Masina asincrona - Principiul de functionare. Elemente constructive. Marimile nominale ale motorului asincron. Relatii caracteristice.

Masina asincrona

Principiul de functionare. Elemente constructive.

Masina asincrona se foloseste mai ales ca motor asincron, astfel ca vom prezenta cu precadere functionarea si caracteristicile motorului asincron. Statorul motorului asincron este prevazut cu o înfasurare trifazata având cele trei faze dispuse decalat la periferia statorului la un unghi de 120⁰ una fata de cealalta. Alimentând înfasurarile statorice cu un sistem trifazat de tensiuni simetric prin înfasurari vor lua nastere trei curenti ce formeaza un sistem trifazat simetric. Astfel în motorul asincron va lua nastere, la fel ca la motorul sincron, un câmp magnetic rotitor. Am reprezentat în figura alaturata câmpul magnetic rotitor de inductie B prin liniile de câmp magnetic, iar printr-o sageata am reprezentat sensul de rotatie (cel trigonometric) al acestui câmp în jurul axei perpendiculare pe figura ce trece prin punctul O. Daca pe axa din O se afla un cadru metalic (spira în scurtcircuit) ce se poate roti se observa ca atunci când cadrul metalic este nemiscat sau când se roteste cu o viteza unghiulara diferita de aceea a câmpului magnetic rotitor, în cadrul metalic se induce o tensiune electromotoare care da nastere în cadru la un curent indus. Pe baza regulii lui Lenz se constata ca sensul curentului indus în cadru (spira), când viteza de rotatie a cadrului e mai mica decât a câmpului magnetic rotitor, este cel indicat în figura. Asupra laturilor cadrului parcurse de curentul indus, si aflate în câmpul magnetic de inductie B, vor actiona fortele  având sensul din figura, dat de regula mâinii stângi. Se observa ca asupra cadrului actioneaza un cuplu de forte ce va antrena cadrul în miscare de rotatie în sensul de rotatie al câmpului magnetic rotitor produs de înfasurarea trifazata statorica. Este important de retinut faptul ca viteza de rotatie a cadrului trebuie sa fie mai mica decât aceea a câmpului magnetic rotitor pentru ca în cadru sa se induca un curent având sensul din figura si, ca atare, asupra lui sa apara cuplul de forte mentionat. Daca presupunem ca, la un moment dat, viteza de rotatie a cadrului ar deveni egala cu aceea a câmpului magnetic rotitor atunci nu ar mai exista t.em. indusa în cadru, deci nici curent indus si viteza de rotatie a cadrului s-ar micsora. Cadrul metalic, sau spira se roteste cu o viteza de rotatie mai mica decât aceea a câmpului magnetic rotitor, deci asincron.

Forta ce actioneaza asupra unui conductor parcurs de curent atunci când acesta se afla într-un câmp magnetic poarta numele de forta electromagetica. În cazul unui câmp magnetic uniform de inductie B în care se afla un conductor, perpendicular pe liniile de câmp magnetic, parcurs de un curent de intensitate i valoarea fortei electromagnetice este :             F = B i l

unde l este lungimea conductorului parcurs de curent si aflat în câmp magnetic.

Forta are directia perpendiculara pe conductor, iar sensul acesteia este dat de regula mâinii stângi: se aseaza mâna stânga cu palma astfel încât liniile de câmp magnetic sa intre în palma iar cele patru degete sa fie în snsul curentului electric. Degetul mare al mâinii (palma deschisa) stângi va indica sensul fortei F.

Partile constructive de baza ale motorului asincron sunt:

• statorul, cu o constructie asemanatoare cu a motorului asincron; el cuprinde carcasa, miezul de fier (circuitul magnetic) statoric, înfasurarile statorice trifazate si scuturile portlagar,
• rotorul, partea mobila a motorului, care cuprine arborele, miezul de fier rotoric confectionat din tole de otel electrotehnic, înfasurarea rotorica sau colivia rotorica si ventilatorul.

Rotorul are miezul de fier de forma cilindrica prevazut cu crestaturi la periferia exterioara. În crestaturi este plasata înfasurarea rotorica trifazata care poate fi de doua feluri:

• înfasurare rotorica propriu-zisa având capetele scoase la trei inele colectoare, în acest caz se spune ca motorul este cu rotor bobinat,
• înfasurare în scurtcircuit, când capetele înfasurarii rotorice sunt legate în scurtcircuit; în acest caz înfasurarea rotorica are forma unei colivii confectionata din bare de aluminiu, asezate în crestaturile rotorice, si scurcircuitate la capete prin inele frontale; în acest caz se spune ca motorul asincron este cu rotorul în scurtcircuit sau cu rotor în colivie.

Între miezul rotoric si cel statoric exista un întrefier de 0.25…2 mm.

Marimile nominale ale motorului asincron. Relatii caracteristice

Marimile nominale ale motorului asincron sunt înscrise pe placuta indicatoare a masinii. Ele sunt:

• puterea nominala, adica puerea mecanica utila la arbore, în kW,
• tensiune nominala, este tensiunea de linie a retelei trifazate de la care este alimentat motorul, în V,
• curentul nominal de linie în A,
• schema de conexiuni a înfasurarilor statorice (Y sau D),
• randamentul nominal,
• factorul de putere nominal,
• frecventa nominala de alimentare, f în Hz,
• turatia nominala n a rotorului, în rot/min,
• serviciul nominal si gradul de protectie

La motoarele asincrone cu rotor bobinat se mai dau curentul rotoric de linie nominal si tensiunea electromotoare de linie a rotorului imobil cu înfasurarea deschisa, în V.

Daca înfasurarea trifazata statorica este alimentata de la o retea trifazata simetrica în masina va lua nastere un câmp magnetic rotitor ce se roteste cu o turatie de sincronism:

unde:                                                                      

este viteza unghiulara a câmpului magnetic rotitor, ω₁ este pulsatia curentilor trifazati statorici (ω₁ = 2 π f = 314 rad/sec, la f = 50 Hz ), iar p este numarul de perechi de poli.

Am vazut ca turatia rotorului este mai mica decât aceea a câmpului magnetic rotitor, deci mai mica decât n₁. Daca notam cu n turatia rotorului, respectiv cu  viteza unghiulara de rotatie a rotorului atunci câmpul magnetic rotitor statoric va avea fata de rotor o viteza relativa:

Se numeste alunecare, si se noteaza cu s:

Rezulta evident:

Ω₂ = s Ω₁,          ω₂ = s ω₁, f₂ = s f₁

Ca urmare se observa ca în înfasurarile rotorice conectate în scurtcircuit apar curenti trifazati simetrici de frecventa f₂ mult mai mica decât frecventa f₁ a curentilor statorici. Turatia rotorului se poate exprima cu ajutorul alunecarii si a turatiei sincrone cu relatia:

n = (1-s) n₁

La motoarele asincrone cu puteri nominale de 1…1000 kW alunecarea nominala este de 6…1%, astfel ca turatia nominala a motoarelor asincrone este:                        n_n = (1-s_n) n₁

La functionare normala frecventa curentilor rotorici este foarte mica f₂ = 0.5…3 Hz.

Caracteristica mecanica a motorului asincron

Se demonstreaza ca raportul dintre valoarea cuplului M al motorului asincron si valoarea maxima al acestuia M_m se poate exprima în functie de alunecare, simplificat, cu ajutorul relatiei lui Kloss:

unde s_m este alunecarea critica a motorului asincron, pentru care cuplul este maxim M_m. Se prezinta mai jos variatia cuplului electromagnetic pentru un motor asincron trifazat cu rotor bobinat , de 22 kW .

Alunecarea critica este s_m = 0.17 iar alunecarea nominala este s_n = 0.036. Turatia nominala a motorului este 1446 rot/min iar turatia de sincronism este n₁ = 1500 rot/min. Raportul dintre cuplul nominal si cuplul maxim este de 0.444, deci capacitatea de suprasarcina a motorului este M_m / M_n = 2.25.

Se observa ca exista trei regimuri de functionare ale masinii asincrone:

regimul de motor, pentru s cuprins între 0 si 1. Motorul asincron functioneaza stabil numai daca s < s_m. Pentru s =1 , n =0 deci motorul este cu rotorul blocat, iar valoarea cuplului corespunzatoare lui s =1 poarta numele de cuplu de pornire. Pentru ca un motor asincron sa poata porni este necesar ca valoarea de pornire a cuplului sa fie mai mare decât cuplul rezistent la arbore; altfel sunt necesare procedee speciale de pornire,

regimul de frâna electromagnetica, când s >1. În acest caz rotorul se roteste în sens invers câmpului rotitor,

regimul de generator, când s < 0, este unregim rar folosit

Daca se reprezinta grafic dependenta dintre turatie si cuplu rezulta caracteristica mecanica a motorului asincron, numita si caracteristica naturala , daca în circuitul rotoric nu s-au conectat rezistente suplimentare pentru pornire. Pe grafic s-a reprezentat si caracteristica mecanica (notata nr_i ) a utilajului antrenat de motor. Functionarea stabila a motorului asincron are loc în punctul de intersectie al celor doua caracteristici, a motorului si a utilajului actionat de motor. În cazul nostru functionarea are loc în punctul de coordonate M_n = 145 Nm, n = 1446 rot/min. Se

observa din grafic faptul ca la pornire, când n = 0, valoarea cuplului de pornire al motorului asincron este mai mica decâ cuplul rezistent al utilajului, ( M_p = 108 Nm, M_r = 125 Nm ) astfel ca motorul nu poate porni.

Pornirea motorului asincron.

Daca se conecteaza direct la reteaua trifazata înfasurarile statorice ale motorului asincron, când rotorul sta (este imobil) si înfasurarile rotorice sunt scurtcircuitate motorul va absorbi un curent foarte mare, de 5…8 ori curentul nominal. Cuplul dezvotat de motor are o valoare redusa, astfel ca atunci când cuplul de pornire M_p este mai mic decât cuplul rezistent M_r motorul nu porneste. Pentru a micsora curentul de pornire si pentru a creste valoarea

cuplului de pornire în circuitul rotoric al rotoarelor bobinate se introduc, prin intermediul unor inele colectoare, rezistente de pornire în serie cu înfasurarea rotorica. Introducerea rezistentelor de pornire R_p are ca efect modificarea caracteristicilor mecanice în sensul cresterii alunecarii maxime s_m.

Se prezinta în figura de mai jos caracteristica mecanica naturala si 5 seturi de caracteristici mecanice obtinute prin introducerea rezistelor de pornire în circuitul rotoric, nimite caracteristici artificiale. Valoarea cuplului maxim este aceeasi pentru toate caracteristicile, dar cu cât este mai mare rezistenta de pornire cu atât panta caracteristicii mecanice în zona stabila este mai mare. Se observa din figura ca valorile cuplurilor de pornire sunt tot mai mari, la ultima caracteristica valoarea cuplului de pornire fiind apropiata de aceea a cuplului maxim.

Pe masura ce turatia motorului creste o instalatie de automatizare reduce (scade) în trepte valoarea rezistentelor de pornire, în final rezistentele de pornire sunt complet scoase din circuit iar rotorul este în scurtcircuit. Motorul ajunge astfel la turatia nominala corespunzatoare caracteristicii mecanice naturale.

Introducerea de rezistente în serie cu înfasurarile rotorice permite si reglarea turatiei motorului asincron. Asa cum se observa din figura de mai sus punctele de intersectie dintre caracteristica utilajului antrenat (nr_i) si caracteristicile mecanice artificiale corespund unor turatii diferite (mai mici) fata de turatia nominala. Prin urmare prn inserierea de rezistente cu înfasurarile rotorice se poate scadea valoarea turatiei motorului asincron. Acest procedeu este utilizat pentru reglarea turatiei motoarelor asincrone cu rotor bobinat.

Motorul asincron monofazat

La puteri nominale mici motorul asincron se realizeaza sub forma de motor asincron monofazat. El are în stator o înfasurare de curent alternativ monofazata alimentata cu o tensiune alternativa sinusoidala. Rotorul motarului asincron monofazat este de obicei în colivie de veverita. Înfasurarea statorica va produce un câmp magnetic pulsatoriu în motor si nu un câmp magnetic rotitor. Se poate demonstra matematic faptul ca un câmp magnetic pulsatoriu poate fi obtinut prin însumarea a doua câmpuri magnetice rotitoare, unul direct M_d si unul invers M_i. Se prezinta înfigura de mai jos caracteristica mecanica M_d/M_m notata cu Mrd(x) pentru câmpul magnetic rotitor direct al motorului asincron si caracteristica mecanica M_i/M_m notata cu Mri(x) pentru câmpul magnetic rotitor invers. Prin însumarea celor doua caracteristici rezulta caracteristica mecanica a motorului asincron monofazat notata cu Mr(x). La pornire n = 0, deci alunecarea s = 1, iar valoarea cuplului de pornire este nula, astfel ca motorul asincron monofazat nu porneste singur. Daca motorul este turat într-un sens sau altul si cuplul rezistent este mic atunci cuplul mototorului asincron creste (devine diferit de zero) si motorul poate porni în sensul în care a fost turat (eventual manual). Uneori pentru pornire se prevede o înfasurare auxiliara suplimentara înseriata cu un condensator.