregim permanent cu

această sarcină, nudepaşeste putereanominală a motorului.

Să că motorulfuncţionează cu un cuplu rezistent la arbore Mr şi că acesta are o creştere până la Mr1. În această situaţie momentul cuplului motor va creşte pânacând se va îndeplini condiţia (7.3.8) şi deci alunecarea se va mări până lavaloarea aA, respectiv turaţia motorului se va micşora. Deplasarea punctului de funcşionare A pe caracteristica M(a) se poate face pâna la

valoarea corespunzătoare alunecării maxime am, după care, dacă cuplulrezistent continuă să crească, nu va mai fi îndeplinită condiţia (7.3.8),adică momentul cuplului motor nu va creşte pentru a echilibra creştereacuplului rezistent, ci se va micşora şi deci funcţionarea motorului într-un punct B va fi instabilă.

În concluzie, la caracteristica M(a) interesează numai porţiuneacorespunzătoare alunecărilor cuprinse între 0 şi am.

Fig.7.3.3

MM

max

Mr1

Mr

aA

an

a p

M p

1

A B

P



Caracteristica M(a) poate fi reprezentată şi sub forma M(n2), dacă seînlocuieşte variabila a prin variabila n2=(1-a)n1, n1 fiind turaţia desincronism . Explicitând turaţia rotorului n2 în funcţie de momentulcuplului motor se obţine funcţia n2(M), care, reprezentată grafic are

aspectul din fig.7.3.4. Această caracteristică poartă denumirea decaracteristică mecanică a motoruluiasincron, care uneori estereprezentată şi sub forma n2 înfuncţie de puterea mecanică amotorului, adică n2(P2).

Porţiunii instabile dincaracteristica M(a) îi corespunde , în

caracteristica mecanică , porţiuneareprezentată prin linie întreruptă. Caformă, cele două caracteristici M2(M)

şi n2(P2) diferă foarte puţin , întrucât puterea utilă P2 este produsul dintremomentul cuplului motor şi turaţia

n2 din care se scad pierderile mecanice prin frecări.Puterii nominale P2n îi corespunde turaţia nominală n2n , care este

cu 3÷ 6% mai mică decât turaţia de sincronism. Din această cauză sespune că motorul asincron are o caracteristică rigidă, adică la diferitevalori ale sarcinii la arbore, turaţia motorului se modifică foarte puţin.

7.4.Caracteristicile motorului asincron trifazat

Principalele caracteristici de funcţionare ale motorului asincrontrifazat sunt:- caracteristica mecenică, analizată în paragraful anterior;

- caracteristica randamentului;- caracteristica factorului de putere;

Caracteristica randamentului reprezintă variaţia randamentului înfuncţie de puterea utilă )( 2 P

η ; atunci când tensiunea şi frecvenţatensiunii de alimentare a statorului rămân constante. Se ştie că

12 / P P =η , însă ∑∆+= P P P 21 , în care ∑∆ P reprezintă pierderilede putere ale motorului şi anume: pierderile în stator 1Cu Fe P P ∆+∆ şi pierderile în rotor mCu P P ∆+∆ 2 .

Fig.7.3.4

MmaxMn

MMp

nn

1n2



Randamentul motorului asincron atinge valoarea maximă între7550 ÷ % din puterea nominală şi are valori de 9385 ÷ %. Forma

caracteristicii )( 2 P η este cea din

fig.7.4.1.Caracteristica factorului de puterereprezintă variaţia factorului de putere în funcţie de puterea utilă cos

)( 2 P ϕ , atunci când tensiunea şi

frecvenţa tensiunii de alimentare astatorului rămân constante. Formacaracteristicii este cea din fig.229.

motorul asincron are cos1<ϕ

inductiv şi la mersul în gol arevaloarea cea mai mică, în jur de 0,2 3,0÷ . La funcţionarea în sarcină cos

creşte, atingând valoarea maximă la funcţionarea cu sarcinănominală.

7.5. Pornirea motorului asincron trifazat

S-a arătat că la pornirea momentului cuplului motor trebuie să fie

mai mare decât momentul cuplului rezistent r p M M > . Mărimeacurentului de pornire absorbit de la reţeaua de alimentare este în generalde (5 7÷ )I ln şi din această cauză se impun anumite condiţii,la pornire.Datorită şocului de curent la pornire, există consecinţe neplăcute atât pentru motorul propriu-zis (solicitarea termică a acestuia), cât mai ales pentru reţeaua de alimentare şi pentru protecţia motorului. Există maimulte metode de pornire şi anume:

a) Pornirea prin cuplarea directă a statorului la reţeaua de

alimentare. Această metodă se aplică în general numai al motoareleasincronice trifazate cu rotorul în scurtcircuit cu o putere nominală micăîn comparaţie cu puterea pe care o poate suporta reţeaua la care seconectează motorul. Există o relaţie empirică cu ajutorul căreia se poateaprecia dacă un motor de putere nominală P M poate fi pornit sau nu princuplare directă la o reţea, care poate suporta o putere instalată P inst şianume:

M

inst p

P

P

I

I

⋅+≤ 44

3

ln (7.5.1)

Fig.7.4.1

cos ϕ

cosϕ

1

ηη

100%



Pentru raportul ln/ I I p se ia valoarea 5,5 ÷ 6,5. Dacă condiţia(7.5.1) este îndeplinită, motorul poate fi pornit prin cuplare directă (deex.: P M =10 kw, P inst =100kw, rezultă ln/ I I p 3,25, deci nu esteîndeplinită condiţia şimotorul nu poate fi pornit prin cuplare directă lareţea).

În general motoarele până la câteva zeci de kw pot fi pornite princuplare directă.

b) Pornirea cu tensiune de alimentare redusă permite micşorareacurentului I p până la valori convenabile. Reducerea tensiunii dealimentare se poate realiza fie prin introducerea pe fiecare fază a unor rezistenţe chimice sau bobine, pentru producerea unor căderi de tensiune,astfel încât să se micşoreze tensiunile aplicate înfăşurărilor statorice

(fig.7.5.1) şi după pornire acestea se scot din circuit (se închideîntrerupătorul K 2 ) , fie prin inrecalarea unui autotransformator trifazatcoborâtor de tensiune (fig.7.5.2), care după pornirea motorului se scoatedin funcţiune (prin închiderea întrerupătorului K 2 şi deschiderea lui K 3)

Aceste metode de pornire au dezavantajul că la pornire momentulcuplului motor este micşorat cu pătratul micşorării tensiunii, iar în cazulfolosirii unui autotransformator trifazat,

acesta măreşte costul instalaţiei.

c) Pornirea cu ajutorul unuicomutator stea-triunghi (fig.7.5.3). acestsistem de pornire se poate face numai pentru motoarele care funcţionează cu

conexiunea înfăşurărilor statorului în triunghi. La pornire comutatorul

K 2

K 1

M

Fig.7.5.1 Fig.7.5.2

K 1

K 3

K 2

M

k

A B C

x y z

CBA

∆

Fig.7.5.3



stea-triunghi se dă pe poziţia stea. În felul acesta conexiunea înfăşurărilor statorului fiind în stea, intensitatea curentului la pornire va fi de trei orimai mică decât în cazul pornirii cu conexiunea în triunghi. După cerotorul a pornit şi turaţia lui este apropiată de cea normală, comutatorul

se dă pe poziţia triunghi. În felul acesta motorul va funcţiona în regimnormal, cu înfăşurările conectate ăn triunghi.

Dezavantajul acestei metode constă în faptul că, la pornire,tensiunea pe fază fiind micşorată de 3 de ori, momentul cupluluimotor este de trei ori micşorat şi deci motorul nu poate fi pornit subsarcină.

d) Pornirea cu ajutorul unui reostat de pornireAceastă metodă se aplică numai la motoarele cu rotorul bobinat.

La periile colectoare, care calcă pe inele, se leagă un reostat trifazat,conectat în stea (fig.7.5.4). La pornire se intercalează întreaga rezistenţăa reactantului în circuitul înfăşurăriistatorului. Pe măsură ce turaţiacreşte R P se micşorează până lascurtcircuitare. La unele motoare(de putere mică), există undispozitiv care scurtcircuitează celetrei inele colectoare şi totodatăridică periile de pe inele în scopulmicşorării pierderilor prin frecare şia uzurii inutile a periilor.Pornirea motorului cu ajutorulreostatului de pornire prezintăavantajul că intensitatea curentului I

P este micşorată până la valoarea

(1,5÷

2)In

, iar momentul cuplului motor este mare, adică motorul poatefi pornit poate fi pornit sub sarcină.S-a arătat , în cadrul §3, relaţia (205), că alunecarea pentru care

cuplul motor este maxim depinde direct proporţional de rezistenţachimică R 2 a circuitului rotoric şi că valoarea momentului cupluluimaxim nu depinde de R 2 .

R p

k

Fig.7.5.4



Curbele de variaţie ale momentului cuplului motor în funcţie dealunecare, pentru diverse valori ale rezistenţei R 2 sunt reprezentate în

fig.7.5.5 (curba 1 pentruvaloarea maximă arezistenţei reoatatului R P

şi curba 4 pentru

scurtcircuitareaacestuia). Se observă căîn timpul porniriivaloarea maximă amomentului cupluluimotor rămâne aceeaşi şică variaţia M )(a se facedupă curbele figurate culinie continuă, dacănicşorarea rezistenţei se

face în momentul când aceste curbe se intersectează. Punctul Acorespunde scurtcircuitării reostatului de pornire. Porţuinile din curbefigurate cu linie întreruptă corespund funcţionării motorului cu

p Rr R +=22 (r 2 = rezistenţa chimică a unei faze a înfăşurării rotorului),

R p având o valoare oarecare din rezisteţa reostatului de pornire.

7.6. Reglajul vitezei şi inversarea sensului de rotaţie amotorului asincron trifazat

Problema reglajului de viteză are o mare importanţă practică,întrucât de foarte multe ori este necesar să se facă o variaţie în limite

largi. În această privinţă motorul asincron trifazat, cu toată simplitateaconstrucţiei şi uşurinţa în exploatare, este depăşit de motorul de c.c.Totuşi există câteva metode de reglaj de viteză şi la motorul asincron şianume:

a) Reglajul vitezei prin schimbarea numărului de poli şiînfăşurător statorului. Se ştie că turaţia de sincronism n 1 este 60 p f /1

şi deci dacă se schimbă numărul de perechi de poli se va schimba şituraţia n 1 de sincronism şi ca urmare, se va schimba şi viteza de rotaţie

n 2 a rotorului. În acest mod se obţine un reglaj de viteză în trepte. De

4

3

21

Fig.7.5.5

a

M

M p

Mmax

1



cele mai multe ori se obţine un reglaj în două trepte, adică cu două turaţiide sincronism.

Schimbarea numărului de perechi de poli se poate face fie prinutilizarea, pe stator, a două înfăşurări trifazate disticte, fiecare pentru un

anumit număr de poli, fie prin utilizarea unei singure înfăşurări şiconectarea diferită a diferitelor ei părţi componente. Prima soluţie este,evident, mai puţin economică, a doua soluţie este ilustrată în fig.7.6.1unde s-a prezentat schematic numai înfăşurarea unei faze a statorului,

compusă din două bobine (secţiuni), în a) pentru p=2, secţiunile finalefiind legate în serie şi în b) pentru p=1, secţiunile fiind legate în paralel.Legarea în serie sau în paralel a secţiunilor trebuie să se facă simultan petoate cele trei faze ale înfăşurării statorului (fig.7.6.2). Pentru f 1 = 50 Hzva rezulta o turaţie de sincronism de 3000 rot/min. pentru p=1, sau 1500rot/min. pentru p=2.

Necesitatea schimbăriilegăturilor dintre diferite părţicomponente ale ănfăşurărilor statorice(şi rotorice, în cazulmotoarelor cu rotorul bobinat),

conduce la complicaţiiconstructiveşi din această cauzămotoarele cu două turaţii (sautrei) sunt scumpe faţă de cele cuo singură turaţie.

b) Regaljul vitezei prinvariaţia frecvenţei tensiunii de alimentare.Această merodă necesită utilajesuplimentare pentru modificarea frecvenţei, ceea ce măreşte mult preţul

de cost al instalaţiei.Pentru schimbarea frecvenţei se pot folosi fie

N N SS

NS

b)a)Fig.7.6.1

Fig.7.6.2



convertizoare de frecvenţă, fie instalaţii cu elementeelectronice(convertizoare statice de frecvenţă)

c)Reglajul vitezei prin introducerea unor rezistenţe în circuitulrotoric.Această metodă se poate aplica numia la motoarele cu rotorul

bobinet, aşa cum se indică în fig.7.5.4.La cuplul constant motorul seroteşte cu o alunecare cu atât mai mare cu cât R 2 este mai mare, adică cucât rezistenţa introdusă din R p în circuitul rotorului este mai mare.

Această mertodă de reglaj nu este economică, deoarece înrezistenşa chimică introdusă suplimentar în circuitul rotoric, mai ales laalunecări mari, deci la turaţii mici, se pierde prin efect Joule-Lenz ocantitate importantă de energie, ceea ce micşorează randamentuluimotorului.

Se remarcă deci că motorul asincron trifazat permite un reglaj deviteză, însă neeconomic sau cu investiţii mari.Inversarea sensului de rotaţie se realizează schimbând două faze

între ele.Prin inversarea a două faze se va shimba sensul de învârtire acâmpului magnetic învârtitor statoric şi deci se va schimba şi sensul derotaţie al rotorului.Schimbarea adouă faze se realizeazăschimbând întreele două legături de la reţeaua de alimentare sau de la motor. 7.7. Motorul asincron monofazat

Motorul asincron monofazatse utilizează în general pentruacşionări de mică putere(cca.30÷ 200 W) şi la turaţia aproximativconstantă.

Statorul motorului asincron monofazat se construieşte la fel ca lamotorul asincron trifazat, cu deosebire că în crestături se introducconductoarele unei înfăşurări monofazate.Rotorul se construieşte, de celemai multe ori, în scurtcircuit.Schema electrică a motorului asincron

monofazat este dată în fig.7.7.1.Modul de funcţionare a motorului asincron monofazat constă în

următoarele:să considerăm că rotorul se învârteşte cu viteza unghiularăr Ω .Curentul alternativ monofazat care străbate înfăşurarea statorului, va

produce un câmp magnetic pulsativ, care poate fi descompus în douăcâmpuri învârtitoare:unul în acelaşi sens cu rotorul, numit câmp direct şial doilea în sens invers, viteza unghiulară a celor două câmpuri fiindaceeaşi Ωcs.



Alunecarea rotorului, faţă decâmpul direct, va fi:

cs

r csaΩ

Ω−Ω= (7.7.1)

iar faţă de câmpul invers va fi:

cs

r csaΩ

Ω+Ω=' (7.7.2)

Frecvenţa câmpului rotoric indus decâmpul direct va fi deci f 21=a f 1, la fel ca lamotorul asincron trifazat (relaţia 198).

Frecvenţa curentului rotoric indus însă de câmpul magnetic invers se

deduce în mod analog, adică:

pr cs

211ω =Ω−Ω sau

pacs

211'ω

=⋅Ω

şi rezultă:

pa

p

2111 'ω ω

= sau 1211 ' f a f ⋅=

Dar a+a’=2 (din relaţia 7.7.1 şi 7.7.2) şi deci:f 211=(2-a)f 1 (7.7.3)

În circuitul rotoric se induc deci curenţi de frecvenţe diferite şianume: af 1 şi (2-a)f 1. corespunzător celor două câmpuri magneticeînvârtitoare, asupra rotorului se vor exercita două cupluri distincte MI şiMII, de sens contrar, astfel încât cuplul rezultant va fi:

II I M M M −= ,La pornire, când a=1, frecvenţa curenţilor din înfăşurarea rotorică

va fi aceeaşi, adică:122 f f f II I == ,

deci şi cele două cupluri vor fi egale, iar cuplul rezultant va fi zero.Rezultă că motorul nu poate porni din starea de repaus. Dacă într-un modoarecare (de exemplu printr-un impuls manual) se imprimă rotorului oturaţie iniţială, va rezulta 'aa ≠ şi II I M M ≠ deci cuplul rezultant va fidiferit de zero; rotorul va continua să se învârtească în sensulcorespunzător vitezei iniţiale (dacă cuplul mator rezultant este mai maredecât cuplul rezistent de la arbore).

Fig.7.7.1



În concluzie, motorul asincron monofazat dezvoltă un cuplumotor numai dacă rotorul are o viteză iniţială. Această viteză iniţială nuse imprimă manual, ci pe cale elctromagnetică şi anume utilizând oînfăşurare suplimentară, numită înfăşurare de pornire, care se pune pe

stator, decalată faţă de înfăşurarea principală cu un unghi de 90o (fig.7.7.2). Dacă se leagă un condensator în serie cu înfăşurarea de pornire, acărui capacitate C se alege în aşa felîncât curentul ce străbate înfăşurareade pornire să fie decalat înainte cu90ofaşă de curentul ce străbate

înfăşurarea principală, atunci se vaforma un sistem bifazat de curenţicare vor produce un singur câmpmagnetic învârtitor. Deci închizândîntrerupătoarele K 2 şi K 1 motorul va porni ca motor bifazat, iar după ce

turaţia rotorului a crescut suficient, întrerupătorul K 2 se deschide şimotorul continuă să se învârtească ca motor monofazat. Înfăşurarea de pornire este dimensionată să funcţioneze numai la pornire şi din aceastăcauză nu se admite menţinerea ei în circuit.

Variaţia momentului cuplului motor în funcţie de alunecare estereprezentată în fig.7.7.3. Curba 1 reprezintă variaţia M(a) pentru orezstenţă R 2 egală cu rezistenţa înfăşurării rotorice; curba 2 corespundeunei rezistenţe mai mari, adică în circuitul rotoric se introduce orezistenţă suplimentară, iar curba 3 corespunde unei rezistenţe mai mari

decât în cazul curbei 2. Seobservă că în cazul motorului

asincron monofazat, orezistenţă suplimentarăintrodusă în circuitul rotoricmicşorează valoarea maximăa cuplului motor şi măreştealunecarea la care cuplul estemaxim (aceasta se explică prin creşterea cuplului creatde câmpul magnetic invers,odată cu creşterea rezistenţeicircuitului rotoric).

K 1

K 2

A

R

Fig.7.7.2

1

2 3

0.20.6 1

M

Fig.7.7.3



Ck

Fig.7.7.4

Motoarele asincrone monofazate cu o serie de dezavantaje, încomparaţie cu cele trifazate şi anume:

- lipsa cuplului motor la pornire;- capacitatea de suprasarcină este mult mai mică, datorită

existenţei cuplului motor produs de câmpul magnetic invers;- randament mai mic;- factor de putere mai mic cu 10-12%.

Motorul asincron trifazat poate fi pornit cumotor asincron monofazat, dacă se realizeazăschema din fig.7.7.4. După pornire,întrerupătorul K se deschide şi motorulfuncţionează numai cu două faze legate în

serie. Această situaţie se pote ivi şi în practică, în cazul funcţionării motoruluiasincron trifazat legat la o reţea de c.a.trifazat, de exemplu când s-a ars siguranţa de pe o fază; motorul funcţionează „în douăfaze”, însă această situaţie este anormală,

deoarece cuplul rezistent rămânând acelaşi, motorul va funcţiona cu osuprasarcină.

7.8. Construcţia de motoare asincrone în România

În prezent, construcţia de motoare asincrone trifazate se realizeazain cea mai mare parte la urmatoarele unitati: „ Uzina de masini electrice”Bucuresti, „Electroprecizzia” Sacele, „Electromotor” Timisoara,intreprinderea „Electrotehnica”- Bucureşti, „Electroputere” Craiova.

La uzina „Electroprecizie”- Săcele (Braşov) se produc motoareasincrone cu rotorul în scurtcircuit, de puteri în limitele 0,8÷13kW.

Motoare asincrone de puteri mai mari, în limitele 10÷30kW, cu rotorul înscurtcircuit, se produc la uzina „Electromotor”- Timişoara.

La „Uzina de maşini electrice”-Bucureşti se construiesc motoareasincrone de puteri în limitele 22÷100 kW, cu rotorul în scurtcircuit şi curotorul bobinat. Producţia de maşini asincrone monofazate, necesareacţionărilor de mică putere, se realizează în uzina „Electromotor”-Timişoara şi „Electrotehnica”-Bucureşti.

La fabrica de maşini electrice a uzinelor „Electroputere”-Craiova

se construiesc motoare asincrone trifazate de puteri în limitele100÷1000kW şi peste 1000kW. Această uzină este principala furnizoare



de motoare asincrone pentru acţionările electrice din industria extractivăde petrol, mine, etc.

Documents

Masini electrice asincrone