Generalitati ale Motoarelor Electrice. Principiile de Functionare ale Motorului Asincron Trifazat

Capitolul I – Considerații teoretice

Generalități ale motoarelor electrice. Principiile de funcționare ale motorului asincron trifazat.

,,Motoarele electrice (sau mașini electrice) reprezintă dispozitive electromecanice care transformă energia electrică în energie mecanică. Procesul poate avea loc și în sens invers, în acest caz mașinile electrice poartă numele de generatoare electrice. Între cele două regimuri de funcționare (cel de motor, respectiv de generator) nu există diferențe majore legate de principiile de funcționare, astfel motoarele pot fi utilizate în ambele regimuri, în funcție de aplicația necesară. Motoarele electrice sunt construite într-o gama largă de puteri, fiind folosite la numeroase aplicații începând de la puteri mici (motoare pentru componente electronice) până la acționari electrice de puteri mari (mașini unelte, poduri rulante, macarale, pompe, ventilatoare, etc). Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric care le parcurge în motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ. În funcție de numărul fazelor curentului cu care funcționează acestea, motoarele electrice pot fi monofazate sau polifazate.” [1]

,,Mașina asincronă este o mașină electrică rotativă, de curent alternativ (monofazată sau cel mai adesea trifazată), al cărei rotor are turația diferită de viteză câmpului magnetic învârtitor, turație dependentă de cuplul rezistiv. Mașina de inducție (asincronă) este cea mai utilizată mașină electrică deoarece prezintă numeroase avantaje precum: simplitate constructivă, prețul scăzut pe unitatea de putere, randament ridicat, stabilitate în funcționare, robustețe și prezintă posibilitatea de a fi utilizată într-o variație foarte mare de puteri, turații și tensiuni de alimentare. Dintre dezavantaje se remarcă: șocul mare de curent la pornire, factorul de putere relativ scăzut și caracteristica mecanică dură. Mașina de inducție se folosește în majoritatea aplicațiilor în regim de motor (ascensor, macarale, etc) sau în regim de generator (microhidrocentrale fără personal permanent sau generatoare eoliene). În unele dintre cazuri mașina asincronă se mai utilizeaza și în regim de frână (regim utilizat deseori în instalațiile de ridicat – macarale).” [2] Cele 3 regimuri de funcționare se pot distinge din caracteristica mecanică a mașinii conform figurii:

,,Mașina asincronă este alcătuită din punct de vedere constructiv din stator (partea fixă) – cu rol de inductor și rotor (partea mobilă) – având rolul de indus. Statorul este realizat din tole în care se ștantațează crestăturile, unde se va introduce bobinajul trifazat. Rotorul este construit tot din tole ștanțate, în crestăturile acestuia se pot găsi bare de aluminiu (mașină de inducție cu rotor în colivie) sau un bobinaj trifazat, cu capetele conectate la 3 inele colectoare prin interiorul axului motorului. (mașină de inducție cu rotor bobinat).”[3]

,,La funcționarea în regim de motor a mașinii asincrone înfășurarea din stator va fi alimentată cu un sistem trifazat de curenți (sistem simetric). În urma alimentării înfășurării statorice va apărea un câmp magnetic în întrefierul mașinii, numit câmp învârtitor. Acest câmp se rotește cu o turație ,,n1”, ce poartă numele de turație de sincronism și depinde de frecvența tensiunii de alimentare ,,f1” și de numărul de perechi de poli ai mașinii (notat ,,p”), conform formulei:

Prin fenomenul inducției electromagnetice, câmpul magnetic învârtitor va induce în fazele înfășurării rotorului un sistem trifazat de tensiuni electromotoare, care la rândul lor vor determina apariția unui sistem trifazat de curenți rotorici. Câmpul magnetic învârtitor va acționa asupra curenților cu forțe Laplace, punând în mișcare rotorul. Cuplul electromagnetic activ va accelera rotorul, acesta stabilizându-se la o turație n2<n1, în urma egalării cuplului electromagnetic activ cu cel rezistent.”[4]

,,Această rotire asincronă este caracterizată de o mărime numită alunecare notată ,,s” definită de relația:

Modificarea turației se poate realiza prin modificarea frecvenței tensiunii de alimentare, a numărului de perechi de poli sau prin modificarea alunecării. Modificarea sensului de rotație al rotorului se poate realiza prin schimbarea succesiunii fazelor (prin schimbarea a două faze între ele – comanda se poate realiza manual sau automat).” [5]

,,Mașina asincronă nu poate funcționa la turația de sincronism, deoarece dacă rotorul s-ar învârti cu aceeași viteză a câmpului magnetic învârtitor fenomenul inducției electromagnetice ar dispărea, iar tensiunile electromotoare împreună cu curenții rotorici și cuplul activ ar fi de asemenea nule.” [6]

,,Carcasa mașinii asincrone se execută din aluminiu sau fontă, prin turnare sau din tabla de otel electrotehnic prin sudare. Pe carcasa se găsesc tălpile de fixare ale mașinii, inelul de ridicare, plăcuța indicatoare și scuturile frontale. În scuturi se montează lagărele mașinii (rulmenții) pe care se sprijină axul. De asemenea carcasa susține miezul statoric împreună cu înfășurarea sa asigurând posibiltatea de centrare față de rotor. Întrefierul reprezintă spațiul liber rămas între miezul feromagnetic rotoric și miezul statorului.”[7]

,,Mașina de inducție funcționează pe același principiu cu transformatorul electric. Astfel se poate realiza o analogie între cele doua mașini (statorul reprezentând primarul transformatorului, iar rotorul secundarul acestuia).” Analogia între cele două mașini electrice este reprezentată grafic în schema următoare:

unde:

R1 – rezistența statorică

R’2 – rezistența rotorică raportată la stator

I1 – curent statoric

I’2 – curent rotoric

jXσ1 – reactanța de dispersie pe stator în raport cu rotorul

jX’σ2 – reactanța de dispersie pe rotor în raport cu statorul

jXu – reactanța echivalentă de magnetizare

Iμ – curent de magnetizare

RFe – rezistența echivalentă pierderilor în Fe

Randamentul și bilanțul puterilor motorului asincron:

Puterea electrică absorbită de rotor este definită de relația:

O parte din această putere se consumă sub formă de pierderi Joule în înfășurarea din stator:

dar și prin pierderi prin histerezis alături de pierderile prin curenți turbionari în stator (PFe).

Puterea rămasă reprezintă puterea electromagnetică transmisă rotorului: Pem definită prin relația:

unde:

M – cuplul electromagnetic al mașinii

Ω1 – viteza unghiulară statorică

Din puterea electromagnetică primită de rotor se pierde o parte prin efectul Joule și în miezul rotoric:

Puterea ce rămâne este puterea mecanică transmisă spre rotor:

Puterea de la arbore (puterea utilă) se obține în urma scăderii din puterea mecanică a pierderilor mecanice datorate frecării și ventilației:

Randamentul mașinii de inducție se determină cu formula:

Randamentul nominal al mașinilor asincrone ia de obicei valori între 0.75 si 0.95 în funcție de puterea motorului și tipul constructiv al acestuia.”[8]