Masina Asincrona

Mașina asincronă, numită și transformator generalizat, este o mașină electrică rotativă de curent alternativ care, la frecvența dată a rețelei, funcționează cu o turație variabilă cu sarcina.

Denumirea de asincronă provine de la faptul că viteza rotorului diferă de viteza câmpului magnetic inductor creat de stator: altfel, cuplul motor la arborele mașinii nu poate exista, căci dacă vitezele ar fie egale, ar însemna că între cele două armături viteza relativă ar fi nulă, deci nu ar exista condiții pentru fenomenul de inducție prin mișcare.

Mașina asincronă este una dintre principalele mașini de curent alternativ și se utilizează în principal ca motor, datorită construcției sale robuste, siguranței în funcționare, costului redus, precum și proprietăților sale bune în regimul de motor : pornire simplă, caracteristici de funcționare convenabile, posibilități de modificare a turației și de utilizare în scopul frânării electrice.

Din aceste motive, majoritatea acționărilor electrice industriale în curent alternativ se realizează în prezent cu motoare asincrone.

Ca generator electric, mașina asincronă este net inferioară mașinii sincrone, principala ei deficiență fiind aceea că, pentru a putea furniza putere electrică activă, generatorul asincron este nevoit să ia din rețea putere reactivă. Din această cauză, în principal, mașina asincronă nu se folosește ca generator în cadrul marilor centrale electrice. In ultimul timp, în strânsă legătură cu necesitatea dezvoltării și a centralelor electrice de mică putere de tip hidro și eoliene, generatorul asincron și-a găsit o întrebuințare în asemenea centrale, unde poate funcționa și la turație variabilă.

Prima propunere de mașină de tip asincron a fost făcută în 1885 de G. Ferraris, perfecționări importante fiind aduse ulterior, între anii 1886—1890, de N. Tesla și Dolivo Dobrovolschi. In prezent, mașina asincronă se execută într-o gamă largă de puteri (de la puteri de cîțiva wați până la 5 MW); limita puterii pentru care se pot construi mașinile asincrone, determinată de rezistența mecanică a rotorului, este de 12 MW pentru mașinile bipolare și de 20 MW pentru mașinile tetrapolare.

In mod obișnuit, rolul de inductor este îndeplinit de stator, rotorul reprezentînd indusul mașinii. Excitația se realizează în curent alternativ; organul colector este de tipul cu inele colectoare. După numărul de faze ale înfășurării statorice, mașinile asincrone se împart în mașini monofazate (realizate, de obicei, pentru puteri pînă la 0,5 kW) și mașini polifazate — de regulă, trifazate.

1.2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE ȘI FUNCȚIONALE

Elementele constructive de bază ale mașinii asincrone sunt cele caracteristice oricărei mașini electrice rotative, în construcția ei intrînd două părți constructive fundamentale : statorul și rotorul.

Statorul se compune din carcasă, miezul feromagnetic și înfășurarea statorică. Carcasa se execută de obicei din fontă (uneori din oțel) și are rolul de suport al miezului, realizat ca miez cu poli plini, din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime, izolate între ele (miezuri cu poli aparenți se întâlnesc numai la unele tipuri de micromotoare monofazate), înfășurarea statorică de c.a., repartizată, este plasată în crestăturile identice, echidistante, practicate pe periferia interioară a miezului.

La mașinile de putere mică și mijlocie carcasa servește și pentru fixarea, pe cele două părți laterale, a scuturilor portlagăre.

Rotorul mașinii este format din miezul rotoric, care este fixat pe arborele mașinii și înfășurarea rotorioă, legată la inele colectoare sau scurtcircuitată, prin construcție. Ca și cel statoric, miezul rotoric este cu poli plini și este confecționat din tole electrotehnice de 0,5 mm, izolate sau nu între ele. înfășurarea rotorică, evident de tip repartizat, poate fi realizată ca și cea din stator, pentru același număr de poli și același număr de faze, sau sub formă de înfășurare în colivie. In primul caz se zice că avem de-a face cu un motor cu inele sau cu rotor bobinat, iar

în al doilea cu un motor în colivie sau cu rotorul în scurtcircuit.

La motoarele cu inele colectoare fazele înfășurării rotorului se conectează totdeauna în stea, capetele libere ale fazelor fiind legate la inelele colectoare (fixate pe arbore), pe care calcă periile colectoare. Mașinile de acest tip sunt prevăzute și cu un dispozitiv de ridicare a periilor și de scurtcircuitare a inelelor, pentru eliminarea pierderilor prin frecare între inele și perii și pentru reducerea uzurii periilor.

Infășurările bobinate se execută, în general, din cupru, iar cele în colivie din : aluminiu turnat sub presiune — la mașinile mici și mijlocii, respectiv din cupru, bronz sau alamă — la mașinile mari.

In vederea activării aerului de răcire, majoritatea motoarelor asincrone sînt prevăzute cu un ventilator fixat, la unul dintre capete, pe arbore.

Infășurarea statorică și cea rotorică sunt cuplate între ele numai magnetic ; pentru a asigura un cuplaj cît mai bun, mașinile asincrone se execută cu un întrefier cît mai mic (0,35—0,8 mm, la motoarele de putere redusă și medie, doar la motoarele de putere mare întrefierul depășind

1 mm).

Datele principale ale mașinii : puterea nominală (kW), tensiunea de linie la borne (V), curentul de linie (A), turația (rot/min), factorul de putere, frecvența tensiunii de alimentare (Hz), curentul rotoric nominal (A), respectiv tensiunea între două inele (V) când rotorul este imobil și înfășurarea rotorică este deschisă, sunt înscrise pe o plăcuță indicatoare fixată pe carcasă.

1.3. REGIMURI DE FUNCȚIONARE

Mașina asincronă poate funcționa in 3 regimuri:

– regim de motor;

– regim de generator;

– regim de frână electromagnetică.

In regim de motor mașina absoarbe puterea electrică din rețea, pe la bornele înfășurării statorice, și furnizează, la arbore, puterea mecanică. Acesta este cel mai utilizat regim de funcționare a mașinii asincrone. Turatia rotorului, în acest caz, este mai mica decat turația sincronică (n<n1).

Dacă însă mașina este antrenată, cu ajutorul unui motor auxiliar, în sensul de mișcare, cu o turație (n>n1), se schimbă sensul de deplasare a rotorului față de câmpul inductor statoric. Prin urmare se va schimba si sensul tensiunii electromotoare induse, respectiv al curentului indus, implicit, al cuplului.

In această situație mașina primește putere mecanică pe la arbore (de la motorul auxiliar) și cedează putere electrică pe la bornele înfășurări statorice. Spunem că mașina funcționează în regim de generator.

In cazul regimului de frână electromagnetică, mașina este antrenată, din exterior, în sens contrar câmpului statoric (n<0).

Ea primește astfel putere mecanică pe la arbore, putere pe la bornele înfășurării statorice, întreaga putere rezultată, după acoperirea pierderilor, fiind disipată pe înfășurări, determinand astfel încălzirea acestora.

Concluzionând cele spuse anterior, putem acum să stabilim următoarele domenii de valori ale turației si alunecării corespunzatoare celor trei regimuri de funcționare:

– pentru regim de motor (n>n1 rez. 0<s<1);

– pentru regim de generator (n>n1 rez. s<0);

– pentru regim de frâna (n<0 rez. s>1).

Se consideră o mașină asincronă trifazată (cazul cel mai des întâlnit în practică) care funcționează în regim de motor.

Se presupune deci că înfășurarea statorică are m1=3 faze statice (cu axele decalate cu (2π /3) radiani si cu același număr de spire), repartizate sinusoidal.

Prin alimentarea acestuia cu un sistem sinusoidal simetric de tensiuni cu frecvența f1, în mașina va lua naștere un câmp magnetic învârtitor de turație (n1= f1/p) (rot / min ).

Dacă rotorul este în repaus, acest câmp va induce în fazele înfășurării rotorice, conform legii inducției electromagnetice, tensiuni electromotoare.

In cazul în care înfășurarea rotorică este scurtcircuitată sau se racordează pe o impedanță trifazată simetrică, aceste tensiuni electromotoare vor determina apariția unor curenți indusi. Prin interacțiunea câmpului magnetic statoric cu acești curenți indusi vor lua naștere forțe electromagnetice care se vor exercita asupra fiecărui conductor rotoric.

Acestor forțe le corespunde un cuplu obținut prin însumarea tuturor cuplurilor determinate de forțele ce acționează asupra conductoarelor rotorice, care determină punerea în mișcare a rotorului, cu turația n, în sensul câmpului învartitor statoric.

Pentru a caracteriza diferența între n1 si n a fost introdusă noțiunea de alunecare:

s = n1 – n/n1.

Prin urmare, turația rotorului se poate scrie sub forma:

n = n1(1- s)

Cu ajutorul relației se poate scrie relația de calcul a turației câmpului învartitor statoric față de rotor, n2.

n2 = n1- n =s n1.

Această deplasare relativă a câmpului învârtitor statoric față de rotor determină frecvența t.e.m. induse in circuitul rotoric, f2:

n2 = f2 / p rezulta: f2 = p* n2 = p*s*n1 = s*f1

p – fiind numărul de perechi de poli ai mașinii.

De aici rezultă că mașina asincronă modifică si frecvența energiei primite și, deci, o a doua justificare a denumirii ce i s-a dat, de transformator generalizat.