Motor electric - Principiul de functionare

Motor electric

Motorul de inductie trifazat este cel mai raspandit motor electric

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv ce transforma energia electrica in energie mecanica. Transformarea inversa, a energiei mecanice in energie electrica, este realizata de un generator electric. Nu exista diferente de principiu semnificative intre cele doua tipuri de masini electrice, acelasi dispozitiv putand indeplini ambele roluri in situatii diferite.

Principiul de functionare

Majoritatea motoarelor electrice functioneaza pe baza fortelor electromagnetice ce actioneaza asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat in camp magnetic. Exista insa si motoare electrostatice construite pe baza fortei Coulomb si motoare piezoelectrice..

Utilizare

Fiind construite intr-o gama extinsa de puteri, motoarele electrice sunt folosite la foarte multe aplicatii: de la motoare pentru componente electronice (hard disc imprimanta) pana la actionari electrice de puteri foarte mari (pompe, locomotive, macarale).

Clasificare

Motoarele electrice pot fi clasificate dupa tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu si motoare de curent alternativ. In functie de numarul fazelor in care functioneaza motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate.

Motoare de curent continuu

In functie de tipul de excitatie se impart in trei categorii:

Motoare derivatie

Motoare serie

Motoare mixte

Motoare de curent alternativ

Motoare asincrone

Motoare cu inele de contact ( rotorul bobinat)

Motoare cu rotorul in scurtcircuit

Motoare de tipuri speciale

Motoare cu bare inalte

Motoare cu dubla colivie Dolivo-Dobrovolski

Motoare sincrone

Elemente constructive

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din doua parti componente: stator si rotor. Statorul este partea fixa a motorului, in general exterioara, ce include carcasa, bornele de alimentare, armatura feromagnetica statorica si infasurarea statorica. Rotorul este partea mobila a motorului, plasata de obicei in interior. Este format dintr-un ax si o armatura rotorica ce sustine infasurarea rotorica. Intre stator si rotor exista o portiune de aer numita intrefier ce permite miscarea rotorului fata de stator. Grosimea intrefierului este un indicator important al performantelor motorului.

Motorul de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat in de Znobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemanator. Astfel, a putut observa ca masina se roteste, realizand conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici si bobinele polare concentrate care creeaza campul magnetic de excitatie. Pe axul motorului este situat un colector ce schimba sensul curentului prin infasurarea rotorica astfel incat campul magnetic de excitatie sa exercite in permanenta o forta fata de rotor.

In functie de modul de conectare a infasurarii de excitatie motoarele de curent continuu pot fi clasificate in:

• motor cu excitatie independenta - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt conectate la doua surse separate de tensiune
• motor cu excitatie paralela - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt legate in paralel la aceasi sursa de tensiune
• motor cu excitatie serie - unde infasurarea statorica si infasurarea rotorica sunt legate in serie
• motor cu excitatie mixta - unde infasurarea statorica este divizata in doua infasurari, una conectata in paralel si una conectata in serie.

Infasurarea rotorica parcursa de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenti. Rotorul se deplaseaza in campul magnetic de excitatie pana cand polii rotorici se aliniaza in dreptul polilor statorici opusi. In acelasi moment, colectorul schimba sensul curentilor rotorici astfel incat polaritatea rotorului se inverseaza si rotorul va continua deplasarea pana la urmatoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru actionari electrice de puteri mici si medii, sau pentru actionari ce nu necesita camp magnetic de excitatie variabil, in locul infasurarilor statorice se folosesc magneti permanenti.

Turatia motorului este proportionala cu tensiunea aplicata infasurarii rotorice si invers proportionala cu campul magnetic de excitatie. Turatia se regleaza prin varierea tensiunii aplicata motorului pana la valoarea nominala a tensiunii, iar turatii mai mari se obtin prin slabirea campului de excitatie. Ambele metode vizeaza o tensiune variabila ce poate fi obtinuta folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin inserierea unor rezistoare in circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere

Motor universal folosit la rasnitele de cafea

Cuplul dezvoltat de motor este direct proportional cu curentul electric prin rotor si cu campul magnetic de excitatie. Reglarea turatiei prin slabire de camp se face, asadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie acelasi curent strabate infasurarea de excitatie si infasurarea rotorica. Din aceasta consideratie se pot deduce doua caracteristici ale motoarelor serie: pentru incarcari reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de patratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lasat sa functioneze in gol pentru ca in acest caz valoarea intensitatii curentului electric absorbit este foarte redusa si implicit campul de excitatie este redus, ceea ce duce la ambalarea masinii pana la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitatie serie se folosesc in tractiunea electrica urbana si feroviara (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotatie se face fie prin schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului campului magnetic de excitatie. La motorul serie, prin schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare se realizeaza schimbarea sensului ambelor marimi si sensul de rotatie ramane neschimbat. Asadar, motorul serie poate fi folosit si la tensiune alternativa, unde polaritatea tensiunii se inverseaza o data in decursul unei perioade. Un astfel de motor se numeste motor universal si se foloseste in aplicatii casnice de puteri mici si viteze mari de rotatie (aspirator, mixer).

Motorul de curent alternativ

Motoarele de curent alternativ functioneaza pe baza principiului campului magnetic invartitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla in . In anul urmator a proiectat un motor de inductie bifazat, punand bazele masinilor electrice ce functioneaza pe baza campului magnetic invartitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea si transmisia eficienta la distanta a energiei electrice, marcand cea de-a doua Revolutie industriala. Un alt punct important in istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de catre Michael von Dolivo-Dobrowlsky in anul 1890 a rotorului in colivie de veverita.

Motorul de inductie trifazat

Motorul de inductie trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric in actionarile electrice de puteri medii si mari. Statorul motorului de inductie este format din armatura feromagnetica statorica pe care este plasata infasurarea trifazata statorica necesara producerii campului magnetic invartitor. Rotorul este format din armatura feromagnetica rotorica in care este plasata infasurarea rotorica. Dupa tipul infasurarii rotorice, rotoarele pot fi de tipul:

• rotor in colivie de veverita (in scurtcircuit) - infasurarea rotorica este realizata din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de doua inele transversale.
• rotor bobinat - capetele infasurarii trifazate plasate in rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.

Prin intermediul inductiei electromagnetice campul magnetic invartitor va induce in infasurarea rotorica o tensiune. Aceasta tensiune creeaza un curent electric prin infasurare si asupra acestei infasurari actioneaza o forta electromagnetica ce pune rotorul in miscare in sensul campului magnetic invartitor. Motorul se numeste asincron pentru ca turatia rotorului este intotdeauna mai mica decat turatia campului magnetic invartitor, denumita si turatie de sincronism. Daca turatia rotorului ar fi egala cu turatia de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inductie electromagnetica, nu s-ar mai induce curenti in rotor si motorul nu ar mai dezvolta cuplu.

Turatia motorului se calculeaza in functie alunecarea rotorului fata de turatia de sincronism, care este cunoscuta, fiind determinata de sistemul trifazat de curenti.

Alunecarea este egala cu: , unde

n₁ este turatia de sincronism si

n₂ este turatia rotorului.

, unde

f este frecventa tensiunii de alimentare si

p este numarul de perechi de poli ai infasurarii statorice.

Turatia masinii, in functie de turatia campului magnetic invartitor si in functie de alunecare este:

Se observa ca alunecarea este aproape nula la mers in gol (cand turatia motorului este aproape egala cu turatia campului magnetic invartitor) si este egala cu 1 la pornire, sau cand rotorul este blocat. Cu cat alunecarea este mai mare cu atat curentii indusi in rotor sunt mai intensi. Curentul absorbit la pornirea prin conectare directa a unui motor de inductie de putere medie sau mare poate avea o valoare comparabila cu curentul de avarie al sistemelor de protectie, in acest caz sistemul de protectie deconecteaza motorul de la retea. Limitarea curentului de pornire al motorului se face prin cresterea rezistentei infasurarii rotorice sau prin diminuarea tensiunii aplicate motorului. Cresterea rezitentei rotorului se face prin montarea unui reostat la bornele rotorului (doar pentru motoarele cu rotor bobinat). Reducerea tensiunii aplicate se face folosind un autotransformator, folosind un variator de tensiune alternativa (pornirea lina) sau conectand initial infasurarea statorica in conexiune stea (pornirea stea-triungi - se foloseste doar pentru motoarele destinate sa functioneze in conexiune triunghi) sau prin inserierea de rezistoare la infasurarea statorica. La reducerea tensiunii de alimentare trebuie avut in vedere ca cuplul motorului este proportional cu patratul tensiunii, deci pentru valori prea mici ale tensiunii de alimentare masina nu poate porni.

Turatia masinii de inductie se modifica prin modificarea alunecarii sale sau prin modificarea turatiei campului magnetic invartitor. Alunecarea se poate modifica din tensiunea de alimentare si din rezistenta infasurarii rotorice astfel: se creste rezistenta rotorica (prin folosirea unui reostat la bornele rotorice - doar la motoarele cu rotor bobinat) si se variaza tensiunea de alimentare (folosind autotransformatoare, variatoare de tensiune alternativa, cicloconvertoare) sau se mentine tensiunea de alimentare si se variaza rezistenta din rotor (printr-un reostat variabil). Odata cu cresterea rezistentei rotorice cresc si pierderile din rotor si implicit scade randamentul motorului. O metoda interesanta de reglare a turatiei sunt cascadele de recuperare a puterii de alunecare. La bornele rotorice este conectat un redresor, iar la bornele acestuia este conectat un motor de curent continuu aflat pe acelasi ax cu motorul de inductie (cascada Krmmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale mecanica). Tensiunea indusa in rotor este astfel redresata si aplicata motorului de curent continuu astfel incat cuplul dezvoltat de motorul de curent continuu se insumeaza cuplului dezvoltat de motorul de inductie. Reglarea turatiei motorului de inductie se face prin reglarea curentului prin infasurarea de excitatie. In locul motorului de curent continuu se poate folosi un invertor cu tiristoare si un transformator de adaptare (cascada Krmmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale electrica). Tensiunea indusa in rotor este astfel redresata si prin intermediul invertorului si a transformatorului este reintrodusa in retea. Reglarea vitezei se face din unghiul de aprindere al tiristoarelor.

Turatia campului magnetic invartitor se poate modifica din frecventa tensiunii de alimentare si din numarul de perechi de poli ai masinii. Numarul de perechi de poli se modifica folosind o infasurare speciala (infasurarea Dahlander) si unul sau mai multe contactoare. Frecventa de alimentare se modifica folosind invertoare. Pentru frecvente mai mici decat frecventa nominala a motorului (50 Hz pentru Europa, 60 Hz pentru America de Nord) odata cu modificarea frecventei se modifica si tensiunea de alimentare pastrand raportul U/f constant. Pentru frecvente mai mari decat frecventa nominala la cresterea frecventei tensiunea de alimentare ramane constanta si reglarea vitezei se face cu slabire de camp (ca la motorul de curent continuu).

Sensul de rotatie al motorului de inductie se inverseaza schimband sensul de rotatie al campului invartitor. Aceasta se realizeaza schimband doua faze intre ele.

Motorul de inductie cu rotorul in colivie este mai ieftin si mai fiabil decat motorul de inductie cu rotorul bobinat pentru ca periile acestuia se uzeaza si necesita intretinere. De asemenea, motorul de inductie cu rotorul in colivie nu are colector si toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scantei, poluare electromagnetica, fiabilitate redusa si implicit intretinere costisitoare. Motoarele de curent continuu au fost folosite de-a lungul timpului in actionarile electrice de viteza variabila, deoarece turatia motorului se poate modifica foarte usor modificand tensiunea de alimentare insa, odata cu dezvoltarea electronicii de putere si in special cu dezvoltarea surselor de tensiune cu frecventa variabila, tendinta este de inlocuire a motoarelor de curent continuu cu motoare de inductie cu rotor in colivie.

Motorul de inductie monofazat

In cazul in care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este in aplicatiile casnice, se poate folosi un motor de inductie monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce camp magnetic invartitor ci produce camp magnetic pulsatoriu (fix in spatiu si variabil in timp). Campul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, insa daca acesta se roteste intr-un sens, atunci asupra lui va actiona un cuplu in sensul sau de rotatie. Problema principala o constituie deci, obtinerea unui camp magnetic invartitor la pornirea motorului si aceasta se realizeaza in mai multe moduri.

Prin atasarea pe statorul masinii la un unghi de 90 a unei faze auxiliare inseriata cu un condensator se poate obtine un sistem bifazat de curenti ce produce un camp magnetic invartitor. Dupa pornirea motorului se deconecteaza faza auxiliara printr-un intrerupator centrifugal. Sensul de rotatie al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliara in faza principala.

In locul fazei auxiliare se poate folosi o spira in scurtcircuit plasata pe o parte din polul statoric pentru obtinerea campului invartitor. Curentul electric indus in spira se va opune schimbarii fluxului magnetic din infasurare, astfel incat amplitudinea campului magnetic se deplaseaza pe suprafata polului creand campul magnetic invartitor.

Servomotorul asincron monofazat

Servomotorul asincron monofazat este o masina de inductie cu doua infasurari: o infasurare de comanda si o infasurare de excitatie. Cele doua infasurari sunt asezate la un unghi de 90 una fata de cealalta pentru a crea un camp magnetic invartitor. Rezistenta rotorului este foarte mare pentru a realiza autofranarea motorului la anularea tensiunii de pe infasurarea de comanda. Datorita rezistentei rotorice mari, randamentul motorului este scazut si motorul se foloseste in actionari electrice de puteri mici si foarte mici.

Motorul sincron trifazat

Motorul sincron trifazat este o masina electrica la care turatia rotorului este egala cu turatia campului magnetic invartitor indiferent de incarcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la actionari electrice de puteri mari si foarte mari de pana la zeci de MW.

Statorul motorului sincron este asemanator cu statorul motorului de inductie (este format dintr-o armatura feromagnetica statorica si o infasurare trifazata statorica). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armatura feromagnetica rotorica si o infasurare rotorica de curent continuu. Pot exista doua tipuri constructive de rotoare: cu poli inecati si cu poli aparenti. Rotorul cu poli inecati are armatura feromagnetica crestata spre exterior si in crestatura este plasata infasurarea rotorica. Acest tip de motor are uzual o pereche de poli si functioneaza la turatii mari (3000 rpm la 50 Hz). Rotorul cu poli aparenti are armatura feromagentica sub forma unui butuc poligonal pe care sunt plasate miezurile polilor rotorici si bobine polare concentrate. In unele situatii in locul bobinelor polare concentrate se pot folosi magneti permanenti. Motorul sincron cu poli aparenti are un numar mare de poli si functioneaza la turatii mai reduse. Accesul la infasurarea rotorica se face printr-un sistem inel-perie asemanator motorului de inductie. Motoarele sincrone cu poli aparenti pot avea cuplu chiar si in lipsa curentului de excitatie, motorul reactiv fiind cel ce functioneaza pe baza acestui cuplu, fara infasurare de excitatie si fara magneti permanenti.

Infasurarea rotorica (de excitatie) a motorului parcursa de curent continuu creeaza un camp magnetic fix fata de rotor. Acest camp "se lipeste" de campul magnetic invartitor statoric si rotorul se roteste sincron cu acesta. Datorita inertiei, campul magnetic rotoric nu are timp sa se lipeasca de campul magnetic invartitor si motorul sincron nu poate porni prin conectare directa la retea. Exista trei metode principale de pornire a motoarelor sincrone:

• pornirea in asincron - pe talpile polare rotorice este prevazuta o colivie asemanatoare coliviei motorului de inductie si motorul porneste pe acelasi principiu ca al motorului de inductie.
• pornirea la frecventa variabila - este posibila doar atunci cand este disponibila o sursa de tensiune cu frecventa variabila sau un convertor cu frecventa variabila. Cresterea frecventei se face lent, astfel incat campul invartitor sa aiba viteze suficient de mici la inceput pentru a putea permite rotorului sa se "lipeasca" de campul magnetic invartitor.
• pornirea cu motor auxiliar - necesita un motor auxiliar ce antreneaza motorul sincron conectat la retea. Cand motorul ajunge la o turatie apropiata de turatia de sincronism motorul auxiliar este decuplat, motorul sincron se mai accelereaza putin pana ajunge la turatia de sincronism si continua sa se roteasca sincron cu campul magnetic invartitor.

Motorul sincron monofazat

Este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fara magneti permanenti pe rotor. Asemanator motoarelor de inductie monofazate, motoarele sincrone monofazate necesita un camp magnetic invartitor ce poate fi obtinut fie folosind o faza auxiliara si condensator fie folosind spira in scurtcircuit pe polii statorici. Se folosesc in general in actionari electrice de puteri mici precum sistemele de inregistrare si redare a sunetului si imaginii.

Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenti pe ambele armaturi. La aparitia unui semnal de comanda pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa pana cand polii sai se vor alinia in dreptul polilor opusi statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol in pol, de unde si denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic si se pot obtine deplasari ale motorului bine cunoscute in functie de programul de comanda. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesara precizie ridicata (hard disc,

Bibliografie

• Constantin Ghita - Masini electrice, Ed Matrix Rom, Bucuresti, 2005, ISBN 973-685-919-3
• Ion Mihai - inginer, Dorin Merisca - inginer, Eugen Manzarescu - inginer -Manual pentru autorizarea electricienilor instalatori Centrul de Informare si Documentare pentru Energetica, Bucuresti 1998