Motorul asincron

Motorul asincron

Este masina electrica de actionare cea mai utilizata in actionarile electrice industriale datorita simplitatii constructive, usurintei exploatarii, sigurantei in functionare si pretului de cost relativ scazut.

Motorul asincron (numit si motor de inductie) are dezavantajul ca reglajul de viteza se face cu dificultate si in limite restranse.

Principiul de functionare al motorului asincron consta in interactiunea campului magnetic invartitor statoric cu curentii indusi de acesta in rotor.

Principale tipuri constructive de motoare asincrone sunt:

- cu rotor in scurtcircuit (colivie rotorica turnata)

- cu rotor bobinat si inele colectoare pe rotor.

Schema electrica echivalenta a motorului asincron este prezentata in fig.4.3., in doua variante: schema completa si schema simplificata.

Fig.4.3. Schemele electrice echivalente ale motorului asincron:

a)     Schema completa; b) Schema simplificata

- rezistenta, reactanta si curentul statorice;

- rezistenta, reactanta si curent rotorice reduse la stator;

- rezistenta si reactanta de magnetizare si curentul de mers in gol;

- alunecarea.

1. Cuplul si caracteristicile mecanice ale motorului asincron

Cuplul electromagnetic (momentul activ), exprimat in functie de parametrii electromecanici ai motorului asincron, este:

(4.12)

unde: - viteza unghiulara de sincronism a campului magnetic statoric:

(4.13)

Caracteristica mecanica naturala exprimata prin variatia momentului activ (cuplului motor) in functie de alunecare, adica este reprezentata in figura 4.4.

Viteza unghiulara exprimata cu ajutorul turatiei sincrone este:

, iar (4.14)

• Alunecarea se determina in functie de turatia sincrona si de turatia momentana, cu relatia:

(4.15)

Fig.4.4. Caracteristica mecanica naturala a masinii sincrone in functie de alunecare.

Caracteristica mecanica naturala exprimata prin variatia turatiei in functie de cuplu (momentul activ), adica este data in figura 4.5.

Fig.4.5. Caracteristica mecanica naturala a masinii asincrone.

Alunecarea la care cuplul atinge valoarea maxima se numeste alunecare critica, , si se determina cu ajutorul parametrilor electrici ai motorului asincron, astfel:

(4.16)

Cuplul electromagnetic maxim, numit si cuplu critic sau cuplu de rasturnare se obtine din expresia generala a cuplului electromagnetic inlocuind alunecarea, , cu expresia alunecarii critice, , adica:

(4.17)

În practica, pentru a exprima cuplul in functie de cuplul de rasturnare si de alunecare se folosesc relatiile lui Kloos si anume:

Relatia exacta a lui Kloos:

(4.18)

Relatia simplificata a lui Kloos, care ia in considerare faptul ca: , rezultand:

M= (4.19)

Cuplul nominal al motorului asincron se poate determina si cu ajutorul datelor de pe tablita indicatoare: puterea nominala si turatia nominala, astfel:

(2.20)

Capacitatea de suprasarcina a motorului asincron se obtine fie de pe tablita indicatoare, ca raport intre cuplul de rasturnare si cuplul nominal:

, (4.21)

fie cu ajutorul relatiei simplificate a lui Kloos, adica:

(4.22)

Alunecarea critica se poate calcula cunoscand alunecarea nominala si capacitatea de suprasarcina, cu relatia:

(4.23)

Cuplul de pornire al motorului asincron se da, in general, in mod indirect, pe tablita indicatoare, ca multiplu al cuplului de pornire, adica:

(4.24)

Cuplul de pornire poate fi calculat din relatia simplificata a lui Kloos, daca se cunoaste cuplul de rasturnare si alunecarea critica; punand conditia ca la pornire, ,si deci:

(4.25)

Numarul familiilor de caracteristici mecanice artificiale difera in functie de tipul constructiv al motorului asincron. Astfel, in cazul motorului asincron cu rotorul in scurtcircuit lipseste familia de caracteristici mecanice rezistive din cauza imposibilitatii accesului la circuitul rotoric al masinii. 

Pentru motorul asincron cu rotor bobinat si inele colectoare, accesul la circuitul rotoric fiind permis, prin conectarea in serie de rezistente exterioare, se obtine o familie de caracteristici mecanice artificiale reostatice, ca in figura 4.6.

Fig.4.6. Caracteristici mecanice artificiale reostatice in functie de alunecare la motorul

asincron cu rotor bobinat si inele colectoare.

Caracteristicile mecanice artificiale de tensiune se ridica pentru ambele tipuri constructive de motoare asincrone stiind ca valorile cuplurilor sunt proportionale cu patratul tensiunii de alimentare. Cunoscand caracteristica naturala se poate ridica orice caracteristica artificiala, avand in vedere ca pentru un cuplu oarecare, , avem:

, de unde : (4.26)

Caracteristicile mecanice artificiale de frecventa se ridica mentinand valoarea tensiunii constanta si modificand frecventa acesteia. Rezultatul este modificarea turatiei de sincronism si a fluxului campului magnetic invartitor al masinii. Se obtine, astfel, o metoda de reglare a vitezei motorului asincron. Cum cuplul de rasturnare este invers proportional cu patratul frecventei rezulta ca alunecarea critica este invers proportionala cu frecventa, adica:

si (4.27)

În figura 4.7 sunt prezentate familiile de caracteristici mecanice artificiale de tensiune si de frecventa.

Fig.4.7. Caracteristici mecanice artificiale ale motorului asincron:

a.) de tensiune; b.) de frecventa.

2. Functionarea motorului asincron alimentat cu tensiune de frecventa redusa

Scaderea frecventei tensiunii de alimentare a motorului asincron determina accentuarea fenomenului de saturatie a circuitului feromagnetic al acestuia, cu urmatoarele consecinte:

cresterea curentului de mers in gol;

cresterea puterii reactive absorbite;

inrautatirea factorului de putere;

scaderea randamentului motorului.

Daca scaderea frecventei este mare si este insotita si de cresterea valorii tensiunii de alimentare, curentul absorbit de motorul asincron depaseste curentul nominal si chiar curentul care declanseaza protectia la suprasarcina. Aceasta actioneaza si deconecteaza motorul. Daca protectia la suprasarcina este prost reglata sau lipseste, motorul asincron se poate distruge.

Experienta demonstreaza ca, pentru a evita astfel de situatii trebuie urmarit in permanenta ca raportul dintre valoarea tensiunii de alimentare si frecventa acesteia trebuie sa se mentina constant si egal cu raportul dintre valoarea tensiunii nominale si frecventei nominale, adica:

(4.28)

Mentinerea constanta a raportului este o problema tehnica dificila, care se poate realiza, practic, fie prin reglarea pozitiei prizelor transformatorului din postul de transformare la care se racordeaza feeder-ul de alimentare a motorului asincron, fie printr-o compensare locala, ingrijita a circulatiei de putere reactiva, evitandu-se regimurile de supracompensare. Pentru reglarea prizelor la transformator se utilizeaza relatia cunoscuta:

  (4.29)

unde : - numarul normat de prize ale transformatorului

tensiunea procentuala pe priza, care este de: la transformatoare din posturile de transformare, iar pentru transformatoarele din statii, avem: .

3. Pornirea, inversarea sensului si franarea motorului asincron

a)     Pornirea motorului asincron se realizeaza prin mai multe procedee impuse de tipul constructiv al motorului, starea retelei electrice la care se conecteaza si de cerintele impuse de sistemul de actionare din care face parte.

Toate procedeele urmaresc micsorarea curentului de pornire si realizarea unui cuplu de pornire care sa puna in functiune motorul cat mai lin, fara socuri.

a.1) Pornirea prin conectare directa la retea se aplica motoarelor asincrone cu rotor in scurtcircuit de putere mica.. În momentul conectarii, raportul , iar raportul . Pornirea directa produce caderi mari de tensiune in retea si de accea se aplica numai la motoare cu puteri de pana la 5,5 kW, la .

a.2) Pornirea prin comutator stea-triunghi se utilizeaza pentru motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit de puteri cuprinse intre kW la 230 V sau de , la 400 V. La pornire, comutatorul se afla pe pozitia "stea", adica infasurarea statorica este legata in stea. Tensiunea aplicata unei faze va fi , adica o tensiune mai mica, fapt ce reduce curentul de pornire de ori. Cand turatia motorului atinge (90-95)% din turatia de sincronism, se schimba pozitia comutatorului pe "triunghi", adica se realizeaza o conexiune in triunghi a infasurarii statorului. Tensiunea unei faze va creste la valoarea tensiunii de linie, iar curentul prin infasurarea statorica va creste de ori. Cum cuplul de pornire, redus initial de 3 ori, creste brusc de 3 ori, apar la comutare atat un salt de curent, cat si un salt de cuplu.

a.3) Pornirea cu tensiune redusa se face pentru motoarele asincrone cu rotor in scurtcircuit de puteri mari. Procedeul consta in alimentarea directa a infasurarilor statorului cu tensiune redusa obtinuta fie de la un autotransformator de pornire, fie prin inscrierea unei bobine de reactanta sau a unui rezistor de pornire intre barele de alimentare si bornele motorului.

Prin inserierea unei bobine de reactanta sau a unui rezistor se produc caderi mari de tensiune care reduc drastic valoarea tensiunii de alimentare a statorului motorului asincron.

Fig.4.8. Pornirea cu tensiune redusa a motorului asincron cu rotorul in scurtcircuit. a) pornirea cu autotransformator de pornire; b) pornirea prin inserierea unei bobine de reactanta.

b)    Inversarea sensului de rotatie al motorului asincron se poate face in doua moduri:

prin schimbarea sensului de succesiune a fazelor statorului, la toate tipurile de motoare;

prin modificarea valorii unor rezistente inseriate in circuitul rotoric, numai la motorul asincron cu rotor bobinat si inele colectoare.

Schimbarea sensului de succesiune a fazelor se obtine schimband intre ele doua faze de alimentare la bornele motorului. Se schimba, astfel, sensul de rotatie al campului magnetic invartitor statoric. Alunecarea atinge valoarea s = 2.

c)     Franarea motorului asincron se realizeaza, clasic, prin urmatoarele trei metode:

c.1) Franarea prin recuperare - se produce cand motorul este antrenat de masina de lucru la o turatie suprasincrona (Exemplu: cazul coborarii unei sarcini in camp gravitational). Masina asincrona functioneaza, in acest caz, in regim de generator, absorbind energie mecanica pe la arborele rotorului si debitand in reteaua electrica, energie electrica activa si primind din retea energie reactiva pentru magnetizare. Franarea de acest tip nu poate fi utilizata pentru oprirea motorului, ci numai pentru limitarea vitezei miscarii.

c.2)Franarea prin contracurent se realizeaza prin inversarea sensului de rotatie a rotorului motorului asincron. Inversand doua faze ale statorului se schimba sensul campului magnetic invartitor statoric in timp ce rotorul continua, din inertie, miscarea initiala. Apare o alunecare s < 1 si motorul asincron functioneaza in regim de frana electromagnetica. Cand turatia rotorului devine nula, motorul se deconecteaza de la retea, prin aceasta metoda realizandu-se si oprirea motorului asincron.

c.3)Franarea dinamica - se face prin deconectarea statorului de la reteaua de curent alternativ si conectarea sa la o retea de curent continuu sau la o sursa de curent continuu. Curentul continuu din stator produce un camp magnetic constant si fix in spatiu care induce in infasurarea rotorica, aflata in miscare inertiala, tensiuni electromotoare care genereaza curenti rotorici, care in interactiune cu campul magnetic statoric fix, produc un cuplu de franare care se calculeaza cu relatia:

(4.30)

4. Functionarea motorului asincron trifazat in montaj monofazat

Orice motor asincron trifazat, care are accesibile toate capetele de infasurare, poate fi utilizat si ca motor alimentat monofazat, daca se inseriaza doua faze, iar la a treia faza, considerata ca faza auxiliara, se conecteaza in serie un condensator, care sa asigure defazajul curentilor, ca in figura 4.9.

Fig.4.9. Scheme de conectare a motorului asincron

trifazat in montaj monofazat.

Capacitatea condensatorului, C, care se conecteaza in faza auxiliara se determina, cu o buna aproximatie, din datele de catalog (tablita indicatoare) ale motorului asincron trifazat punand conditia ca puterea reactiva a condensatorului sa fie egala cu puterea aparenta de faza a motorului, adica:

sau (4.31)

unde: puterea activa la arborele motorului trifazat, inscrisa pe tablita indicatoare;

- randamentul nominal al motorului;

- factorul de putere nominal.

Rezulta capacitatea condensatorului :  (4.32)

Condensatorul de valoarea calculata ramane in circuit in timpul functionarii motorului.

Daca valoarea capacitatii, C, nu asigura un cuplu de pornire suficient de mare se va lega, in paralel cu C, un condensator de pornire, , de capacitate:

(4.33)

Condensatorul se va deconecta dupa pornirea motorului, in apropiere de turatia nominala.

4.3.1 Motorul sincron

Motorul sincron este utilizat pentru antrenarea agregatelor de putere mare, cu functionare continua, ca: pompe, compresoare, instalatii ale laminoarelor nereversibile, instalatii din industria cimentului, hartiei si din industria petroliera.

Avantajele utilizarii motorului sincron:

- constructie simpla;

- randament mai mare cu fata de motorul asincron;

- factor de putere, si uneori, chiar capacitiv.

Motorul sincron functioneaza cu turatie constanta determinata de frecventa retelei de alimentare, indiferent de modul in care variaza sarcina. Aceasta determina imposibilitatea utilizarii lui in scheme de actionare care necesita schimbarea vitezei de lucru.

Caracteristica mecanica - perfect rigida (absolut dura), limitata de cuplul maxim , dupa care "se desprinde". Trecerea de la regim de generator, la regim de motor se face lin.

Fig.4.10. Caracteristica mecanica a masinii sincrone

Deoarece raportul dintre cuplul maxim si cuplul nominal al motorului sincron este de:

(4.34)

motorul sincron suporta suprasarcini mari

4.3.2.2. Pornirea si franarea motorului sincron

a)     Pornirea motorului sincron se face, in majoritatea cazurilor, in asincron, folosindu-se pentru aceasta, infasurarea sa de amortizare amplasata pe 2/3 din circumferinta rotorului. Dezavantajul unei astfel de porniri este ca se dezvolta un cuplu mic la pornire.

b) Franarea motorului sincron nu prezinta un interes deosebit, deoarece acest motor, datorita faptului ca are turatie nereglabila (constanta) nu se poate folosi decat in cazul actionarilor continue si cu turatie nereglabila. Exista, totusi, situatii in care masina sincrona poate lucra in regim de frana, cea mai raspandita fiind franarea dinamica. Ea consta in deconectarea statorului de la reteaua de alimentare si conectarea lui pe o rezistenta in timp ce rotorul ramane conectat la sursa de excitatie.