1. MASINA ASINCRONA

1.1. GENERALITATI

Masina asincrona este o masina electrica rotativa, reversibila de curent alternativ (monofazata sau trifazata) la care viteza de rotatie a rotorului, este diferita de viteza campului magnetic invartitor statoric .

Ea poate functiona in urmatoarele regimuri de functionare:

regimul de motor electric;

regimul de generator electric;

regimul de frana electromagnetica.

La functionarea in regim de motor, masina asincrona realizeaza conversia energiei electrice (primita pe la bornele infasurarii statorice) in energie mecanica transmisa pe la arbore masinii de lucru actionate.

Functionarea ca generator a masinii asincrone se realizeaza prin antrenarea rotorului din exterior ( cu o masina primara) la o turatie suprasincrona, cand masina va transmite in reteaua electrica pe la bornele infasurarii statorice puterea activa. In masina se produce deci, conversia puterii mecanice primita pe la ax, in putere electrica transmisa retelei la care este conectata.

In regim de frana electromagnetica masina asincrona primeste putere mecanica pe la arbore si putere electrica activa pe la bornele infasurarii statorice pe care le transforma in caldura in circuitul electric al rotorului, realizand insa franarea masinii de lucru actionate.

In toate cele 3 regimuri de functionare masina absoarbe din retea si puterea reactiva necesara magnetizarii circuitului magnetic.

Trebuie remarcat insa ca regimul uzual al masinii asincrone este cel de motor, regimurile de generator sau de frana electromagnetica fiind cu totul ocazionale.

Motorul asincron este motorul cel mai frecvent utilizat in actionarile electrice industriale datorita performantelor sale: pret de cost redus, constructie simpla si robusta, fiabilitate ridicata, cheltuieli de exploatare si intretinere minime, manevrabilitate simpla, stabilitate in functionare, performante tehnice ridicate.

Motoarele asincrone se construiesc pentru o gama foarte larga de puteri (de la ordinul watilor pana la ordinul zecilor de MW) pentru tensiuni joase (sub 500 V) si tensiuni medii ( 3 kV; 6 kV; 10 kV) cu viteze de sincronism (la frecventa de 50 Hz) de: 500; 600; 750; 1000; 1500 sau 3000 rot/min, in functie de numarul perechilor de poli p.

Intreprinderile constructoare de masini asincrone din Romania ( din Craiova, Bucuresti, Timisoara, Pitesti, Sacele) acopera intreaga gama de motoare asincrone necesare economiei romanesti cat si pentru export.

Marimile caracteristicilor nominale ale motoarelor asincrone sunt inscrise pe placuta indicatoare fixata pe carcasa masinii. Acestea sunt:

conexiunea de lucru Δ, Y, Δ/Y;

tensiunea nominala (de linie) in V;

curentul nominal (de linie) in A;

puterea nominala, in kW;

viteza de rotatie nominala (a rotorului) in rot/min;

randamentul nominal;

factorul de putere nominal ();

frecventa nominala, in Hz.

1.2. ELEMENTELE CONSTRUCTIVE

ALE MASINII ASINCRONE

Orice masina asincrona construita pentru frecventa industriala, cuprinde doua elemente de baza: statorul si rotorul.

a) Statorul constituie partea fixa a masinii asincrone, are rolul de inductor si se compune din carcasa, circuitul magnetic si circuitul electric (infasurarea statorica).

Carcasa masinii se executa fie prin turnare din aluminiu sau fonta, fie din tabla de otel, fiind de regula prevazuta cu nervuri longitudinale pentru marirea suprafetei de racire prin radiatie. Ea este prevazuta cu talpi pentru fixare, inel pentru ridicare cutia de borne si scuturile laterale in care se fixeaza lagarele cu rostogolire pe care se sprijina arborele rotorului.

Ea reprezinta in acelasi timp suportul miezului feromagnetic al statorului impreuna cu infasurarea de excitatie, asigura protectia impotriva electrocutarii prin atingere directa, protectia impotriva patrunderii corpurilor straine si protectia mecanica.

La masina asincrona cu rotorul bobinat, unul din scuturile frontale sustine portperiile, impreuna cu periile de contact si dispozitivul de scurtcircuitare a inelelor la ridicarea periilor.

Circuitul feromagnetic are o forma cilindrica (coroana cilindrica) si se executa din tole stantate din tabla silicoasa de 0,5 mm grosime, laminata la cald sau la rece, izolate intre ele cu o pelicula de lac izolant sau printr-un strat de oxizi. Circuitul magnetic statoric este prevazut cu crestaturi longitudinale (orientate dupa generatoare) in care se introduc conductoarele infasurarii statorice. In fig. 1.1. este prezentata o sectiune longitudinala printr-un motor asincron cu rotorul bobinat, iar in fig. 1.2 sunt prezentate formele uzuale ale crestaturilor statorice.

1 - arbore; 2 - miezul statoric; 3 - infasurarea rotorica; 4 - circuitul magnetic statoric; 5 - infasurarea statorica; 6 - carcasa; 7 - scuturile; 8 - ventilator; 9 - capacul ventilatorului; 10 - inele de contact; 11 - dispozitivul de ridicare al periilor si scurtcircuitare a infasurarii rotorului; 12 - maneta dispozitivului 11.

Infasurarea statorica, monofazata sau trifazata este o infasurare distribuita uniform in crestaturile statorice si se executa din conductor de cupru izolat cu email, bumbac, hartie, fibra de sticla, etc. In cazul masinilor asincrone trifazate (cele mai raspandite de altfel), cele 3 infasurari sunt identice (ca numar de bobine, numar de spire si diametru al conductoarelor) si decalate in spatiu cu grade una fata de alta si ocupa acelasi numar de crestaturi (p - este numarul de perechi de poli). In consecinta, impedantele celor 3 infasurari sunt identice, constituind pentru reteaua de alimentare un receptor trifazat echilibrat. In conditiile alimentarii cu un sistem trifazat simetric de tensiuni, curentii de faza statorici vor forma si ei un sistem trifazat simetric.

Infasurarea trifazata statorica are toate capetele infasurarilor de faza scoase la cutia de borne, ceea ce face posibila conectarea acestora in stea (Y) sau triunghi (Δ) dupa necesitati.

b) Rotorul este partea mobila a masinii asincrone si are de regula rolul de indus, fiind alcatuit din: arborele masinii, miezul (circuitul magnetic) rotoric si infasurarea rotorica.

Arborele (axul) masinii este confectionat din otel laminat sau forjat si se roteste in lagarele cu rostogolire (sau alunecare) fixate pe scuturile portlagare. Pe el sunt fixate miezul rotoric cu infasurarea rotorica, ventilatorul si cele 3 inele colectoare - la masinile cu rotorul bobinat.

Miezul feromagnetic rotoric, este cu poli inecati (ca si cel statoric si se executa din tole de otel electrotehnic de 0,5 mm grosime, izolate sau neizolate datorita pierderilor reduse in fier determinate de valoarea mica a frecventei curentilor rotorici. In crestaturile circuitului magnetic rotoric, orientate dupa generatoare sau putin inclinate, se introduce infasurarea rotorica, evident distribuita uniform se realizeaza pentru acelasi numar de poli si acelasi numar de faze ca si cea statorica.

Din punctul de vedere al infasurarii rotorice se deosebesc doua variante constructive de motoare asincrone trifazate:

- cu rotorul bobinat;

- cu rotorul in scurtcircuit.

La motoarele asincrone cu rotorul bobinat, bobinele infasurarii trifazate rotorice conectate in stea se dispun in crestaturile rotorului, neutrul fiind realizat in interior, iar celelalte trei capete libere fiind legate la cele trei inele colectoare solidarizate cu arborele, dar izolate atat intre ele, cat si fata de acesta. Pe inele "calca" trei perii confectionate din grafit sau bronz grafitat, fixate in portperiile de pe armatura statorica si conectate la o cutie de borne rotorice. Prin intermediul bornelor rotorice ale cablurilor de legatura borne-perii si al contactului alunecator, perii-inele colectoare devine posibila conectarea in exteriorul motorului a unor rezistente variabile R, utilizate la pornirea si modificarea vitezei de rotatie a motorului asincron, asa cum rezulta din fig. 1.1.

Infasurarea rotorica a masinii asincrone cu rotorul bobinat realizata cel mai des din conductor de cupru izolat se fixeaza in crestaturi cu ajutorul unor pene izolatoare din pertinax, textolit, sau lemn de fag fiert in ulei de in.

In cazul masinilor asincrone cu rotorul in scurtcircuit, infasurarea rotorica este realizata din bare de cupru sau aluminiu, asezate neizolate cate una in fiecare crestatura rotorica si legate intre ele la capete prin intermediul unor inele metalice circulare de scurtcircuitare, rezultand astfel tot o infasurare inchisa. Inelele de scurtcircuitare sunt prevazute cu niste aripioare cu rol de ventilatie. Intrucat ansamblul format din conductoarele rotorice in forma de bare si inele de scurtcircuitare are forma unor colivii; motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit se mai numesc si motoare cu rotor in colivie.

La motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit se realizeaza in mod automat adaptarea numarului de poli rotorici la numarul de poli statorici.

Spatiul liber ramas intre miezul feromagnetic la rotorului si cel al statorului reprezinta intrefierul care la masina asincrona are o largime constanta si care este de preferat sa fie cat mai redusa in vederea obtinerii unui curent de magnetizare cat mai mic si a unui factor de putere cat mai ridicat. Valorile uzuale ale intrefierului sunt cuprinse intre 0,1 0,8 mm la motoarele de putere redusa si medie, depasind 1 mm la motoarele de puteri mari.

In schemele electrice masinile asincrone se reprezinta prin semnele conventionale prezentate in fig. 1.4.

1.3. CAMPUL MAGNETIC IN INTREFIERUL MASINII ASINCRONE

Consideram o masina asincrona monofazata a carei infasurare de excitatie (distribuita uniform in crestaturile circuitului magnetic statoric cu 2p poli inecati, se alimenteaza de la o sursa de tensiune alternativa sinusoidala de pulsatie .

Va lua nastere un camp magnetic ale carui linii se vor inchide prin miezul feromagnetic statoric si miezul rotoric trecand de doua ori prin intrefier. Valoarea instantanee a inductiei magnetice in intrefier, intr-un punct de coordonata geometrica si la momentul t, va fi:

(1.1)

unde: valoarea maxima a inductiei magnetice; p - numarul perechilor de poli; unghiul geometric masurat din axa de simetrie a unui pol.

Campul magnetic dat de relatia (1.1) se numeste camp magnetic alternativ heteropolar.

In cazul masinii asincrone trifazate alimentate la un sistem trifazat simetric de tensiuni de pulsatie , daca:

(1.2)

sunt valorile instantanee ale curentilor prin cele trei faze ale infasurarii statorice (sistem trifazat simetric), atunci valorile instantanee ale inductiilor magnetice in intrefier la momente t, in punctul de coordonata geometrica (determinate de cele trei infasurari) vor fi:

(1.3)

Valoarea inductiei instantanee rezultante in intrefier, in punctul de coordonata geometrica , la momentul t va fi:

(1.4)

Din analiza relatiei (1.4) se poate constata ca amplitudinea inductiei magnetice rezultante in intrefier este constanta si de ori mai mare decat amplitudinea inductiei magnetice corespunzatoare unei singure faze.

Mai mult, inductia magnetica are valoarea maxima (egala cu ) la momente de timp diferite, in puncte de coordonata geometrica diferite, deci ea se deplaseaza (roteste) de-a lungul intrefierului intr-un sens determinat de succesiunea fazelor.

Un astfel de camp magnetic se numeste camp magnetic invartitor circular. Daca este pulsatia tensiunii de alimentare si p este numarul perechilor de poli, se demonstreaza simplu ca viteza unghiulara a campului magnetic invartitor, numita si viteza unghiulara de sincronism, este:

(1.5)

Cum: si , rezulta ca:

sau (1.6)

unde: - reprezinta viteza de rotatie de sincronism, exprimata in rot/min; - frecventa tensiunii de alimentare si a curentilor prin infasurari.

Asadar, potrivit relatiei (1.6), viteza de rotatie de sincronism , este proportionala cu numarul perechilor de poli p.

Deoarece frecventa industriala in Romania este de 50 Hz, iar , rezulta urmatoarele viteze de rotatie de sincronism posibile:

Trebuie remarcat faptul ca pretul de cost si gabaritul masinii cresc odata cu cresterea numarului de perechi de poli, motiv pentru care nu se construiesc masini asincrone cu viteze de sincronism mai mici de 500 rot/min.

1.4. PRINCIPIUL DE FUNCTIONARE

AL MOTORULUI ASINCRON. ALUNECAREA

Daca infasurarea trifazata statorica a unei masini asincrone se alimenteaza cu un sistem trifazat simetric de tensiuni de frecventa , prin infasurari se va stabili un sistem trifazat simetric de curenti de aceeasi frecventa. Va lua nastere un camp magnetic invartitor, care se va roti cu viteza de rotatie (de sincronism):

intr-un sens determinat de succesiunea fazelor.

Liniile campului magnetic se inchid prin intrefier si miezul rotoric, inlantuind conductoarele infasurarii rotorice. Daca rotorul este mobil () fata de stator, in infasurarea rotorica se va induce, conform legii inductiei electromagnetice, un sistem trifazat simetric de tensiuni electromotoare de pulsatie:

(1.7)

respectiv de frecventa:

(1.8)

Daca infasurarea rotorica este inchisa, prin aceasta se va stabili un sistem trifazat simetric de curenti de frecventa , curenti care vor determina si ei un camp magnetic invartitor care se va roti in acelasi sens cu campul magnetic invartitor statoric cu viteza unghiulara:

(1.9)

Prin compunerea celor doua campuri magnetice invartitoare, se obtine campul magnetic rezultant din masina. Asupra conductoarelor rotorice parcurse de curenti si aflate in campul magnetic rezultant vor actiona forte electromagnetice care actionand perechi, determina cupluri electromagnetice elementare, prin a caror compunere se obtine un cuplu electromagnetic rezultant.

Daca cuplul magnetic rezultant (care este un cuplu activ) este mai mare decat cuplul rezistent, rotorul este pus in miscare si accelerat pana la egalitatea cuplurilor. Presupunand ca rotorul se roteste cu viteza de rotatie constanta in sensul campului magnetic invartitor, frecventa tensiunii electromotoare indusa intr-o faza rotorica este:

(1.10)

Notand cu diferenta dintre viteza campului magnetic invartitor statoric si viteza de rotatie a rotorului si raportand-o la viteza de rotatie a campului magnetic invartitor , se obtine marimea notata cu si numita alunecare:

sau in procente:      (1.11)

Frecventa a curentilor indusi in rotor de campul magnetic invartitor, cand rotorul se roteste cu viteza de rotatie , se poate exprima in functie de alunecarea astfel:

(1.12)

deci frecventa curentilor indusi in rotor este proportionala cu alunecarea si cu frecventa tensiunii de alimentare.

La functionarea in regim de motor, viteza de rotatie a rotorului , nu poate atinge viteza de sincronism (de unde provine de altfel si denumirea de masina asincrona). Intradevar daca: , rezulta ca alunecarea devine nula, frecventa de asemenea, ceea ce inseamna tensiuni electromotoare induse nule, curenti rotorici nuli si disparitia cuplului electromagnetic.

Alunecarea evidentiaza ramanerea in urma a rotorului fata de campul magnetic invartitor statoric, pentru motoarele asincrone uzuale, alunecarea nominala osciland in jurul valorii de 4

Daca este valoarea efectiva a tensiunii electromotoare induse intr-o faza rotorica in conditiile rotorului mobil (), valoarea efectiva a acesteia in conditiile in care rotorul se roteste cu viteza , va fi data de relatia:

(1.13)

Daca si sunt rezistenta respectiv inductivitatea de dispersie a unei faze rotorice, valoarea efectiva a curentului rotoric este data de relatia:

(1.14)

si tinand seama de relatiile (1.12) si (1.13):

(1.15)

Cele trei regimuri de functionare ale masinii asincrone se pot stabilii dupa valorile alunecarii

regimul de motor, cand , rezultand

regimul de generator, cand (masina este antrenata din exterior cu ajutorul unui motor primar), deci

regimul de frana electromagnetica, pentru care , deci

1.5. MODELUL MATEMATIC.

SCHEMA ECHIVALENTA SI DIAGRAMA

FAZORIALA A MOTORULUI ASINCRON

Consideram o masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit, a carei infasurare trifazata statorica se alimenteaza cu un sistem trifazat simetric de tensiuni de frecventa , care functioneaza in regim stationar , nu are pierderi in fier, circuitul magnetic este liniar, astfel incat cuplul magnetic din intrefier are o variatie sinusoidala.

Vom adopta urmatoarele notatii:

- valoarea instantanee a tensiunii unei faze; - valoarea instantanee a curentului prin faza de referinta; - valoarea instantanee a curentului prin faza rotorica omoloaga; - rezistentele in curent alternativ ale fazelor statorica, respectiv rotorica;

- reactantele de dispersie ale fazelor statorica si rotorica corespunzatoare inductivitatilor de dispersie , respectiv si vom presupune ca rotorul se roteste cu viteza de rotatie , careia ii corespunde alunecarea data de relatia (1.11).

Aplicand legea inductiei electromagnetice pentru circuitul unei faze statorice, respectiv rotorica se va obtine:

(1.16)

(1.17)

unde: si sunt fluxurile totale ale campului magnetic invartitor rezultant din masina.

In ecuatia (1.16), corespunzatoare circuitului statoric, asocierea sensurilor pozitive ale tensiunilor si curentilor s-a facut dupa conventia de la receptoare, iar marimile electrice au pulsatia , in timp ce in ecuatia (1.17) alegerea sensurilor de referinta s-a facut dupa conventia corespunzatoare laturilor generatoare, iar marimile electrice au pulsatia

Apeland la reprezentarea in complex simplificat a marimilor sinusoidale, relatiile (1.16) si (1.17) devin:

(1.16')

(1.17')

Daca in relatia (1.17') inlocuim:, modelul (1.17') devine:

(1.17'')

care corespunde unei masini asincrone echivalente cu rotorul fix fata de stator, in care marimile electrice din stator ar avea aceeasi pulsatie , ca si cele din stator.

Fluxurile magnetice totale si se pot exprima in functie de fluxul fascicular util prin relatiile:

(1.18)

in care: - sunt numerele de spire ale unei infasurari de faza statorica, respectiv rotorica; - factorii de infasurare (subunitari) care tin seama de tipul infasurarii.

Imaginile in complex simplificat ale tensiunilor electromotoare induse de fluxul util in fazele statorice respectiv rotorice au expresiile:

Ele sunt considerate in faza, iar raportul lor este:

(1.20)

Atasand relatiilor (1.16') si (1.17'') ecuatia solenatiilor:

(1.21)

unde: este curentul de magnetizare si tinand seama de relatiile (1.18) si (1.19) se va obtine modelul:

(1.22)

care reprezinta modelul matematic al motorului asincron in regim cvasistationar.

Pe baza modelului (1.22), in care s-a notat cu si , reactantele de dispersie ale celor doua infasurari, se poate construi schema echivalenta prezentata in figura 1.5:

Diagrama fazoriala corespunzatoare modelului (1.22) este prezentata in fig. 1.6. Considerand cunoscut curentul si alunecarea s, se construieste fazorul si in cuadratura cu acesta fazorul . Unind extremitatea fazorului cu originea sistemului de axe de coordonate, se determina fazorul care inchide poligonul astfel format.

In cuadratura si defazat in urma fata de se construieste fazorul . In faza cu fluxul util se construieste fazorul curentului de magnetizatie , care compus cu fazorul:, determina fazorul curentului primar

Daca la fazorul se aduna fazorul (in faza cu ) si fazorul (in cuadratura cu ) se obtine fazorul , care inchide conturul poligonal.

Din diagrama fazoriala rezulta si defazajele dintre marimi ( reprezinta marimea de defazaj dintre tensiunea la bornele infasurarii primare si curentul primar).

MODELUL MATEMATIC, SCHEMA ECHIVALENTA SI DIAGRAMA FAZORIALA A MOTORULUI ASINCRON CU REDUCEREA LA STATOR A MARIMILOR ROTORICE

Ca si in cazul transformatorului, pentru a putea realiza o analiza comparativa a marimilor electrice primare cu cele secundare, este necesara raportarea infasurarilor.

In acest scop, in locul infasurarii rotorice reale, se considera o infasurare rotorica echivalenta care are acelasi numar de spire (de aceeasi sectiune) acelasi numar de faze si acelasi factor de infasurare. Prin raportarea infasurarilor raman insa neschimbate puterile vehiculate, pierderile de putere si solenatia de magnetizare. Marimile rotorice raportate la stator se vor nota cu exponentul ( `).

In aceste conditii, tensiunea electromotoare rotorica raportata la stator va fi:

(1.23)

Puterea aparenta corespunzatoare rotorului echivalent este aceeasi cu puterea aparenta corespunzatoare rotorului real:

de unde rezulta:

(1.24)

iar din conditiile de conservare a pierderilor de putere activa si reactiva se obtine:

(1.25)

(1.26)

Tinand seama de modelul (1.22) si conditiile raportarii, modelul matematic al motorului asincron cu marimile rotorice raportate la stator este:

(1.27)

Cu ajutorul ecuatiilor (1.27) se poate construi schema echivalenta prezentata in fig. 1.7 si diagrama fazoriala prezentata in fig. 1.8.

1.7. PIERDERILE DE PUTERE SI RANDAMENTUL MOTORULUI ASINCRON

Daca este puterea utila a motorului, adica puterea transmisa pe la arborele masinii de lucru, iar - puterea electrica activa absorbita de motorul; trifazat pe la bornele infasurarii statorice, randamentul al motorului asincron este definit de relatia:

(1.28)

in care: - reprezinta pierderile totale care au loc in motor in procesul conversiei electromecanice a energiei.

Puterea activa absorbita este data de relatia:

(1.29)

si este transformata partial in pierderi in circuitul statoric si pierderi in circuitul rotoric :

(1.30)

In circuitul statoric au loc pierderi in infasurari (Joule) - si pierderi in miezul feromagnetic - :

(1.31)

Pierderile prin efect Joule din stator sunt proportionale cu rezistenta a unei faze a infasurarii si cu patratul valorii efective a curentului statoric:

(1.32)

iar pierderile in miez, sunt determinate de fenomenul de histerezis (pH) si de curentii turbinari (Foucault) - :

(1.33)

Ambele categorii de pierderi in fier ( si ) sunt dependente de frecventa si valoarea maxima a inductiei electromagnetice .

Puterea transferata din stator in rotor prin intermediul campului electromagnetic, reprezinta puterea electromagnetica si se noteaza cu .

(1.34)

Puterea electromagnetica primita de rotor este transformata partial in pierderi Joule, si in pierderi prin frecare si ventilatie, numite si pierderi mecanice, (, iar diferenta se transmite arborelui sub forma de putere utila , adica:

(1.35)

Puterea mecanica transmisa rotorului () este data de relatia:

(1.36)

iar pierderile Joule din rotor se calculeaza cu una din relatiile:

(1.37)

Circulatia puterilor si pierderilor de putere ce au loc in motor sunt evidentiate intr-un mod foarte sugestiv in diagrama bilantului de puteri, prezentata in fig. 1.9.

Pierderile in miezul feromagnetic rotoric nu au fost luate in considerare datorita valorilor reduse ale acestora (valori determinate de frecventa foarte mica a curentilor din rotor).

Unele din pierderile de putere mentionate mai sus - pierderile mecanice si pierderile in fier - sunt pierderi constante (putand fi determinate din incercare in gol a motorului asincron) in timp ce altele - pierderile Joule - variaza substantial cu incarcarea motorului.

Dependenta dintre randamentul motorului si incarcarea acestuia, este exprimata prin puterea utila sau factorul de incarcare ,

sau ,

ridicata in conditiile mentinerii la valori constante a parametrilor: si , reprezinta caracteristica randamentului.

Caracteristica randamentului poate fi determinata analitic sau experimental si graficul ei calitativ este prezentat in fig. 1.10.

Ea evidentiaza modul in care se modifica randamentul motorului la modificarea incarcarii acestuia in conditiile precizate.

Astfel, la functionarea in gol (randamentul motorului este nul .

Cu cresterea incarcarii, randamentul creste pana la valoarea (corespunzatoare unei incarcari (, dupa care incepe sa scada pana la valoarea corespunzatoare puterii nominale .

1.8. MOMENTUL CUPLULUI ELECTROMAGNETIC.

CARACTERISTICA MECANICA

A MOTORULUI ASINCRON

Expresiile puterilor electromagnetica si mecanica in functie de momentul cuplului electromagnetic au forma:

si , (1.38)

si fiind vitezele unghiulare ale campului magnetic invartitor respectiv rotorului. Potrivit relatiei (1.36),

adica:

sau .

Cum insa:

, rezulta:

si . (1.39)

Conform schemei echivalente prezentata in fig. 1.7, se poate calcula impedanta echivalenta a fazei motorului asincron:

(1.40)

in care:

si . (1.41)

Relatia (1.40) poate fi scrisa si sub forma:

(1.42)

si avand in vedere ca consideram ca astfel incat:

(1.43)

Evident ca in urma simplificarilor avute in vedere, valoarea efectiva a curentului va fi:

(1.44)

Inlocuind valoarea curentului din relatia (1.44) in relatia (1.39) se obtine:

(1.46)

Expresia momentului cuplului electromagnetic data de relatia (1.46) evidentiaza faptul ca momentul cuplului variaza proportional cu numarul perechilor de poli , cu rezistenta circuitului rotoric , cu patratul tensiunii de alimentare si invers proportional cu frecventa .

De asemenea, relatia obtinuta arata ca la tensiune si frecventa constante si la parametrii constanti ai celor doua infasurari, momentul cuplului este functie numai de alunecare.

Vom reprezenta grafic functia: in conditiile mentinerii la valori constante a tuturor celorlalte marimi.

Se observa ca graficul functiei intersecteaza axele in origine: si are asimptote orizontale la , axa absciselor (). Valorile extreme ale functiei se obtin pentru valorile lui care anuleaza derivata intai.

Astfel, pentru se obtine:

(1.47)

unde este alunecarea corespunzatoare valorilor extreme ale momentului si se numeste alunecare critica.

Introducand in relatia (1.46) valorile alunecarii critice (date de 1.47) se obtin valorile extreme ale momentului:

in care: este cuplul maxim numit si cuplu critic sau de rasturnare.

In relatiile (1.47) si (1.48) semnul plus corespunde functionarii in regim de motor, iar semnul minus corespunde regimului de generator.

Reprezentarea grafica a functiei , in conditiile precizate, este prezentata in fig. 1.11.

O analiza atenta a relatiilor (1.46), (1.47) si (1.48) si a caracteristicii cuplu - alunecare se permite obtinerea unor concluzii importante.

a)     numarul cuplului electromagnetic variaza patratic cu tensiunea de alimentare;

b)    alunecarea critica variaza direct proportional cu rezistenta rotorica si nu depinde de tensiunea de alimentare;

c)     cuplul critic nu depinde de rezistenta rotorica, dar variaza proportional cu patratul tensiunii de alimentare si liniar cu numarul perechilor de poli si invers proportional cu frecventa ;

d)    cuplul critic corespunzator regimului de generator este mai mare decat cel corespunzator functionarii in regim de motor ;

e)     punctul A(1, ) este punctul corespunzator pornirii, pornire care este posibila numai in conditiile in care momentul cuplului dezvoltat de motor la pornire este mai mare decat cuplul rezistent;

f)      punctul B separa caracteristica corespunzatoare functionarii in regim de motor in doua zone:

zona de functionare stabila OB;

zona de functionare instabila BA.

g)     la alunecare , momentul cuplului este zero, adica cuplul devine nul daca viteza rotorului ar atinge viteza de sincronism (a campului magnetic invartitor) ceea ce explica denumirea de masina asincrona.

Raportul , in care este momentul cuplului nominal, defineste capacitatea de supraincarcare a motorului asincron si pentru masinile uzuale este cuprins intre .

Raportul este o marime fixata prin norme la motorul cu rotorul in scurtcircuit.

In numeroase aplicatii se utilizeaza raportul dintre cuplul si cuplul critic , raport ce se obtine prin impartirea relatiei (1.46) la relatia (1.48):

Dar, din (1.49) rezulta ca: astfel incat:

(1.50)

relatie utilizata frecvent in studiul actionarilor electrice.

La masinile de puteri medii si mari, raportul astfel ca in mod frecvent se utilizeaza forma simplificata:

(1.51)

cunoscuta sub denumirea de relatia lui Kloss.

Pornind de la caracteristica cuplu - alunecare si tinand seama de relatia de definitie a alunecarii se poate determina caracteristica mecanica, a motorului asincron.

Caracteristica mecanica exprima dependenta dintre viteza de rotatie a motorului si momentul cuplului electromagnetic cand parametrii sunt mentinuti constanti si poate fi construit analitic sau experimental.

In fig. 1.12 este prezentat graficul calitativ al caracteristicii mecanice naturale pentru un motor dat (la constante). Caracteristica mecanica naturala este caracteristica obtinuta pentru parametrii nominali si fara rezistente sau reactante suplimentare in circuitul statoric si rotoric.

In fig. 1.12, reprezinta viteza de sincronism, - viteza de rotatie nominala, corespunzatoare alunecarii nominale,

si momentului cuplului nominal este viteza de rotatie corespunzatoare cuplului critic si alunecarii critice:

Din analiza figurii 1.12 se poate observa ca motorul asincron are o caracteristica mecanica naturala dura, viteza de rotatie scazand putin cu sarcina (cuplul).

Modificand cel putin unul din parametrii: , atunci se obtine caracteristicile mecanice artificiale despre care vom discuta ceva mai tarziu.

1.9. PORNIREA MOTOARELOR ASINCRONE TRIFAZATE

Pornirea este procesul de conectare a motorului asincron trifazat la reteaua trifazata de alimentare si de crestere a vitezei de rotatie a acestuia pana la valoarea corespunzatoare sarcinii de la arbore. Este un proces tranzitoriu de scurta durata caracterizat in principal prin suprasolicitari termice si mecanice considerabile, cu efecte negative atat asupra motorului de actionare si masinii de lucru actionate cat si asupra aparatelor de conectare (comutare) protectie si masura din amonte. Valorile ridicate ale curentului de pornire (determinate de valoarea mare a frecventei rotorice in conditiile rotorului imobil) pot determina caderi de tensiune insemnate care perturba si functionarea altor consumatori alimentati din aceeasi sursa de alimentare.

Aprecierea conditiilor de pornire la un motor asincron trifazat se face cu ajutorul rapoartelor si , duratei pornirii , adica a timpului scurs din momentul conectarii, pana la atingerea vitezei de regim stationar, variatia in timp a curentului de pornire si finetea pornirii, caracterizata prin .

Pentru ca pornirea sa fie posibila, este necesar ca momentul cuplului de pornire dezvoltat de motor sa fie mai mare decat cuplul rezistent , dar nu foarte mare pentru a nu produce socuri dinamice daunatoare tensiunilor. De asemenea, curentul de pornire absorbit de un motor pe durata pornirii, trebuie sa fie mai mare decat durata maxima admisa de incalzirea infasurarilor si reteaua de alimentare.

Fata de cele precizate, adoptarea unei metode de pornire a motoarelor asincrone este determinata de:

tipul constructiv al motorului (cu rotor in scurtcircuit sau bobinat);

puterea motorului electric de actionare;

puterea retelei la care este conectat motorul;

cuplul static rezistent al masinii de lucru;

limitele de timp impuse pornirii.

Toate metodele de pornire (indiferent de metoda adoptata) urmaresc in final reducerea curentului de pornire sau mai exact ale efectelor negative ale acestuia.

1.9.1. Pornirea prin conectare directa

Este cea mai simpla si sigura metoda de pornire si consta in conectarea directa la reteaua trifazata a infasurarii statorice, la tensiune si frecventa nominala, fara rezistente sau reactante suplimentare in circuitul statoric sau rotoric.

Desi durata pornirii este redusa, pornirea prin conectare directa are urmatoarele dezavantaje:

pornirea este brusca, determinand socuri dinamice insemnate in elementele cinematice ale transmisiei;

efectul termic si electrodinamic al curentului asupra infasurarii este considerabil;

valoarea ridicata a curentului absorbit din retea, determinand caderi de tensiune importante care perturba functionarea si a altor consumatori;

curentul de pornire determina si suprasolicitarea (termica si electrodinamica) a aparatelor de conectare, protectie si masurare inseriate cu motorul asincron.

Din aceste considerente, aceasta metoda de pornire se aplica in cazul motoarelor cu puteri nominale reduse care pornesc in sarcina si a unor motoare de puteri medii care pornesc in gol, fiind necesara si respectarea conditiei: din puterea transformatorului care alimenteaza reteaua.

Pornirea motoarelor asincrone prin conectare directa se aplica motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit care actioneaza ventilatoare, pompe, polizoare, masini unelte de prelucrare prin aschiere etc ale caror putere nu depasesc de 10 kW.

Pentru imbunatatirea conditiilor de pornire prin conectare directa la retea se construiesc motoare asincrone cu rotorul in scurtcircuit cu bare inalte sau cu dubla colivie.

In fig. 1.13a este prezentata schema electrica pentru comanda automatizata a pornirii directe intr-un singur sens (unidirectionala), iar in fig. 1.13b, schema pentru pornirea in ambele sensuri (bidirectionala).

Pentru comanda pornirii automate unidirectionale se procedeaza astfel: se inchide intreruptorul bipolar Q₁ si se apasa butonul de pornire S₁ (normal deschis cu revenire). Intrucat toate contactele inserate cu acesta (F₃, F₄, S₂) sunt contacte normal inchise, se va alimenta bobina contactorului K₁, astfel incat contactele sale isi vor schimba starea: se inchide instantaneu contactul K₁ (de automentinere) din circuitul 3 si contactele principale K₁ din circuitul de forta al motorului si motorul porneste intr-un sens determinat de succesiunea fazelor.

Comanda opririi motorului se realizeaza prin actionarea butonului de oprire S₂ (care este un contact normal inchis cu revenire) din circuitul 2. Bobina contactorului K₁ pierde alimentarea, contactoarele sale se deschid, motorul se opreste fiind pregatit pentru o noua pornire.

In cazul pornirii ambele sensuri, in comparatie cu schema precedenta mai apare un contactor K₂ (cu contactele asociate) pentru celalalt sens de functionare si o interblocare a contactoarelor pentru evitarea manevrelor gresite de inchidere simultana a contactoarelor principale (Kl1 si K₂) care ar conduce la scurtcircuitarea retelei de alimentare.

Din analiza atenta a schemei se poate constata ca pornirea se poate realiza intr-un sens sau in altul dupa cum se actioneaza butonul de pornire S₁ sau S₃, iar schimbarea sensului de rotatie nu se poate realiza decat dupa actionarea butonului de oprire S₂, datorita contactelor de interblocare normal inchise K₁ si K₂ din circuitele 3 si 5.

In afara functiilor de comanda automata a pornirii si opririi impuse, schemele electrice prezentate mai sus mai asigura:

protectia la scurtcircuit a motorului asincron M, prin releele maximale de curent F₃ si sigurantele fuzibile cu mare putere de rupere (MPR), F₁;

protectia la supracurent (suprasarcina si functionarea in doua faze) a motorului electric M prin blocul de relee termice F₄;

protectia la scurtcircuit a schemei de comanda prin sigurantele fuzibile F₂.

Astfel, prin prezenta contactului F₃ al releului maximal de curent in circuitul 2 si a sigurantelor fuzibile F₁ in circuitul de forta se realizeaza deconectarea de la retea si oprirea motorului la aparitia unui scurtcircuit, iar prezenta contactului F₄ in circuitul 2 (in serie cu bobina contactorului K₁) asigura protectia (prin deconectare de la retea) motorului M la aparitia supracurentilor determinati de eventualele suprasarcini sau functionarea in doua faze.

1.9.2. Pornirea cu comutator stea - triunghi

Pornirea cu comutator stea - triunghi (Y - Δ) are drept scop reducerea curentului absorbit de motorul asincron pe perioada pornirii, mai concret a efectelor negative ale acestuia. Metoda presupune utilizarea unui aparat special, numit comutator stea - triunghi, cu actionare manuala sau automata care are trei pozitii:

pozitia "O" corespunzatoare infasurarii statorice nealimentate;

pozitia "Y" corespunzatoare conectarii in "Y" a infasurarii statorice si alimentarii acesteia in aceasta conexiune;

pozitia "Δ" corespunzatoare conectarii in "Δ" a infasurarii trifazate statorice si alimentarii acesteia cu aceeasi tensiune de linie.

Trebuie precizat faptul ca metoda se poate aplica numai daca sunt indeplinite urmatoarele conditii:

la placa de borne statorice a motorului asincron trifazat sunt scoase toate cele sase capete ale infasurarii statorice;

tensiunea de linie a retelei este egala cu tensiunea nominala de faza a motorului (conexiunea de lucru a motorului este conexiunea Δ).

Metoda consta in conectarea pentru inceput a infasurarii statorice in "Y" si trecerea ulterioara din "Y" in "Δ" in apropierea vitezei de rotatie nominale. Vom arata in continuare ca prin utilizarea acestei metode curentul de pornire se reduce de 30 ori.

Intr-adevar, curentul de pornire in conexiunea "Y" va fi:

(1.52)

iar pentru conexiunea triunghi (Δ):

astfel incat:

(1.54)

Deoarece la pornire motorul este conectat in stea, tensiunea de faza a motorului va fi:

(1.55)

iar raportul dintre cuplul de pornire si cuplul nominal este:

(1.56)

Din analiza relatiilor (1.54) si (1.56) se observa ca odata cu reducerea de trei ori a curentului de pornire, cuplul de pornire se reduce de acelasi numar de ori, ceea ce in cele mai multe cazuri constituie un mare dezavantaj.

Din aceste considerente metoda poate fi utilizata doar in cazul pornirilor usoare (in gol sau cu sarcina redusa).

In fig. 1.14 este prezentata caracteristica cuplu - alunecare, a pornirii cu comutator stea - triunghi.

La pornirea cu comutatorul stea - triunghi, punctul static de functionare este punctul A(1,). Daca este indeplinita conditia , motorul porneste (in stea) si punctul de functionare se deplaseaza in sensul indicat de sageti pe caracteristica corespunzator conexiunii stea. Trecerea din conexiunea stea in conexiune triunghi corespunde punctului 0 al caracteristicii, punct in care are loc saltul in Δ, pe caracteristica corespunzatoare conexiunii triunghi. Viteza de rotatie continua sa creasca (s scade) si punctul de functionare se deplaseaza in continuare pana in punctul E aflat la intersectia caracteristicii motorului de actionare, cu caracteristica masinii de lucru.

Pentru evitarea socului de cuplu (cat si a celui de curent) trecerea de pe caracteristica corespunzatoare conexiunii stea pe cea corespunzatoare conexiunii triunghi se va face numai in apropierea vitezei de rotatie nominale.

Pornirea cu comutator stea-triunghi se poate realiza normal, folosindu-se un comutator stea-triunghi cu actionare normala sau automat ca in figura 1.15.

La actionarea butonului de pornire (normal deschis cu revenire) sunt alimentate simultan butoanele contactorului si releului de timp .

Contactele din circuitul 33 se inchid conectand in stea infasurarea trifazata statorica, simultan cu acesta inchizandu-se si contactul din circuitul 1. Astfel, se realizeaza alimentarea bobinei contactorului de linie care isi va inchide contactul de automentinere () din circuitul 4 si contactele principale () din circuitul 31, conectand statorul motorului asincron la retea. Motorul porneste in stea si dupa un timp , reglat anterior contactul (din circuitul 2) se deschide, intrerupand alimentarea bobinei contactorului K₁. Contactul K₁ al acestuia - din circuitul 3 - se inchide permitand astfel alimentarea bobinei contactorului . Acesta isi va inchide contactele principale din circuitul 32, conectand infasurarea statorica in triunghi.

Este evident ca odata cu pierderea alimentarii bobinei contactorului , contactele principale ale acestuia din circuitul 33 s-au deschis, astfel ca motorul va functiona in continuare in triunghi.

Timpul de pornire al releului de timp este astfel reglat incat trecerea de la conexiunea stea la conexiunea de lucru (triunghi) sa se realizeze in momentul atingerii unor viteze de rotatie de circa 95% din viteza de regim stationar. Nerespectarea acestei conditii conduce la aparitia unor socuri de curent si de cuplu insemnate care anuleaza avantajele specifice acestei metode de pornire.

Daca in timpul functionarii in triunghi a motoarelor asincrone (pornite cu comutator stea-triunghi) sarcina motorului scade la valori mai mici de din valoarea nominala, se recomanda trecerea statorului din nou in conexiune stea. Astfel, curentul absorbit va scadea, factorul de putere si randamentul vor creste considerabil, realizandu-se astfel reducerea pierderilor de energie.

Deoarece una din conditiile indispensabile aplicarii acestei metode de pornire este ca tensiunea de faza a motorului sa fie egala cu tensiunea de linie a retelei, in retelele de distributie de joasa tensiune de 220/380V de care dispunem, motoarele asincrone pe a caror placuta indicatoare este scris: ; 220/380V, nu pot fi pornite cu ajutorul comutatoarelor stea-triunghi.

Este evident ca tensiunea nominala de faza a motorului este 220V, iar tensiunea nominala de linie 380V, iar la conectarea in triunghi s-ar aplica pe fazele motorului tensiunea de linie , ceea ce ar conduce la distrugerea motorului datorita alimentarii fazelor cu o tensiune de ori mai mare fata de cea nominala.

Reducerea de 3 ori a curentului de pornire si inevitabil si a momentului cuplului de pornire, se realizeaza de fapt prin reducerea de ori a tensiunii de faza.

1.9.1. Pornirea cu autotransformator

si pornirea cu bobine de reactanta

a) Pornirea cu autotransformator

Aceasta metoda de pornire urmareste reducerea curentului de pornire prin utilizarea unui autotransformator trifazat care permite alimentarea infasurarii trifazate statorice cu tensiune variabila crescator si continuu pornind de la valoarea zero.

Schema de principiu utilizata in acest scop este prezentata in figura 1.16, iar secventele pornirii sunt urmatoarele:

se inchid contactele prin care se realizeaza conectarea in stea a autotransformatorului si se pozitioneaza cursoarele acestuia pe pozitia corespunzatoare tensiunii de iesire minime;

se inchid contactele si se mareste progresiv tensiunea de alimentare a motorului M prin autotransformatorul , pana la atingerea valorii nominale;

la finalizarea procesului tranzitoriu de pornire se inchid contactoarele , realizandu-se conectarea directa la retea a motorului asincron M si se deschid contactele .

Daca este tensiunea nominala de faza a retelei, este raportul de transformare al autotransformatorului si tensiunea redusa, vom putea scrie:

sau (1.57)

si :

(1.58)

in care: si sunt cuplurile de pornire corespunzatoare celor doua tensiuni, redusa si nominala.

Curentul absorbit de motor la pornire este:

=,      (1.59)

unde este impe-danta echivalenta pe o faza a motorului la pornire la , iar , curentul de pornire nominal.

In ipoteza neglijarii caderilor de tensiune pe autotransformator, curentul absorbit de un motor din este:

(1.60)

Din analiza relatiilor (1.58) si (1.600 rezulta ca la pornirea cu autotransformator, o reducere de ori a curentului de pornire este insotita de reducerea momentului cuplului de acelasi numar de ori. Este evident ca reducerea cuplului de pornire este un avantaj ce ar putea conduce l a imposibilitatea pornirii in sarcina.

b) Pornirea cu bobine de reactanta

Pornirea cu bobine de reactanta (sau rezistoare) introduse in circuitul statoric este utilizata in special la motoarele de puteri mari alimentate din reteaua de 6 kV sau 10 kV si consta in inserarea pe durata pornirii in circuitul statoric a unor bobine de reactanta (mai rar rezistoare), asa cum rezulta din figura 1.17.

Daca este curentul de pornire la pornirea prin conectare directa si curentul de pornire la pornirea cu bobine de reactanta si se urmareste reducerea curentului de ori, putem scrie:

(1.61)

Momentul cuplului de pornire: in acest caz este:

(1.62)

Asadar, o reducere a curentului de pornire de ori este insotita de o reducere a momentului cuplului de ori, deci metoda este mai dezavantajoasa decat pornirea cu autotransformator.

Pentru pornire, se inchid si , motorul asincron M alimentandu-se cu o tensiune redusa datorita caderilor de tensiune pe bobinele de reactanta (de inductivitate ) ceea ce conduce la reducerea curentului de pornire.

La terminarea pornirii (stabilizarea curentului absorbit de motor) se inchid contactele , suntand bobinele de reactanta si atragandu-se astfel alimentarea infasurarii trifazate statorice cu tensiunea nominala.

1.9.4. Pornirea motoarelor asincrone cu rotorul bobinat

Toate metodele de pornire prezentate pana acum pot fi utilizate atat pentru pornirea motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit cat si a celor cu rotorul bobinat deoarece in toate cazurile se actioneaza asupra parametrilor statorici (tensiuni de alimentare) care nu difera pentru cele doua variante constructive de masini asincrone.

Pe langa avantajul reducerii curentului de pornire, metodele prezentate au dezavantajul reducerii momentului cuplului de pornire, ceea ce le reduce considerabil domeniul de aplicabilitate.

Accesul din exterior la infasurarea rotorica a motoarelor asincrone cu rotorul bobinat confera avantaje substantiale pentru procesul de pornire si anume asigurarea unor cupluri mari de pornire concomitent cu reducerea curentilor de pornire la valori acceptabile.

Intr-adevar, din analiza relatiilor:

si

putem constata ca odata cu cresterea rezistentei echivalente a circuitului rotoric (obtinuta prin introducerea unor rezistoare) alunecarea critica creste in timp ce cuplul critic ramane nemodificat. Astfel, punctul al caracteristicii prezentata in figura 1.11 se deplaseaza spre dreapta si concomitent cu aceasta se obtine cresterea cuplului de pornire , pentru o anumita valoare a rezistentei echivalente rotorice putandu-se obtine un cuplu de pornire egal cu cuplul maxim .

Din considerentele prezentate mai sus, metodele de pornire prezentate in paragrafele 1.9.1 1.9.2 se vor aplica in exclusivitate motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit in timp ce pentru motoarele cu rotorul bobinat se va utiliza in exclusivitate pornirea reostatica.

Metoda consta in inserarea pe durata pornirii - cu infasurarea rotorica a unor rezistoare cu rezistenta variabila continuu sau in trepte care va avea valoarea maxima in primul moment al pornirii (momentul alimentarii de la retea a infasurarii trifazate statorice) si care se reduce treptat pana la eliminarea completa din circuit.

Din punctul de vedere al curentului de pornire, prin neglijarea curentului de mers in gol se obtine:

(1.63)

in care: este curentul absorbit de infasurarea statorica din retea; - valoarea curentului de pornire rotoric raportat la stator (la ).

Daca si sunt rezistenta respectiv reactanta infasurarii rotorice raportate la stator, - valoarea rezistentei de pornire raportata la stator si tensiunea electromotoare indusa in infasurarea rotorica in momentul pornirii (pentru alunecare ), se poate scrie:

(1.64)

relatie din care rezulta ca prin introducerea in circuitul rotoric a rezistorului de rezistente se realizeaza reducerea curentului absorbit de motor la pornire din retea.

Deoarece se preteaza automatizarii, reglajul in trepte al reostatului de pornire este preferat reglajului continuu. Calculul treptelor de rezistenta ale reostatului de pornire se face impunandu-se fie limitele de variatie a cuplului pe durata pornirii. In figura 1.18a este prezentata schema electrica pentru pornire reostatica (cu trei trepte de pornire) a unui motor asincron bobinat, iar in figura 1.18b este prezentata caracteristica de pornire , asociata.

Valoarea cuplului de pornire maxim se stabileste in functie de cuplul maxim al motorului, cu relatia:

(1.65)

Cuplul minim de pornire se alege in functie de cuplul static al masinii de lucru actionate:

La inchiderea intreruptoarelor tripolare si , contactele , si sunt deschise; astfel incat motorul porneste cu valoarea maxima a rezistentei rotorice echivalente

Punctul de functionare corespunzator pornirii este pe caracteristica 1. Viteza de rotatie creste, alunecarea scade si la atingerea cuplului minim - in punctul - se inchid contactele suntand treapta de rezistenta . Punctul de functionare se deplaseaza din in pe caracteristica 2 careia ii corespunde rezistenta echivalenta:

Viteza de rotatie continua sa creasca (alunecarea sa scada) pana la atingerea cuplului - in punctul cand se sunteaza treapta de rezistenta , prin inchiderea contactelor .

Astfel, treptele de rezistenta se sunteaza succesiv pana la eliminarea completa a reostatului de pornire cand se ajunge pe caracteristica naturala, caracteristica 4 din figura. Functionarea motorului se stabilizeaza pe aceasta caracteristica in punctul in care se realizeaza egalitatea cuplurilor activ (dezvoltat de motor) si rezistent (al masinii de lucru).

Se pot realiza scheme de comanda automata a pornirii reostatice cu relee de timp, relee de curent sau de tensiune (viteza de rotatie).

In concluzie, prin aceasta metoda de pornire se realizeaza reducerea curentului de pornire , concomitent cu cresterea momentului cuplului de pornire . Singurul dezavantaj al metodei il constituie cresterea pierderilor de energie in reostatul de pornire pe durata pornirii.

1.10. MODIFICAREA VITEZEI DE ROTATIE

A MOTOARELOR ASINCRONE

Pentru a vedea care sunt posibilitatile de modificare a vitezei de rotatie a motoarelor asincrone este suficient sa analizam relatiile:

(1.6)

(1.11)

Astfel, modificarea vitezei de rotatie a motoarelor asincrone se poate realiza prin:

prin modificarea tensiunii de alimentare;

modificarea rezistentei sau reactantei echivalente a circuitului rotoric (la motoarele cu rotorul bobinat);

modificarea frecventei tensiunii de alimentare;

modificarea numarului de perechi de poli, .

1.10.1. Modificarea vitezei de rotatie

prin modificarea tensiunii de alimentare

Caracteristicile cuplu alunecare , respectiv mecanica , ridicate in conditiile alimentarii motoarelor la tensiune nominala, , frecventa nominala , fara rezistente sau reactante suplimentare in circuitul statoric si rotoric se numesc caracteristici naturale.

Caracteristicile ridicate pentru o alta valoare a tensiunii diferita de cea nominala - se numesc caracteristici artificiale de tensiune. La modificarea tensiunii de alimentare , se modifica numai cuplul critic (acesta crescand cu patratul tensiunii, ), pastrandu-si neschimbate alunecare critica si viteza de rotatie de sincronism (vezi relatiile 1.47 si 1.48).

In figura 1.19 sunt prezentate graficele calitative ale caracteristicilor cuplu-alunecare, , (a) si mecanice , (b) naturale si artificiale.

Analizand caracte-risticile prezentate mai sus constatam ca la aceeasi valoare cuplului rezistent, cresterea tensiunii de alimentare determina reducerea alu-necarii corespunzatoare punctului static de func-tionare si cresterea vitezei de rotatie a moto-rului. De asemenea, cres-terea tensiunii determina cresterea cuplului de pornire si a capaci-tatii de supraincarcare a motorului .

Reducerea tensiunii de alimentare conduce la reducerea vitezei de rotatie, a momentului cuplului de pornire si a momentului cuplului critic (se reduce ca-pacitatea de supraincar-care).

Modificarea tensiu-nii de alimentare se poate realiza fie cu ajutorul unor autotransformatoare trifazate, fie prin utilizarea contactoarelor statice sau a variatoarelor statice de tensiune alternativa care vor face obiectul altor discipline.

Trebuie subliniata totusi elasticitatea redusa a caracteristicilor mecanice artificiale de tensiune cat si domeniul redus de modificare a vitezei de rotatie, gama de reglaj reducandu-se concomitent cu reducerea incarcarii.

1.10.2. Modificarea vitezei de rotatie

prin variatia rezistentei circuitului rotoric

Modificarea vite-zei de rotatie a mo-toarelor asincrone prin aceasta metoda - valabila numai pentru motoarele asincrone cu rotorul bobinat - este posibila datorita pre-zentei contactului alunecator perii-inele de contact care permit inserierea cu infasu-rarea rotorica a unor rezistoare cu rezistenta variabila. Se poate mo-difica astfel rezistenta echivalenta a circui-tului rotoric, care conduce la modifi-carea alunecarii critice (vezi relatia 1.47), cuplul critic rama-nand neschimbat (rela-tia 1.48). Se obtin caracteristicile artifi-ciale reostatice ale caror grafice calitative sunt prezentate in figura 1.20.

Din analiza caracteristicilor prezentate in figura 1.20 se constata ca odata cu cresterea rezistenta echivalente rotorice, alunecarea critica creste, cuplul critic ramane neschimbat (punctul de extrem al caracteristicii se deplaseaza spre dreapta), momentul cuplului de pornire creste, iar rezistenta corespunzatoare punctului static de functionare scade, pentru o aceeasi valoare a cuplului rezistent.

Din aceeasi figura constatam reducerea rigiditatii caracteristicii mecanice odata cu cresterea rezistentei echivalente rotorice (caracteristicile devin tot mai cazatoare) si reducerea eficientei reglajului (domeniului de reglare) la functionarea in gol sau in sarcini reduse.

Posibilitatea utilizarii reostatului de reglaj si la pornirea reostatica a motorului asincron, reprezinta un alt avantaj al metodei.

Aceasta metoda de verificare a vitezei de rotatie are insa marele dezavantaj al cresterii pierderilor de putere si energie in circuitul rotoric, ceea ce limiteaza considerabil domeniul de aplicabilitate al metodei. Intr-adevar, pierderile in circuitul rotoric fiind:

rezulta ca regalul este insotit de pierderi in rotor, proportionale cu alunecarea.

Din acest motiv, modificarea vitezei de rotatie prin aceasta metoda se face in limite restranse si pentru durate de timp relativ mici (serviciul de functionare intermitent).

1.10.1. Modificarea vitezei de rotatie

prin modificarea frecventei tensiunii de alimentare

Este metoda cea mai economica din punctul de vedere al pierderilor de energie si asigura domeniul cel mai larg de reglare. Prin modificarea frecventei a tensiunii de alimentare se modifica atat viteza de sincronism () cat si alunecarea critica si cuplul maxim , asa cum rezulta din relatiile 1.47 si 1.48 si din caracteristicile prezentate in figura 1.21.

Cu reducerea frecventei cresc: alunecarea critica , cuplul critic si momentul cuplului de pornire , in timp ce viteza de sincronism se reduce corespunzator relatiei: .

Asadar, la aceeasi valoare a cuplului rezistent , viteza de rotatie a motorului asincron creste, dar scade cuplul maxim (capacitatea de supraincarcare a motorului se reduce). De asemenea, se poate remarca ca eficienta reglarii nu depinde de valoarea sarcinii.

Pentru a mentine neschimbata capacitatea de supraincarcare a motorului (aceeasi valoare a cuplului ) pe intreg domeniul de variatie al vitezei de rotatie este necesar ca modificarea frecventei sa fie insotita de modificarea frecventei sa fie insotita de modificarea valorii efective a tensiunii de alimentare.

Cum insa:

pentru a realiza conditia = constant, este necesar ca raportul sa fie constant.

Convertoarele statice de frecventa (care asigura alimentarea motoarelor asincrone cu tensiune de frecventa variabila) se pot clasifica in doua categorii:

convertoare statice directe sau cicloconvertoare care transforma direct tensiunea si frecventa a retelei de alimentare in tensiunea si frecventa ;

convertoare indirecte, cu circuit intermediar de curent continuu la care are loc o dubla conversie a energiei:

transformarea tensiunii alternative in tensiune continua;

transformarea cu ajutorul unui invertor a tensiunii continue in tensiune alternativa de frecventa variabila.

In comparatie cu celelalte metode de modificare a vitezei de rotatie, superioritatea acestei metode este neta, necesitatea existentei unei surse trifazate de tensiune cu frecventa variabila constituind dificultatea esentiala a metodei.

1.10.4. Modificarea vitezei de rotatie

prin schimbarea numarului de perechi de poli

Prin modificarea numarului perechilor de poli se obtine o modificare in trepte a vitezei de sincronism, potrivit relatiei:

Metoda se aplica numai motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit (unde se realizeaza in mod automat adaptarea numarului de poli rotorici cu numarul perechilor de poli statorici) care fie sunt prevazute cu doua infasurari statorice trifazate distincte cu diferit fie cu una sau mai multe infasurari statorice de constructie speciala la care prin schimbarea conexiunilor se pot obtine infasurari cu numere de perechi de poli diferite asa cum rezulta din figura 1.22. Motorul asincron prezentat are doua viteze de sincronism diferite (motor asincron cu doua viteze) si are infasurarile fiecarei faze statorice realizate din cate doua jumatati care pot fi conectate in serie (figura 1.22. a) sau in paralel (figura 1.22 b). La conectarea in paralel se obtine un numar de perechi de poli egal cu jumatate din numarul perechilor de poli corespunzatori conexiunii serie , viteza de sincronism dublandu-se. pentru efectuarea comutarilor in schema de conexiuni a infasurarii trifazate statorice se utilizeaza comutatoare speciale sau contactoare.

Caracteristicile mecanice corespunzatoare schimbarii numarului de perechi de poli sunt prezentate in figura 1.21.

Presupunem, ca motorul functioneaza in punctul static de functionare la un cuplu rezistent constant pe caracteristica mecanica corespunzatoare unui numar de perechi de poli si se doreste reducerea vitezei la jumatate.

In acest scop se schimba conexiunea infasurarilor (de la conexiunea paralel la conexiunea serie). Punctul de functionare trece initial la viteza constanta din in , dupa care sub influenta cuplului de franare viteza scade, iar punctul de functionare se va deplasa pe caracteristica mecanica corespunzatoare numarului de perechi de poli pana in punctul in care se realizeaza din nou egalitatea cuplurilor ().

Dezavantajele metodei modificarii vitezei de rotatie prin modificarea numarului de poli constau in faptul ca permite modificarea vitezei decat in trepte (discret), constructia este destul de complicata si necesita aparate speciale de comutare.

Motoare asincrone cu mai multe viteze se folosesc totusi la actionarea ascensoarelor, masinilor unelte, masinilor din industria de prelucrare a lemnului, pompelor, ventilatoarelor etc.

1.11. FRANAREA SI INVERSAREA SENSULUI

DE ROTATIE IN ACTIONARILE ELECTRICE

CU MOTOARE ASINCRONE

Franarea masinilor de lucru din cadrul sistemelor de actionare electrica cu motoare asincrone se poate realiza actionand fie direct asupra masinii de lucru (cu ajutorul unor sisteme de franare mecanice) sau asupra elementelor de adaptare dintre motorul electric de actionare si masina de lucru (sistemelor de transmisie a miscarii) fie asupra motoarelor electrice.

Utilizarea franarii are in principal urmatoarele scopuri:

oprirea rapida a masinii de lucru in situatii exceptionale;

realizarea unei viteze de coborare reduse in cazul mecanismelor cu cuplu rezistent de tip potential;

reducerea timpilor de oprire si/sau inversare a sensului de rotatie si cresterea productivitatii masinilor de lucru.

Franarea masinilor de lucru actionand asupra motoarelor asincrone de actionare utilizeaza proprietatea acesteia de a produce un cuplu electromagnetic de sens opus sensului de rotatie.

Exista posibilitati multiple de franare electrica folosind masinile asincrone:

franarea in contracurent (contraconectare);

franarea in regim de generator cu recuperare a energiei;

franarea in regim de generator fara recuperare a energiei (franarea dinamica);

franarea subsincrona.

1.11.1. Franarea in contracurent (prin contraconectare)

Franarea in contracurent se realizeaza in doua variante, in functie de natura cuplului static rezistent al masinii de lucru: reactiv sau potential.

Pentru masinile de lucru cu cuplu rezistent de tip reactiv, franarea in contracurent se realizeaza prin schimbarea conexiunii la retea a doua faze statorice (masina fiind in stare de functionare) concomitent cu introducerea unor rezistoare de franare in circuitul rotoric (in cazul motoarelor asincrone cu rotorul bobinat). Se va schimba astfel sensul campului magnetic invartitor statoric si implicit sensul cuplului electromagnetic care devine cuplu rezistent (ce se opune miscarii), miscarea fiind asigurata in continuare (in acelasi sens) de energia cinetica inmagazinata in masele aflate in miscare de rotatie. Viteza de rotatie scade pana la valoarea 0, moment in care se realizeaza deconectarea de la retea a infasurarii trifazate statorice, altminteri existand pericolul pornirii in sens contrar (reversarii).

Caracteristicile mecanice corespunzatoare franarii in contracurent a motoarelor asincrone sunt prezentate in figura 1.24.

Consideram ca masina functioneaza in regim de motor in punctul , moment in care se comanda trecerea in regim de franare. Punctul de functionare trece din A in B (aproape la aceeasi viteza ) pe o caracteristica mecanica artificiala obtinuta prin introducerea in circuitul rotoric a unei rezistente de franare de valoare mare. Momentul cuplului electromagnetic corespunzator punctului este negativ realizand franarea sistemului de actionare. Din , punctul de functionare se deplaseaza catre C, la viteze tot mai reduse, alunecarea pe portiunea BC fiind data de relatia:

Valoarea supraunitara a alunecarii, corespunzatoare functionarii masinii in regim de frana electromagnetica, este deosebit de periculoasa din punctual de vedere al solicitarii termice si electrodinamice a masinii. Limitarea solicitarilor se realizeaza prin introducerea reostatului de franare (de rezistenta corespunzatoare), in circuitul rotoric care va prelua o buna parte din puterea disipata in regimul de franare.

Daca nu se doreste pornirea in sens invers, in punctul C - la viteza de rotatie nula - se realizeaza deconectarea masinii de la retea.

Modificarea efectului de franare se poate obtine prin modificarea rezistentei reostatului de franare, .

Pentru masinile de lucru cu cuplu static rezistent de tip potential, trecerea masinii asincrone in regim de frana electromagnetica se realizeaza prin introducerea in circuitul rotoric a unor rezistoare de franare de rezistenta foarte mare , astfel ca la sarcina , alunecarea sa fie negativa.

Vom considera cazul unui mecanism de ridicare la care antrenarea greutatii se realizeaza cu o masina asincrona. La ridicarea greutatii cu viteza constanta, fie punctul static de functionare al sistemului de actionare electrica (, vezi figura 1.25).

La introducerea in circuitul rotoric a unui reostat de franare de rezistenta punctul static de functionare se deplaseaza din A in B pe o caracteristica artificiala puternic cazatoare, punct in care cuplul dezvoltat de motor, este mai mic decat cuplul rezistent al sarcinii . Se va produce astfel o deccelerare a sistemului de actionare, punctul de functionare deplasandu-se din in C.

Pe portiunea BC alunecarea si masina functioneaza in regim de motor, iar daca se doreste oprirea greutatii se deconecteaza motorul de la retea in punctul , fiind insa necesar un sistem de franare mecanica pentru fixarea pozitiei sarcinii. Daca in punctul C nu se realizeaza intreruperea alimentarii, greutatea incepe sa coboare, punctul de functionare se deplaseaza din C catre D in care se asigura coborarea la viteza constanta. Valoarea alunecarii in punctul D este:

ceea ce confirma functionarea masinii in regim de frana electromagnetica.

Metoda este aplicata frecvent la mecanismele de ridicare a sarcinilor, fie pentru oprire, fie (mai ales) pentru realizarea vitezelor de coborare reduse, functii care se obtin prin schemele de comanda automata corespunzatoare.

1.11.2. Franarea cu recuperare de energie

Franarea cu recuperare de energie, numita si franare suprasincrona este cea mai eficienta metoda de franare, masina asincrona functionand in acest caz in regim de generator fiind antrenata cu o viteza mai mare decat viteza de sincronism: .

Metoda se intalneste de regula, la masinile asincrone care actioneaza masini de lucru cu cuplu rezistent de tip potential, putandu-se utiliza insa si pentru masinile de lucru cu cuplu rezistent reactiv actionate de motoare asincrone cu doua viteze, realizate prin comutarea numarului de poli.

Vom considera o masina asincrona utilizata pentru antrenarea greutatii unui mecanism de ridicare, care functioneaza in punctul de functionare al caracteristicii prezentata in figura 1.26 in regim de motor, asigurand ridicarea sarcinii la viteza constanta.

Pentru coborarea greutatii, se inverseaza alimentarea a doua faze ale infasurarii trifazate statorice. In intervalul de timp in care , momentul cuplului electromagnetic schimba de semn si devine cuplu de franare pentru greutatea in coborare, functionarea avand loc pe caracteristica 2b si stabilizandu-se in punctul D in care se asigura coborarea la viteza constanta: .

In cazul actionarii unui vehicul care coboara o panta, punctul de functionare se deplaseaza din A (de pe caracteristica 1a) in B (pe caracteristica 1b), unde masina functioneaza ca generator, franand cu viteza .

Marele avantaj al acestei metode de franare consta in faptul ca energia mecanica este transformata in energie electrica si furnizata retelei de alimentare, deci recuperata, de unde vine si denumirea metodei).

Metoda prezinta insa un inconvenient major, determinat de faptul ca franarea poate avea loc doar la viteze mai mari decat viteza de sincronism , motiv pentru care metoda se asociaza cu alte procedee de franare si metode de modificare a vitezei de rotatie.

1.11.1. Franarea dinamica (in camp excitat de curent continuu)

Este o metoda de franare in regim de generator fara recuperarea energiei si se realizeaza prin deconectarea infasurarii trifazate statorice de la reteaua de alimentare si conectarea ei la o sursa de tensiune continua, dupa una din variantele prezentate in figura 1.27.

In aceste conditii masina va functiona ca un generator sincron avand statorul ca circuit inductor, iar rotorul drept indus, debitand pe propria infasurare in cazul rotorului in scurtcircuit sau pe infasurare si pe rezistenta de franare introdusa in circuitul rotoric, pentru motoarele cu rotorul bobinat.

Analiza procesului de franare dinamica cu ajutorul caracteristicilor mecanice este prezentata in figura 1.28.

Modificarea efectului de franare (cuplul de franare, timpul de oprire sau viteza de coborare) se realizeaza prin modificarea valorii rezistentei de franare si prin modificarea tensiunii continue aplicate infasurarii statorice.

In figura 1.29 este prezentata schema de comanda automata pentru pornirea si franarea dinamica a motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit.

Pentru pornire se inchide intreruptorul bipolar (cu rol de separator) si se apasa butonul de pornire (normal deschis cu revenire). Astfel, se alimenteaza bobina contactorului (din circuitul 3) care isi va inchide contactele (de automentinere), din circuitul 5 si contactele principale din circuitul de forta 1 si motorul porneste.

Prin conectorul (acum inchis) se alimenteaza si bobina releului de timp din circuitul 5, care isi va inchide contactorul normal deschis cu temporizare la deschidere din circuitul 6.

Pentru oprirea prin franare dinamica se actioneaza butonul (normal deschis cu revenire) din circuitul 6, alimentand astfel bobina contactorului , care prin deschiderea contactului din circuitul 3, scoate de sub tensiune contactorul . Astfel, infasurarea statorica trifazata este scoasa de sub tensiunea alternativa si alimentata cu tensiune continua prin transformatorul si puntea redresoare . Concomitent cu anclansarea contactorului , bobina releului pierde alimentarea, iar contactul sau din circuitul 6 se va deschide cu temporizare (timpul de deschidere al acestuia trebuie sa fie ceva mai mare decat timpul de franare). Astfel, dupa terminarea procesului de franare, bobina contactorului este scoasa de sub tensiune, toate contactele acestuia revin la starea initiala, schema fiind pregatita pentru o noua pornire.

Pentru oprirea fara franare dinamica se actioneaza butonul (normal inchis cu revenire) din circuitul 1. Protectia la scurtcircuit se realizeaza cu ajutorul sigurantelor fuzibile , si releelor maximale de curent , iar protectia la supracurent cu ajutorul blocului de relee termice .

Aceasta metoda de franare asigura o franare energica la viteze mari, se aplica la oprirea mecanismelor cu moment de inertie mare fiind utilizata, in functie de caracterul sarcinii, fie la oprire fie la functionarea la o viteza dorita. Ca dezavantaje ale metodei se remarca necesitatea existentei unui echipament suplimentar si pierderile de energie insemnate, energia de franare transformandu-se in caldura in motor si in reostatul de franare.

1.11.4. Franarea subsincrona

Franarea subsincrona este o metoda de franare utilizata in special la masinile de lucru cu cuplu rezistent de tip potential, avand avantajul ca nu permite inversarea sensului de rotatie. Metoda consta in alimentarea infasurarii trifazate statorice cu un sistem trifazat nesimetric de tensiuni cu o simetrie bine determinata, concomitent cu introducerea in circuitul rotoric (daca acest lucru este posibil) a unui reostat de franare.

Una din cele mai simple metode de creare a simetriei o constituie alimentarea monofazata care se poate realiza cu o schema similara cele prezentate in figura 1.30.

Se stie ca la alimentarea unei infasurari monofazate cu o tensiune sinusoidala, apare un camp magnetic oscilant, care poate fi descompus in doua campuri magnetice invartitoare de sensuri opuse. Acestora le corespund doua cupluri electromagnetice: - de sens direct si - de sens invers, fiecare incercand sa-i imprime rotorului un anumit sens de rotatie.

Caracteristicile mecanice corespunzatoare celor doua cupluri sunt simetrice fata de origine si sunt prezentate in figura 1.31. Cu linie intrerupta sunt prezentate caracteristicile meca-nice naturale (fara rezistoare in circuitul rotoric), iar cu linie continua caracteristicile artificiale reostatice (puternic cazatoare) corespunzatoare celor doua cupluri si caracteristica mecanica rezultanta.

Dupa cum se vede in figura 1.31, caracteristica mecanica rezultanta se afla situata integral in cadranele II si IV ceea ce evidentiaza faptul ca masina se gaseste in permanenta in regim de franare electromagnetica.

Daca initial, masina functioneaza in punctul A in regim de motor, (pe caracteristica mecanica naturala la alimentare simetrica), la inceperea franarii punctul de functionare se deplaseaza in B, punct din care, datorita cuplului negativ , sistemul de actionare isi va reduce treptat viteza. Daca masina de lucru este cu cuplu rezistent de tip reactiv, franarea se incheie cu oprirea sistemului, iar daca cuplul rezistent este de tip potential, functionarea se va stabiliza in punctul , sarcina coborand cu viteza constanta .

Modificarea cuplului de franare, respectiv a vitezei de coborare se poate realiza prin modificarea rezistentei rotorice echivalente.

END ***