Motoare asincrone

Motoare asincrone

Cap. 1.1 Definitie si elemente constructive de baza

Motorul asincron este orice motor cu curent alternativ, care la frecventa data a retelei, functioneaza cu turatie variabila cu sarcina. În continuare, vor fi prezentate numai motoarele asincron fara colector, numite obisnuit motoare asincrone sau de inductie, care sunt cele mai robuste si sigure în exploatare, motiv pentru care sunt cele mai utilizate.

Motorul asincron este compus din armatura statornica (stator) si armatura rotorica (rotor).

Statorul format din unul sau mai multe pachete de tole are în crestaturi o înfasurare monofazata sau trifazata care se conecteaza la retea si formeaza inductorul motorului.

Rotorul este format tot din pachete de tole, dar în crestaturi poate avea o înfasurare trifazata concetata în forma de stea cu capetele scoase la trei inch sau o înfasurare în scurt circuit de tipul unei colivii.

De aceea, dupa forma înfasurarii rotorului, masinile asincrone se mai numesc "motoare asincrone cu inel" sau "motoare aisncrone cu rotorul în scurt circuit" sau "rotorul în colivii".

În afara de aceste parti, motorul mai are, în functie de destinatie, de tipul de protectie la patrunderea apei si a corpurilor straine în motor, de forma constructiva, de sistemul de racire, de putere si tensiune o serie de elemente constructive:

portperii;

carcasa;

scut;

rulmenti;

cutia cu placa de borne stator;

borna de putere la pamânt.

Terminologia generala pentru masinile electrice, data de S 16516b12q TAS 4861-73 cuprinde si terminologia subansamblelor si pieselor componente.

Simbolizarea formelor constructive este data în STAS 3998-74.

1.2. Semne conventionale

Notarea înfasurarilor statorice si rotorice se face conform STAS 3530-71. La înfasurarea statorica trifazata cu cele sapte capete scoase, bornele sunt notate astfel:

"a" pentru conexiunea în stea;

"b" pentru conexiunea în triunghi;

"U", "V", "W", pentru cordoanele de alimentare ce se leaga la borne.

1.3. Domenii de utilizare

Se utilizeaza aproape în exclusivitate ca motor în actionarile cu turatie practic constanta si mai rar la turatii variabile, din cauza instalatiilor de alimentare costisitoare. Motoarele asincrone trifazate formeaza cea mai mare categorie de consumatori de energie electrica din sistemul energetic fiind utilizate în toate domeniile de activitate. Motoarele monofazate sunt utilizate în special în instalatii de uz gospodaresc.

Cap. 2. Principiul si ecuatiile de functionare a motoarelor asincrone

2.1. Principiul de functionare

Se considera un motor asincron cu câte o înfasurare trifazata pe fiecare din cele doua armaturi. Daca înfasurarea statorica se conecteaza la o retea trifazata de tensiune si frecventa corespunzatoare ea va fi parcursa de un sistem trifazat de curenti care vor produce în intrefier un câmp magnetic învârtitor, cu viteza unghiulara W . Daca armatura rotorica cere în acel moment viteza unghiulara W, într-o înfasurare de faza a ei, denumita secundara, se induce t.e.m.

(A)   e₂=(W₁-W)W₂KW₂fcos(W₁-W)t=W₂W_aK_W2fcosW₂t

unde: W₂ este pulsatia t.e.m. induse

W este viteza relativa dintre câmpul inductor si rotor

Daca înfasurarea rotorului se închide, ea va fi parcursa de curenti, care, la rândul lor, produc un câmp învârtitor de reactie cu o sinteza unghiulara fata de înfasurarea care l-a produs:

(B)   W =W₂/p=W₁-W/p=W W

Fata de stator, câmpul de reactie are viteza unghiulara:

W W W W W W

Adica, indiferent de turatia rotorului, câmpul inductor si cel de reactie au aceeasi viteza relativa fata de stator. Deci, cele doua câmpuri sunt fixe între ele si se pot însuma, dând un câmp rezultant în întrejur. Prin interactiunea dintre acest câmp si curentii din înfasurari, se exercita între cele doua armaturi un cuplu electromagnetic.

Relatia: e₂=(W₁-W)W₂K_W2fcos(W₁-W)t=W₂W₂K_W2fcosW₂t arata ca în înfasurarea rotorica sunt curenti, deci se poate exercita un cuplu numai daca e₂ 0, adica W W . În acest caz se spune ca se poate exercita un cuplu numai daca rotorul aluneca fata de câmpul învârtitor inductor.

Aceasta alunecare, valori relative, este definita din relatia:

(C) D=(W W W =(n₁-n)n₁=(W₁-W)/W₁=W₂/W₁=

unde în general, W pn si W=2p

2.2. Regimurile de functionare a motoarelor asincrone

Analiza regimurilor de functionare ale motoarelor asincrone se face în functie de turatia relativa n₂ a rotorului fata de câmpul învârtitor inductor produs de stator, adica de turatia n₂=n₁-n.

D E(0;1) t.e.m. indusa în conductoarele înfasurarii scurtcircuitate a rotorului, e=(vxB)Dl, produce curentul I₂, iar forta DF=I₂DlxB, care actioneaza asupra conductoarelor, are tendinta sa accelereze rotorul catre turatia n₁ a câmpului învârtitor. În acest caz, masina primeste energie electrica si dezvolta la arbore un cuplu magnetic, functionând în regim de motor.

>n₁, deci n₂<0 si D<0, t.e.m. indusa îsi schimba polaritatea, deci si I₂ iar forta DF se opune ccresterii turatiei "n" a rotorului. Deci, pentru mentinerea acestei turatii, trebuie ca masina sa primeasca energie mecanica si da energie electrica, functionând în regim de generator.

D>1 t.e.m. indusa produce pe I₂, iar DF are sens opus fata de n. În acest caz, motorul primeste energie mecanica pe la arbore sa mentina turatia n în sens opus lui DF si energie electrica de la retea, sa aduca rotorul catre turatia de sincronism. Motorul functioneaza în regim de frâna,.

2.3. Ecuatiile de functionare

Ecuatiile se stabilesc pentru marimile de faza din stator (primar) si din rotor (secundar). Ca si la transformator, în afara fluxului util care este comun celor doua înfasurari exista si fluxuri de dispersie sau de scapare.

primar - I₁

secundar - I₂

ca si la transformator, ecuatiile tensiunilor pentru doua faze omologate se deduc ca si ecuatiile transformatorului, având aceeasi forma, cu deosebirea ca U₂=0, înfasurarea secundara (rotorica) fiind în scurtcircuit (R_p=0) :

U₁=R₁I₁+jx₀₁I₁-E₁=Z₁I₁-E₁

0=R₂I₂+jx₀₂I₂+E₂=Z₂I₂+E₂

Daca ecuatiile:

D) U₁=R₁I₁+jx₀₁I₁-E₁=Z₁I₁-E₁

(E) 0=R₂I₂+jx₀₂I₂+E₂=Z₂I₂+E₂ si

(F) -U₂=R₂I₂+jx₀₂I₂+E₂=Z₂I₂+E₂

sunt formal asemenea, ca fond difera mult. Astfel, câmpul învârtitor de la motorul asincron are fata de înfasurarea rotorica pulsatia W₂=pW

2^.w₁kw₁f=-jp w₁kw₁f

(H) E_2D=-jw₂/ 2^.w₂kw₂f=-jp w₂kw₂f DE₂ unde,

kw₁ si kw₂ sunt factorii de înfasurare care tin seama de modul de repartitie a înfasurarilor în crestaturi, w₂=sw₁, în baza relatiei (C) iar E₂ este t.e.m. când n=0, D=1 si (rotor calat)

D DE₂ din (F) si x_02D=w₂L₀₂=Dw₁L₀₂=Dx₀₂, apoi se împarte cu D 0, se obtine:

(I)       0=(R₂/D)I₂+jx₀₂I₂+E₂=Z₂I₂+E₂

2/2^.I₂+jx I +E₁=Z I +E₁

în care marimile raportate au, ca si la transformator, valorile:

R =K²_iR₂

X =K²_iX₀₂

I =I₂/K₁

E₁=K₁E₂

Z =K²_iZ₂

Cap.3. Bilantul de putere, randamentul si factorul de putere

Puterea activa absorbita de motorul asincron trifazat de la retea este:

P₁=3U I cosj 3U₁cosj

/s)^.I +R_1mI²_10a)=

=3(R₁I²₁+R I +(1-s)/sR I +R_1mI²_10a=

=P_w1+P_w2+P_Fe+(1-s)/s^.P_w2

I )/s

Iar puterea mecanica transmisa rotorului:

P_mec=P_e-P_w2=P_w2/s-P_w2=(1/s-1)P_w2

v a elementelor în miscare se obtine, puterea utila la arbore:

P_u=P_mec-P _v=P₂

Daca se iau în vedere relatiile:

P₁=3U I cosj 3UIcosj si PU=P_mec-P _v=P₂

Se reprezinta schema bilantului de puteri si se deduce expresia randamentului motorului asincron trifazat:

h=P₂/P₁=( 3UIcosj-(P_W1+P_W2+P_Fe+P _V 3UIcosj

I sinj=3(x₀₁I²₁+x₀₂I +x_1mI²_1n)=Q₀₁+Q₀₂+Q_n1

Unde puterile reactive necesare crearii câmpurilor de dispersie Q₀₁ si Q₀₂ sunt neglijabile fata de puterea Q_n-3x_1mI²_1n necesara mentinerii câmpului magnetic principal care este practic constant de la functionarea în gol la sarcina.

Cap.4. Caracteristicile de functionare ale masinii asincrone

4.1. Cuplul electromagnetic

Luând C 1, modulul lui I , considerând pe U₁ ca origine de faza se obtine:

I =U₁/( (R₁+R D)²+(x₀₁+x

Expresia cuplului electromagnetic se poate scrie:

M_e=P_e/W =(3R R )/sW =(3U R )/sW (R₁+R /s)'2⁺(x₀₁+x

=(3U²₁R W s R²₁+(x₀₁+x +(R /s)+2R₁R

având ca parametru de alunecare "s". Aplicând la numitorii acestei relatii teorema ca la produsul constant a doi factori, suma lor este minima daca acestia sunt egali, adica s R₂1(x₀₁+x =R /s, rezulta valoarea alunecarii critice s_k pentru care M_e are extreme:

s=s_k= R R²₁+(x₀₁+x

>0, pentru regimul de motor si de frâna si M_kG la s_k<0, pentru regimul de generator se numesc "valori critice ale cuplului" si au expresiile:

M_e(s_K)=M_KM=3U²₁/ p R²₁+(x₀₁+x )²+R

M_e(-s_K)=M_KG=3U²₁/ p R²₁+(x₀₁+x )²-R₁

4.2. Caracteristici de functionare

(s) si n= (M), scotând din relatia s=s_k= R R²₁+(x₀₁+x )², (x₀₁+x₀₂)²=(R /sk)²-R₁ si înlocuind în relatiile cuplului electromagnetic se obtine relatia lui Klass:

M_e/M_kM=(2+(2R₁/R Dk)/(Dk/D D Dk+(2R₁/R Dk

D Dk)+Dk/D

unde s-a avut în vedere ca 2R₁Dk/R 1. Relatia anterioara care nu mai depinde de U₁ este utilizata curent în locul relatiei cuplului electromagnetic fiind mai simpla. Valoarea M_kM rezulta din capacitatea de supraîncalzire a motorului si din cuplul nominal (M_kM=RM_n). În general R=1,8.3 si este data pentru fiecare motor, ca si alunecarea nominala (s=0,01.0,1)(1-10 ) care rezulta din turatia nominala; alunecarea critica s_k=0,15-0,30(15-30

4.3. Caracteristicile motoarelor cu rotoare de constructe speciala

Motoarele cu rotorul bobinat si inele sunt costisitoare, greu de întretinut, iar cele cu colivie normala (cu bare rotunde) au la pornire cuplul mic si curentul mare. De aceea, fara a modifica statorul, se folosesc forme constructive de rotoare cu bare înalte sau colivii duble care, la aceeasi putere, au la pornire cuplu mare si curent mic.

Cap.5. Pornirea si schimbarea sesnului de rotatie a motoarelor asincrone

Alegerea motorului si a modului de pornire depinde de cuplul static rezistent M_r al mecanismului de antrenat si de curentul de pornire admis pentru motor. Totodata, pornirea trebuie sa se faca fara socuri periculoase pentru elementele transmisiei.

5.1. Pornirea motoarelor cu rotorul bobinat

Motorul se poate porni la cuplul dorit prin introducerea de rezistente în circuitul rotorului. În general M_pM=(1,5.1,8)M_n pentru reducerea timpului de pornire. Având rezistenta R_p în circuitul rotoric si cuplând motorul la retea, apare la s=1 (n=0) cuplul M_pM care pune în miscare rotorul, punctul de functionare deplasându-se din A catre B. Când ajunge în B, trece pe caracteristica care are R _p<R _p în punctul C si procesul pornirii continua pâna când punctul de functionare ajunge în punctul H corespunzator cuplului rezistent M_n al mecanismului.

+x _p, si nu prezinta avantaje.

5.2. Pornirea motoarelor cu rotorul în scurtcircuit (colivie)

5.2.1Conectarea direct la retea este utilizata curent unde retelele de alimentare si mecanismele antrenante permit acest lucru. STAS 17640-70 stabileste pentru motoarele cu puteri pâna la 132KW valorile I_p=(4.7,5)I_n, M_p=(1,2.2,2)M_n si l=1,9.2,4. Aceste date depind de fiecare motor în parte, de putere si turatie.

se poate aplica la motoarele care au scoase cele sapte capete ale înfasurarii statorice si în care pot functiona în triunghi la tensiunea retelei trifazate la care se va cupla. Deci, un motor cu tensiunile de lucru 220-380V se poate porni stea-triunghi numai la reteaua de 220V. În momentul pornirii, se conecteaza K₁ si curentul de linie este: I_yp=U_I1r/Z_k=U₁/ 3Z_k. Daca pornirea se face diret în triunghi, curentul de linie ar fi: I_dp= 3I_p 3(U₁/Z_k)=3I_yp, adica de trei ori mai mare decât la pornirea în stea. Dar la pornirea în stea, având o reducere de tensiune U₁ =U₁ 3, cuplul de pornire scade tot de trei ori si motorul nu poate porni în plina sarcina.

5.2.3 Reducerea tensiunii de alimenatre pentru reducerea curentului de pornire se mai face la motoarele mari prin folosirea autotransformatoarelor coborâtoare cu una doua trepte de tensiune.

Curentul este reglat la o valoare prestabilita, care controleaza cuplul si asigura o accelerare lina pana la turatia de regim. In momentul pornirii- t tensiunea este fixata la o valoare prestabilita si curentul incepe sa creasca (cresterea este reglata). Cand motorul incepe sa se roteasca - t , curentul continua sa creasca cu aceeasi panta pana la momentul t . Curentul este limitat si ramane constant pana la momentul t , accelerand motorul constant, cu o rata dictata de caracteristica mecanica a sistemului de actionare. La scaderea     curentului in intervalul t -t , viteza motorului continua sa creasca pana la atingerea turatiei de regim. In acest moment poate fi aplicata o descrestere a pantei de accelerare, pentru a trece cat mai lina la turatia de regim. La intrarea in regimul de functionare, dispozitivul electronic este scos din circuit. Metoda este recomandata pentru sarcini cu inertie redusa, la care consideratia primara este de a reduce curentul de pornire la valori impuse de sistemul de putere.

5.2.4 Accelerare liniara in timp. Este necesar un feedback realizat cu un tahomertu. La initierea pornirii, curentul motorului creste de la t la t , depasind valoarea necesara pentru a demara sarcina.Tahometrul preia semnalul de rotire(actionare) a sarcinii si curentul absolvit de motor este redus imediat.Bucla include tahometrulregleaza curentul pentru a mentine constanta acceleratia, pana la momentul t , valoarea reglata este timpul de accelerare.

Cuplul si curentul sunt ajustate automat de conditiile sarcinii. Metoda este recomandata pentru sarcini variate, ca echipamente portabile, la care este importanta cerinta de a avea o accelerare lina, fara socuri.

5.2.6 Accelerare cu rampa de tensiunde ajustabila. Tensiunea de alimentare se regleaza in doi pasi in functie de caracterul sarcinii (sarcina grea sau sarcina usoara). Acceleratia este liniara, cu rampa in functie de caracterul sarcinii.Primul pas de ajustare a tensiunii(numita si "valoare de piedestal")permite reglarea tensiunii intre 30%....95% din tensiunea nominala. In acest moment se poate da si un impuls de tensiune ("quick start") pentru motoarele ce antreneaza sarcini cu inertie mare , ce necesita un impuls de cuplu ridicat pentru pornire. Starterul asigura si o oprire lina, cu o panta de decelerare de 1,4 s.metoda este utilizata acolo unde cerinta primara este de a preveni socurile de cuplu in sistemul de actionare si sarcina.

5.2.7 Acclelerare cu rampa de curent. Starterul limiteaza curentul de pornire la o valoare prestabilita, uzal de (1,5 ... 4,25) ln.Acest curent permite obtinerea unui cuplu de 6%...50% din cuplul corespunzator tensiunii nominale. Metoda se aplica la actionarea pompelor centrifugale, compresoarelor, ventilatoarelor,benzilor transportatoare.   

5.3. Schimbarea sensului de rotatie

Cap. 6. Reglarea turatiei motoarelor asincrone trifazate

6.1. Reglarea turatiei prin schimbarea numarului de poli

La motoarele cu rotorul în colivie, se face în trepte (p=numarul întreg). Schimbând conexiunile unei înfasurari, se pot obtine doua turatii în raportul ½. Când se cer trepte diferite de acest raport, cum este cazul la motoarele pentru ascensoare, se dispune pe stator doua înfasurari distincte pentru turatiile respective. Recent a început sa se modifice numarul de poli prin modularea câmpului magnetic din întrefier când se pot obtine cu aceeasi înfasurare, dar schimbând conexiunile, doua turatii la care raportul difera de ½ .

6.2. Reglarea turatiei prin modificarea frecventei a tensiunii de alimentare

Modificarile frecventei unei surse de curent alternativ se face cu generatoare de c.a. sau convertizoare statice de frecventa. Prin modificarea lui se modifica turatia de sincronism n₁ si reactantele.

6.3. Reglarea turatiei prin modificarea alunecarii

Reglând tensiunea de alimentare U₁, la acelasi cuplu rezistent M_n se obtin diverse alunecari s<s_k. În schimb, la motoarele cu rotorul bobinat, prin introducerea în circuitul rotoric, la un cuplu M_r, se pot obtine teoretic turatii de la 0 la n_n.

Cap. 7. Norme de protectie a muncii

Cum ne putem proteja de actiunea curentului electric ?

Curentul electric are o actiune complexa asupra tuturor componentelor organismului omenesc producând tulburari interne grave (asa-numitele socuri electrice) sau leziuni externe (arsuri electrice, electrometalizari si semne electrice).

Accidentele electrice se produc din urmatoarele cauze:

- folosirea curentului electric la amperaje si tensiuni care depasesc pe cele prevazute în normele de tehnica securitatii;

- atingerea conductorilor neizolati sau cu izolatia deteriorata aflati sub tensiune;

- utilizare unor echipamente tehnice neconforme cu standardele sau normele de securitate si sanatate în munca.

În vederea evitarii unor asemenea accidente se impune ca izolarea conductorilor sa fie perfecta si prin pozitia acestora sa fie exclusa posibilitatea unei atingeri. Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare prin contact cu uneltele cu care se lucreaza, acestea vor avea mânerele din materiale electroizolante. Elementele sub tensiune din compunerea echipamentelor tehnice vor fi protejate de carcase, împiedicându-se astfel atingerea acestora. Carcasarea sau îngradirea se va executa cu plase metalice sau table perforate cu rezistenta metalica suficienta si bine fixata.

- contactul direct cu anumite parti metalice ale instalatiilor care au intrat sub tensiune în mod întâmplator;

Pentru a se evita o astfel de accidentare, se va asigura legarea la pamânt sau legarea la nul a aparatelor (de exemplu, masini-unelte), conform normelor de electrosecuritate. Periodic (STAS 12604/5-90) se va verifica instalatia de legare la pamânt, lucrarile efectuându-se de catre persoane sau firme de specialitate, autorizate în acest scop;

- patrunderea curentului de înalta tensiune în instalatiile de joasa tensiune. Ca masuri de protectie în acest caz, este necesar sa se foloseasca sigurante fuzibile calibrate sau întrerupatoare de protectie automate si sa se interzica folosirea sârmelor groase, a cuielor etc., în locul sigurantelor calibrate;

- apropierea de instalatiile sub tensiune înalta se impune afisarea placilor avertizoare si îngradirea locurilor respective;

In caz de electrocutare, masurile de prim ajutor trebuie luate în functie de starea în care se gaseste accidentatul, astfel:

- scoaterea rapida a accidentatului de sub tensiune prin întreruperea circuitului respectiv, cu respectarea tuturor prevederilor din normele în vigoare, deoarece, daca accidentatul este atins de o persoana înainte de scoaterea lui de sub tensiune, aceasta poate fi electrocutata;

- cel care ofera ajutorul va folosi obiecte din materiale uscate, rau conducatoare de electricitate (tesaturi, funii, prajini, manusi, covoare si galosi de cauciuc etc.), iar la instalatiile de înalta tensiune este obligatorie folosirea manusilor si a cizmelor din cauciuc electroizolant; îndepartarea conductoarelor cazute la pamânt se va face cu o prajina uscata din lemn, iar ruperea lor se face prin lovirea, de la distanta, cu corpuri rau conducatoare de electricitate;

- în cazul când accidentatul este în stare de lesin, trebuie chemat neîntârziat un medic sau ,"Salvarea"; pâna la sosirea acestora, persoana accidentata se va aseza într-o pozitie comoda, linistita, îmbracamintea îi va fi desfacuta pentru facilitarea respiratiei, accidentatului dându-i-se în acelasi timp sa miroasa o solutie de amoniac sau otet; daca accidentatul a încetat sa mai respire sau respira anormal, rar, convulsiv, i se va face imediat respiratie artificiala.

Pentru reanimarea accidentatului, fiecare secunda este pretioasa. Daca scoaterea de sub tensiune si începerea respiratiei artificiale se fac imediat dupa electrocutare, readucerea la viata reuseste de cele mai multe ori. De aceea, primul ajutor trebuie acordat fara întârziere, chiar la locul accidentului.