Curs Masini Electrice Speciale

download Curs Masini Electrice Speciale

of 91

Transcript of Curs Masini Electrice Speciale

Curs 1

Bibliografie: 1. Biro K.A, Viorel I.A., Szabo L.,Hennerberger G. Maini electrice speciale", Editura Mediamira, Cluj Napoca, 2005. 2. Lzroiu F.D. - "Maini electrice de mic putere", Editura Tehnic, Bucureti, 1965. 3. Simion A., - "Maini electrice speciale pentru automatizri, Editura Universitas, Chiinu, 1993. 4. Nica C., Busuioc St., Enache S., - "Micromaini electrice ndrumar de laborator", Reprografia Universit ii din Craiova, 1995. 5. Viorel I.A., Fodorean D., Jurc F.N. - "Maini electrice speciale Aplica ii" Editura Mediamira, Cluj Napoca, 2007.

1.1 Introducere. Maina electric este constituit dintr-un sistem de circuite electrice dispuse pe miezuri feromagnetice i cuplate ntre ele magnetic, electric sau n ambele moduri. O main electric, denumit i convertor electromecanic, transform energia mecanic n energie electric atunci cnd func ioneaz n regim de motor, sau invers, transform energia mecanic n energie electric atunci cnd func ioneaz n regim de generator. Toate tipurile de maini sunt reversibile, principiu enun at de Lenz n 1834. Micarea pr ilor mobile ale mainilor electrice poate fi de rota ie la mainile rotative sau e o suprafa plan pentru mainile electrice cu micare liniar. Obiectul acestui curs l reprezint mainile electrice rotative, prezentarea tipurilor de maini electrice speciale, elementele constructive i de func ionare care le deosebesc fundamental de celelalte maini electrice care pot fi denumite clasice. Dac mainile electrice considerate clasice (sincron, de curent continuu, de induc ie, transformatorul) s-au descoperit i produs nc din secolul al XIX-lea, mainile electrice speciale sunt n mare majoritate un rezultat al cercetrii din domeniu din secolul al XX-lea, mai ales n ultimele trei-patru decenii. Dezvoltarea impetuoas n ultimele patru decenii a electronicii i sistemelor de calcul, a avut un impact deosebit asupra mainilor electrice speciale, precum i a celor conven ionale. Sau elaborat convertoare electronice de putere, care au eliminat practic limitrile surselor cu parametri constan i (tensiune, frecven ) i care permit introducerea unor strategii de comand n alimentare pentru ob inerea de performan e ct mai ridicate. Sursele de alimenta ie flexibile complet comandate au facilitat dezvoltarea unor maini electrice noi i au revigorat unele deja1

existente, dar aplicabilitate practic efectiv. Un exemplu elocvent l constituie maina cu reluctan a comutat (SRM), inventat la 1838, dar care a devenit un motor relativ important n anii '70, cnd s-a pus la punct convertorul electronic specific pentru alimentare, convertor comandat n func ie de pozi ia rotorului i de viteza prescris. n general pentru validarea unei maini electrice speciale, adic pentru trecerea de la stadiul de idee-prototip la stadiul de main de serie utilizat efectiv n sisteme de ac ionare industriale sau domestice, este necesar o perioad destul de lung de timp. De exemplu pentru maina de curent continuu fr perii au fost necesari circa 20 de ani i nu s-a realizat, n fapt dect modificarea strategiei de alimentare i comand, maina rmnnd practic nemodificat. Mainile rotative au uzual dou mari pr i componente una fix, de obicei dispus spre exterior, numit stator i una care se rotete n interior numit rotor. Ambele pr i, denumite generic armturi au un sistem de miezuri feromagnetice pe care sunt dispuse circuitele electrice formate din una sau mai multe bobine conectate ntre ele, si /sau magne i permanen i. Mai multe bobine conectate ntre ele alctuiesc o nfurare ce poate fi parcurs de un curent variabil sau constant n timp. O bobin parcurs de curent continuu poate fi nlocuit cu un magnet permanent, de aceea o nfurare alimentat n curent continuu se poate nlocui cu un ansamblu de magne i permanen i. ntreg ansamblul de miezuri i nfurri este ncadrat ntr-o structur mecanic, care asigur micarea rotorului fa de stator, protec ia la unii agen i exteriori, rcirea i func ionarea n sistemul de ac ionare. Cmpul magnetic produs de una dintre armturile mainii electrice are un numr par de poli, ntotdeauna fluxul care iese din armtur este egal cu cel care intr n ea. Polii cmpului magnetic al unei armturi pot s se identifice cu poli fizic realiza i pe armtur, situa ie n care cmpul produs este fix fa de aceast armtur. n cealalt situa ie, polii cmpului magnetic sunt realiza i printr-o alimentare adecvat a nfurrii i se pot deplasa pe circumferin armturii. Astfel se ob ine un cmp magnetic variabil fa de armtur. Un cmp fix fa de o armtur se poate realiza prin intermediul unui sistem de magne i permanen i sau cu ajutorul unei nfurri alimentate n curent continuu. ntre cele dou armturi, rotor i stator se gsete un strat foarte sub ire de aer, numit ntrefier care permite micarea relativ a unei armturi fa de cealalt. Grosimea ntrefierului este de dorit s fie ct mai mic, este impus , n general de puterea mainii. n func ie de forma constructiv a polilor, exist maini cu ntrefier constant (corespunztor polilor ngropa i) i maini cu ntrefier variabil (corespunztor polilor aparen i). Principalele tipuri de maini rotative de construc ie normal sunt maina de induc ie, maina sincron i maina de curent continuu. Transformatorul poate fi privit ca fiind o main2

de induc ie cu rotorul imobil, iar maina sincron, trecnd peste particularit ile ei constructive, ca o main de induc ie dublu alimentat, deci cu dou cmpuri create independent. Maina de induc ie este o main de curent alternativ cu ntrefier constant i simetrie cilindric. Maina sincron este o main de curent alternativ dublu alimentat, cmpul rotoric fiind fix fa de rotor. Maina sincron are poli fizic realiza i pe rotor, poli care pot fi neca i sau aparen i, cu ntrefier constant sau variabil. Maina de curent continuu are poli aparen i n stator i nfurarea nchis la redresorul mecanic numit colector pe rotor. Cele mai multe maini speciale rotative se ncadreaz n cele trei tipuri constructive clasice. Exist ns dou tipuri oarecum diferite i anume mainile de curent alternativ i mainile cu poli aparen i pe ambele armturi, dar cu numr diferit de perechi poli pe cele dou armturi. Mainile de curent alternativ cu colector deriv din maina de curent continuu n cazul celor monofazate sau din maina de induc ie cu rotorul prevzut cu colector ca la maina de curent continuu. Mainile cu poli aparen i pe ambele armturi, dar cu numere de perechi de poli diferite, deriv ntr-un fel din maina sincron i nu au nfurare pe rotor. Cel mai important reprezentant al acestui tip constructiv este maina cu reluctan a variabil comutat electronic (SRM), cu comand electronic n func ie de pozi ia rotorului.

1.2. Construc ia mainilor electrice. O main electric este alctuit din trei sisteme de baz: 1. Sistemul electric (nfurri, conexiuni exterioare, plac de borne, contacte alunectoare, colector, etc.) 2. Sistemul magnetic (miezurile feromagnetice). 3. Sistemul mecanic i de rcire.

Sistemul magnetic. Const n ansambluri de miezuri feromagnetice utilizate la fiecare main. Miezurile feromagnetice au mai multe roluri: s asigure o induc ie magnetic de valoare ct mai mare; s constituie suportul nfurrii sau a magne ilor permanen i; s transmit la axul mainii cuplul dezvoltat; s participe la crearea cuplului electromagnetic. Cmpul magnetic n armturile unei maini poate fi constant sau variabil n timp. n cazul cmpului constant miezul feromagnetic este masiv sau constituit din tole de grosime destul de mare (peste un mm), n cazul n care nu se poate construi masiv din diferite motive, cum ar fi:3

greutate prea mare, dimensiuni prea mari, asamblare dificil, etc. n cazul cmpului magnetic variabil n timp miezul feromagnetic se realizeaz din tole sub iri izolate ntre ele pentru a reduce ct mai mult pierderile prin curen ii turbionari genera i de tensiunile electromotoare induse n miez. Tot pentru reducerea pierderilor n miez materialele utilizate trebuie s aib rezistivitate mare (adaosul de siliciu crete rezistivitatea) i ciclu de histerezis ct mai ngust. Este de dorit ca induc ia de satura ie s fie ct mai mare i s depeasc 2,3 T la materialele foarte bune. La materialele compozite ob inute prin sinterizare induc ia de satura ie este mult mai mic, n jur de 1,51,6 T, dar pierderile specifice sunt i ele reduse. Structura miezurilor spre ntrefier este de trei feluri: cu poli aparen i, cu crestturi i neted fr crestturi. Distan a dintre doi poli consecutivi de polaritate opus se numete pas polar , msurat n unit i de lungime. n cazul miezurilor cu crestturi forma crestturilor depinde de faptul c n ele se plaseaz nfurare sau nu. n primul caz se folosesc crestturi ovale i trapezoidale cu col urile rotunjite, n special la maini de mic putere. Dac nu se dispune nfurare n crestturi, atunci crestturile (din ii) au forma dreptunghiular. n cazul miezurilor netede nfurarea, dac exist, se lipete de miez.

Sistemul electric. Are urmtoarele caracteristici: produce cmp magnetic necesar transformrii energiei; permite nchiderea curen ilor n circuitele interne ale mainii; este sediul tensiunilor electromotoare induse; realizeaz conversia frecven ei tensiunii sau curentului din circuitele interne ale mainii corespunztor necesit ilor proprii. Sistemul electric al mainilor electrice poate fi compus din urmtoarele elemente: nfurri; conexiuni i plci de borne: contacte alunectoare inel-perie; comutator mecanic realizat din colector i perii; convertor electronic cu sau fr detectarea pozi iei rotorului. O nfurare se ob ine prin conectarea ntre ele a mai multor bobine, formate din spire i poate fi de mai multe tipuri:

4

1. concentrat, caracterizat prin aceea c toate bobinele din componen a ei au aceeai ax, axa polar, i sunt strbtute de acelai flux. Se realizeaz pe poli aparen i. nfurarea concentrat este deschis i se utilizeaz ca nfurare de excita ie alimentat n curent continuu sau n curent alternativ. Cea n curent continuu poate fi nlocuit cu magne i permanen i. 2. repartizat, caracterizat prin aceea c laturile bobinelor constituente se gsesc n condi ii magnetice diferite. Se ob ine prin conectarea ntre ele a unor bobine dispuse n crestturi sau pe suprafa a armturii. 3. repartizat nchis la colector, sunt specifice rotoarelor mainilor de curent continuu sau a mainilor de curent alternativ cu colector. Izola ia conductoarelor ntre ele i a bobinelor fa de miez se realizeaz cu materiale izolante uzuale grupate n clase de izola ie dup temperaturile limit admisibile. Se utilizeaz astzi izolan i cel pu in din clasa E, temperatura limit admisibil fiind +120. Un material izolant, dac nu se depete temperatura limit admisibil i pstreaz propriet ile un interval de timp de circa 20-30 de ani, aceasta fiind i durata de func ionare estimat pentru maina electric. Materialele izolante mai bune, cu temperatura admisibil mai ridicat, permit putere mai mare pe unitate de volum, dar i pre de cost mai ridicat.

Sistemul mecanic i de rcire. Are rolul: de a sigura func ionarea corect a mainii; de a evacua cldura degajat n main; protec ia mainii i a personalului care o deservete. Structura mecanic a unei maini electrice rotative const n principal din trei pr i: carcasa, cu sau fr aripioare de rcire; arborele rotoric, cu sau fr butuc; scuturile frontale cu lagrele pentru ax. Carcasele sunt construite din font, aluminiu sau o el, depinznd de tipul i puterea mainii. La unele tipuri de maini prin carcasa statoric se nchide fluxul ca i prin jug. n carcas este fixat miezul statoric, care poate fi cu poli aparen i sau cu tole. Miezul rotoric este dispus pe ax, ntregul ansamblu fiind sus inut de lagre cu rulmen i plasate n scuturile frontale. Axul este construit din o el, dimensiunile sale depinznd de tipul i puterea mainii. Scuturile se pot realiza din font, o el sau aluminiu, iar la puteri mici din materiale plastice. ntreg ansamblu5

mecanic trebuie s asigure func ionarea mainii la viteza i sarcina maxim fr modificarea dimensiunilor ntrefierului sau alte defec iuni. Analiza nclzirii i rcirii mainii este extrem de important n proiectarea i func ionarea mainilor. Distribu ia temperaturilor trebuie calculat n toat structura mainii pentru a fi siguri c temperaturile care se ating n izola ia nfurrilor i n magne ii permanen i nu depesc limitele admisibile. Exist diverse metode de calcul a distribu iei temperaturii n main, cea mai pu in precis fiind aceea n care ntreg corpul mainii se consider omogen i care se utilizeaz ntr-o prim evaluare a nclzirii i rcirii mainii. O metod mai precis de evaluare a distribu iei temperaturilor n structura mainii se bazeaz pe definirea unor pr i din main care se comport omogen la procesul de nclzire, rcire. Se poate defini astfel un circuit termic echivalent. Transferul de cldur de la o main la alta i transferul spre agentul de rcire se face prin conduc ie i convec ie, radia ia fiind nesemnificativ. Diferitele elemente ale mainii se pot descrie concentrat ntr-un punct (nod) care temperatura elementului, sursa de cldur i capacitatea caloric a acestuia. Pierderile care au loc n mainile electrice se pot mpr i n patru categorii i anume: 1. Pierderi n nfurri dependente de sarcin. 2. Pierderi n miez, incluznd pierderile n magne ii permanen i. 3. Pierderi prin frecri i ventila ie care depind de viteza de rota ie i de construc ia mainii. 4. Pierderile suplimentare, n care intr pierderile datorate armonicilor de cmp i a refulrii de curent. Cele mai importante categorii de pierderi sunt cele din nfurri i ele depind de sarcin, de temperatur i de rezisten a nfurrii. Reducerea pierderilor n nfurri se poate face prin reducerea rezisten ei nfurrilor, adic creterea sec iunii conductoarelor sau mbunt irea rcirii. Pierderile n miezul feromagnetic al mainilor electrice sunt pierderi prin histerezis i prin curen i turbionari i variaz cu valoarea induc iei n miez i cu frecven a cmpului inductor. Pierderile n fier depind de compozi ia chimic i de tratamentul termic aplicat tolelor. Pentru reducerea pierderilor datorate curen ilor turbionari tolele trebuie s fie ct mai sub iri i materialul s aib o rezistivitate ct mai mare. n locul tolelor se folosesc materiale sinterizate deoarece prin folosirea lor se diminueaz pierderile specifice pn la 70%. Pierderile mecanice i de ventila ie depind de viteza de rota ie, de tipul lagrelor i de ventila ia utilizat. Utilizarea unor lagre performante i proiectarea atent a ventilatoarelor6

dispuse pe axul mainii reduc pierderile mecanice. Pierderile mecanice pot fi aproximate ca fiind 0,5% pn 1,5% din puterea nominal de ieire, valorile mai mici corespunznd motoarelor de putere mai mare. Determinarea acestor pierderi se face prin ncercri de func ionare n gol, rezultatele ncercrii putnd fi extrapolate pentru maini de construc ie similar. Pierderile suplimentare, numite i pierderi strine de sarcin i se consider ca fiind 0,1 pn la 1% din puterea de ieire nominal, valorile mai mari corespunznd mainilor de mic putere. 1.3 Maini electrice conven ionale. Principii de func ionare. O main electric transform energia electric n energie mecanic cnd func ioneaz n regim de motor, sau invers, energia mecanic n energie electric, cnd func ioneaz n regim de generator. Cu excep ia transformatorului electric, care asigur transferul energiei electrice, cu modificarea parametrilor acesteia (curent, tensiune la frecven constant), toate celelalte maini au pr i n micare, iar n procesul de conversie o form de energie este transformat ntro alt form de energie. Principalele tipuri de maini rotative clasice sunt maina de induc ie, maina sincron i maina de curent continuu. Transformatorul electric poate fi privit ca o main de induc ie cu rotorul imobil, iar maina sincron , trecnd peste particularit ile ei constructive, ca o main de induc ie dublu alimentat, deci cu dou cmpuri create independent. Mainile electrice sunt ncadrate n sisteme de ac ionare, antrennd o main de lucru sau, n regim de generator, fiind antrenate de ctre un motor primar. n sistemele de ac ionare maina electric este doar un element component i func ionarea ei trebuie s fie cea cerut de sistem. ntr-un sistem de ac ionare simplu, n care maina electric trebuie rspund la comenzi simple, cum sunt pornirea i oprirea, opera iile pot fi fcute prin simpla conectare sau deconectare de la sursa de alimentare sau prin proceduri specifice de pornire i oprire care urmresc de exemplu reducerea curentului absorbit la pornire i scurtarea timpului de oprire. n multe dintre sistemele moderne de ac ionare mainile electrice sunt alimentate prin convertoare electronice complet comandate asigurndu-se astfel, pe lng satisfacerea tuturor cerin elor impuse de maina de lucru i o func ionare ct mai eficient a mainii electrice. n astfel de sisteme electrice mainile de curent alternativ sunt alimentate cu tensiune i frecven variabil iar cele de curent continuu cu tensiune variabil, comanda fiind transferat n ntregime asupra sursei. n consecin , astzi, mainile de curent alternativ nu mai func ioneaz numai7

alimentate de la re eaua de tensiune i frecven constante i multe dintre procedurile de pornire, oprire i modificare a tura iei, dezvoltate pentru cazul tensiunii i frecven ei constante devin inutilizabile sau chiar lipsite de sens. Proiectarea i construc ia mainilor de curent alternativ este influen at de tehnica de comand a sursei de alimentare. a) Elemente constructive. Maina de induc ie: miezul feromagnetic statoric i rotoric este realizat din tole cu crestturi; nfurarea statoric este polifazat, uzual trifazat, repartizat (n crestturi), deschis (nceputurile, eventual i sfriturile, nfurrilor de faz sunt libere i accesibile n cutia de borne); nfurarea rotoric poate fi repartizat, deschis, cu acelai numr de faze i poli ca i cea statoric i cu capetele scoase la inele colectoare (rotor cu bobine sau rotor bobinat) sau poate fi repartizat n colivie, numrul de faze fiind egal cu numrul de bare (rotor n colivie sau rotor n scurtcircuit). Maina sincron: miezul feromagnetic statoric este realizat din tole cu crestturi, miezul feromagnetic rotoric este masiv cu poli aparen i sau neca i. n talpa polilor rotorici sunt prevzute crestturi pentru colivia de pornire, prezente n ambele situa ii. n cazul polilor neca i nfurarea de excita ie este plasat n crestturi dispuse neuniform pe periferia rotorului (la dimensiuni mari miezul rotoric se construiete din tole tan ate din tabl de o el mult mai groas; tolele nu sunt izolate ntre ele). nfurarea statoric este polifazat repartizat, deschis, similar cu nfurarea statoric de la maina de induc ie; nfurarea rotoric, de excita ie, este concentrat i dispus n jurul polilor aparen i sau n crestturi (n cazul polilor neca i), capetele ei fiind conectate la dou inele colectoare. nfurarea rotoric n colivie este dispus nesimetric n crestturile din talpa polilor. Maina de curent continuu: miezul feromagnetic statoric este masiv cu poli aparen i. ntre polii principali sunt prevzu i polii auxiliari (de comuta ie). Miezul feromagnetic rotoric este din tole, cu crestturi spre ntrefier; nfurarea concentrat statoric (de excita ie) este dispus pe polii principali. nfurarea concentrat a polilor auxiliari este nseriat cu nfurarea rotoric. n talpa polilor principali sunt prevzute crestturi n care este dispus nfurarea de compensare, nfurare nseriat i ea cu nfurarea rotoric; nfurarea rotoric este distribuit n crestturi i nchis la colector, care este un redresor mecanic. Periile se pozi ioneaz pe colector n axa neutr a cmpului magnetic produs de curentul de excita ie. b) Principiul de func ionare. Maina de induc ie. Se consider o main electric rotativ format din dou armturi cilindrice, concentrice, de construc ie normal, a crei nfurare statoric este conectat la o re ea trifazat simetric de alimentare, de frecven f1. Circuitul rotoric se consider scurtcircuitat sau nchis pe un reostat simetric.8

nfurarea statoric, inductorul, parcurs de un sistem trifazat simetric de curen i avnd frecven a f1, genereaz n circuitul magnetic al mainii un cmp magnetic nvrtitor. Viteza unghiular a cmpului nvrtitor 1, numit vitez de sincronism, este determinat de pulsa ia 1 = 2f1, a curen ilor i de numrul de perechi de poli, p, realiza i de nfurare, pe o faz: = 1/p [rad/s]. (1.1) Din aceast rela ie se ob ine tura ia de sincronism, n1 , a cmpului magnetic nvrtitor:1

n1 =

60 f 1 f1 [rot/ min ] . [rot/s] sau, n 1 = p p

(1.2)

Cmpul magnetic nvrtitor intersecteaz bobinele rotorice n ordinea succesiunii lor, astfel nct, n aceste nfurri, se induc tensiuni electromotoare formnd un sistem trifazat simetric. ntruct circuitele rotorice sunt nchise, de-a lungul lor se stabilete un sistem trifazat (rotor bobinat) sau polifazat (rotor n scurtcircuit) de curen i electrici. Din interac iunea cmp magnetic inductor - curen i rotorici rezult for e de tip Laplace, care ac ioneaz tangen ial la rotor, genernd fa de arborele mainii un cuplu electromagnetic. Rotorul este pus n micare cu o vitez unghiular , creia i corespunde o tura ie n, n sensul cmpului magnetic nvrtitor. Fenomenul de induc ie electromagnetic fiind condi ionat de existen a unei micri relative a cmpului nvrtitor fa de rotor, e necesar ca viteza unghiular a rotorului s difere de viteza de sincronism, deci, 1. Micarea relativ a rotorului fa de cmpul nvrtitor este descris de mrimea numit alunecare, s, definit astfel:s=1

1

=

n1 n n1

.

(1.3)

Pe baza rela iei de defini ie a alunecrii se pot eviden ia regimurile de func ionare ale mainii asincrone (figura 1).Generator - + + - 0 0 + + Motor + + + Frn + 1 1 + + + + + s - n

+ + + + + + n1 n1 +

+ 0 0 -

Fig. 1.1 Regimurile de func ionare a mainii asincrone.

n regim de motor, pentru ca maina s dezvolte cuplu electromagnetic, trebuie ndeplinit condi ia: 0 < 1; alunecarea este cuprins n domeniul 0 s 1. Alunecarea s = 1, corespunde momentului pornirii, cnd rotorul este imobil, iar valoarea s = 0, corespunde mersului n gol ideal al motorului. Deoarece interac iunea dintre nfurarea rotoric i cmpul nvrtitor, inductor, este dependent de alunecare, frecven a curen ilor rotorici este diferit de frecven a curen ilor9

statorici. Viteza unghiular a cmpului magnetic nvrtitor fa de rotorul aflat n micare fiind

1 - , pulsa ia mrimilor electrice rotorice este: 2 = p(1

)

(1.4) (1.5)

deci: 2 = s 1 sau, f 2 = s f1 .

nfurarea rotoric, parcurs de curen i electrici cu frecven a f2, produce la rndul ei un cmp magnetic nvrtitor, cmp magnetic de reac ie, care se deplaseaz, fa de rotor, cu tura ia:n2 = f 2 s f1 = = s n1 . p p

(1.6)

Tura ia cmpului rotoric, fa de stator, se ob ine nsumnd tura ia acestuia fa de rotor, n2, cu tura ia rotorului, n: (1.7) n 2 + n = s n1 + n = s n1 + n1 (1 s) = n1 . Se observ c, tura ia cmpului de reac ie este egal cu cea a cmpului statoric. Prin compunerea cmpului inductor cu cmpul de reac ie, n ntrefier se ob ine un flux magnetic rezultant, generator de cuplu electromagnetic i care induce n nfurrile statorice tensiuni electromotoare avnd frecven a egal cu cea a re elei de alimentare. Din principiul de func ionare se constat o asemnare fenomenologic ntre maina asincron i transformatorul electric trifazat, de aceea se poate spune c, maina asincron, numit i main de induc ie, se comport ca un transformator dinamic. Maina sincron. Maina sincron este o main de curent alternativ a crei tura ie este constant, n regim de func ionare stabilizat i independent de valoarea sarcinii (n limite normale). Tura ia este cea de sincronism i este legat riguros de frecven a f a re elei de curent alternativ la care este cuplat maina. Maina sincron normal are cmpul magnetic inductor produs cu curent continuu. Dac n1 este tura ia rotorului, atunci frecven a tensiunii induse n nfurarea statoric este f = pn1. Curen ii electrici alternativi din nfurri, n regim sta ionar, au aceeai frecven ca i tensiunile induse. La mainile polifazate simetrice, curen ii alternativi produc un cmp circular (cmpul magnetic al indusului), care se rotete fa de nfurrile respective cu tura ia n1 = f1/p. n main are loc o interac iune continu, utilizabil din punct de vedere practic, atunci cnd cele dou cmpuri magnetice se gsesc n repaus relativ, situa ie specific regimului sta ionar. La o frecven f1, tura ia rotorului este egal cu tura ia n1 a cmpului magnetic nvrtitor. Se spune c rotorul se rotete n sincronism, de unde denumirea de main sincron. nfurarea prin care trece curentul continuu, nfurarea inductoare, se numete i nfurare de excita ie, iar curentul, curent de excita ie. Aceasta poate fi plasat n rotor, maini

10

sincrone cu poli interiori (majoritatea mainilor sincrone), sau pe stator, maini cu poli exteriori (la puteri mici, pn la 20 kVA). Mainile sincrone pot func iona n dou regimuri de baz, ca generatoare i ca motoare. n regimul de generator, maina transform energia mecanic, primit pe la arbore de la o main primar (motor termic, turbin), n energie electric, debitat ntr-o re ea de curent alternativ. n regimul de motor, maina transform energia electric, primit de la o re ea de curent alternativ, n energie mecanic, cedat pe la arbore unei instala ii mecanice. Un alt regim posibil de func ionare a mainii sincrone este acela de compensator al factorului de putere. Regimul de compensator nu este ns un regim de baz distinct, ci un regim de motor func ionnd n gol. n aceast situa ie maina primete de la re ea putere activ, pentru acoperirea pierderilor i debiteaz putere reactiv. Maina sincron este utilizat preponderent n regim de generator trifazat, ntlnit n prezent, n exclusivitate, n toate centralele electrice de mare putere. Motoarele sincrone se utilizeaz n instala iile n care sunt necesare men inerea tura iei riguros constant i un factor de putere bun la tura ii mici. Compensatoarele sincrone se folosesc pentru compensarea puterii reactive n sistemele electromagnetice. Regimul de func ionare a unei maini sincrone se caracterizeaz prin mrimile nominale nscrise pe plcu a ei indicatoare: regimul de func ionare (generator, motor, compensator); puterea: la generatoare puterea aparent la borne, n kVA sau MVA, sau puterea activ la borne, n kW sau MW; la motoare puterea mecanic la arbore, n kW; la compensatoare puterea reactiv la borne, n kVar sau MVar, n regim supraexcitat; curentul de linie n A sau kA; tensiunea de linie n V sau kV; factorul de putere; numrul de faze; conexiunea nfurrilor indusului; frecven a n Hz; tensiunea de excita ie la func ionarea n gol i n regi-mul nominal; curentul de excita ie nominal i curentul de excita ie maxim admisibil, n A sau kA. De remarcat c, spre deosebire de transformator, la maina sincron sarcina admisibil nu este caracterizat numai prin puterea aparent ci i prin factorul de putere, deoarece acesta determin valoarea puterii de excita ie. Maina de curent continuu.11

Considerm cazul unei maini de curent continuu cu nfurarea de excita ie alimentat separat i determinm rela ia dintre tensiunea electromotoare (t.e.m.) indus, tensiunea la borne i curentul prin nfurarea indusului, cnd maina func ioneaz n sarcin. A) Maina func ioneaz ca generator. La mersul n gol al mainii, n nfurarea rotorului se induce o t.e.m., E0, pe fiecare cale de curent, egal cu tensiunea UA0 care se poate msura la bornele mainii. Dac maina func ioneaz n sarcin, debitnd un curent IA, t.e.m. indus, E, va fi diferit fa de E0, ca urmare a reac iei indusului. Totodat, i tensiunea UA, la bornele mainii, va diferi fa de t.e.m. E, datorit cderilor ohmice de tensiune n circuitul indusului. Se poate scrie o rela ie ntre E, UA i IA, considernd circuitul mainii n regim de generator din figura 2 (cu sensurile pozitive conform regulii de asociere de la circuitele generatoare) i aplicnd legea induc iei electromagnetice unui contur avnd urmtorul traseu: borna B - prin nfurarea indusului, a polilor auxiliari, eventual, prin nfurarea de compensa ie - borna A - prin aer, pe o linie a tensiunii la borne - borna B (de plecare): (1.8) n care, RA reprezint rezisten a total a circuitului indusului (rezisten a nfurrii indusului, a nfurrii polilor auxiliari i a nfurrii de compensa ie), iar Up este cderea de tensiune n contactul perie-colector. Rela ia de mai sus reprezint ecua ia tensiunilor mainii de curent continuu n regim de generator. Expresia t.e.m. a generatorului este:E= p N n aA Iex E Uex IA UA R

RA I A + U p + U A = E ;

,

(1.9)

n care reprezint fluxul magnetic rezultant din ntrefier, corespunztor unui pol.

B Fig. 1.2. Modul de asociere a sensurilor pozitive pentru tensiuni i curen i, la generatorul de c.c.

Ecua ia caracteristicii magnetice a mainii: = f (I ex , I A )

(1.10)

aceast caracteristic magnetic este neliniar, datorit caracteristicilor de magnetizare neliniare ale diferitelor por iuni ale miezului feromagnetic.

12

n func ie de modul de alimentare a nfurrii de excita ie, la rela iile de mai sus se adaug nc o ecua ie, corespunztoare circuitului de excita ie. n ecua iile de mai sus intervin necunoscutele: UA, Uex, IA i Iex; tura ia n este presupus constant i egal cu tura ia nominal; prin eliminarea a dou variabile rezult o rela ie ntre celelalte mrimi, care, n sistemul de coordonate corespunztor acestor necunoscute, va reprezenta o suprafa . Prin considerarea uneia dintre cele trei mrimi drept parametru (respectiv, prin intersectarea suprafe ei rezultate cu plane paralele la planul format de dou coordonate), se ob in curbe care reprezint caracteristicile de func ionare ale generatorului. B) Maina func ioneaz ca motor. Considerm c maina este conectat la bornele A i B ale unei re ele de curent continuu, absorbind curentul IA prin circuitul indusului, iar nfurarea de excita ie este alimentat separat. Conductoarele nfurrii rotorului (indus), fiind strbtute de curent i aflndu-se n cmpul polilor de excita ie, asupra rotorului se va exercita un cuplu electromagnetic de valoare:M= 1 p N I A 2 a

(1.11)

care va pune n micare indusul, n sensul dat de vectorul J B . Micarea este accelerat pn n momentul n care cuplul electromagnetic este egalat de cuplul total rezistent, Mr, apoi micarea devine uniform, cu tura ia n (figura 3). Sec iunile nfurrii indusului rotindu-se n cmpul polilor de excita ie, n spirele respective se induc t.e.m., pe o cale de curent rezultnd o t.e.m. de valoare:E= p N n a

(1.12)

N

B n

Mr M

S Fig.1.3. Explicativ pentru func ionarea motorului de curent continuu.

Semnul minus arat c t.e.m. are sens invers sensului pozitiv ales, adic are sens invers curentului IA absorbit de motor. ntr-adevr, sensul t.e.m. ntr-o latur oarecare, a unei sec ii,

13

coincide cu sensul vectorului v B determinarea cuplului de rota ie a mainii.

i este opus sensului ales pentru curentul IA, la

Ecua ia tensiunilor mainii, func ionnd ca motor, se scrie considernd circuitul din figura 4 (cu sensurile pozitive conform regulii de asociere de la circuitele receptoare) i aplicnd legea induc iei electromagnetice unui contur care ncepe de la borna A, strbate spirele nfurrii rotorului, ale nfurrii polilor auxiliari, ale nfurrii de compensa ie, ajunge la borna B i se nchide apoi, prin aer, la borna A, pe o linie a tensiunii la borne: (1.13) Completnd rela iile anterioare cu ecua ia corespunztoare circuitului de excita ie iRA I A + U p U A = E

caracteristica de magnetizare a mainii, se ob in ecua iile de func ionare ale motorului de c.c., pe baza crora se pot determina i caracteristicile de func ionare ale acestuia.A Iex E Uex IA UA=U

B Fig. 1.4. Modul de asociere a sensurilor pozitive pentru tensiuni i curen i, la motorul de c.c.

1.4 Elemente generale. Mainile electrice, de tipuri variate, au cmpul magnetic, solena iile i tensiunile electromotoare induse, comune, existnd mult mai multe elemente care sunt aceleai, dect care difer. a) Cmpuri magnetice i solena ii. Cmpul magnetic din mainile electrice este produs de magne ii permanen i sau de nfurri parcurse de curent. El poate fi constant sau variabil n timp, iar axa sa poate fi fix sau n micare fa de armtura n care este produs. Principalele tipuri de cmpuri ce pot fi ntlnite n mainile electrice sunt: 1) Cmp constant i fix (constant n timp cu axa fix n spa iu).BM = BM

(1.14)

Un astfel de cmp se poate produce cu un magnet permanent sau cu o nfurare parcurs de curent constant adic continuu. nfurrile repartizate nchise la colector alimentate n curent continuu la perii la perii produc un cmp constant i fix a crui ax coincide cu axa periilor. 2) Cmp pulsatoriu (variabil n timp cu ax fix n spa iu)14

B = BM sin 1t

(1.15)

3) Cmp nvrtitor (cu valoare constant n axa sa care se rotete). Se poate produce n dou moduri: pe cale mecanic cnd se rotete o armtur n care se produce un cmp constant i fix. pe cale electric, prin compunerea mai multor cmpuri pulsatorii. 4) Cmp alunector (cu valoare constant n axa sa care se deplaseaz liniar). Cmpul magnetic rezultant al armturii unei maini electrice este produs de solena ia rezultant din acea armtur. n cazul nfurrii repartizate nchise la colector solena ia rezultant variaz sub o form triunghiular, valoarea maxim fiind n axa periilor. b) Tensiunile electromotoare induse. Se calculeaz aplicnd legea induc iei electromagnetice, iar direc ia tensiunii electromotoare induse n laturile bobinei se determin cu regula minii drepte ( a lui Fleming). Dac cmpul exterior este unul constant i fix, tensiunea electromotoare indus n bobin cu pas diametral care se rotete ntr-un astfel de cmp rezult:e = N M sin ( t + 0 )

(1.16)

Iar pentru pas scurtat,e = 2 Eb k y sin ( t + 0 )

(1.17)

Dac cmpul exterior este un cmp pulsatoriu atunci tensiunea electromotoare indus ntr-o bobin cu pas polar, care se rotete cu viteza unghiular , este:e = N M [1 cos1t cos(t + 0 ) sin 1t sin (t + 0 )]

(1.18)

Se disting cele dou componente, de pulsa ie, cu amplitudinea dependent de pulsa ia cmpului exterior, i de rota ie cu amplitudinea depinznd de viteza unghiular. n cazul n care cmpul exterior este un cmp nvrtitor, acesta se poate descompune n dou cmpuri pulsatorii, calculndu-se tensiunile electromotoare induse de fiecare cmp, adic:e x = N M [1 cos 1t cos(t + 0 ) sin 1t sin (t + 0 )] e y = N M [1 sin 1t sin (t + 0 ) cos 1t cos(t + 0 )]

(1.19)

i tensiunea rezultant este:e = N M (1 ) cos[(1 ) t 0 ]

(1.20)

La calculul tensiunii electromotoare induse ntr-o nfurare trebuie sumate tensiunile electromotoare induse n bobinele componente. c) Inductivit i. Inductivit ile sunt mrimi asociate fluxurilor magnetice i n consecin se definesc aceleai tipuri de inductivit i ca i de fluxuri, adic;15

1) inductivit i utile sau de cuplaj. 2) Inductivit i de dispersie. n general n electrotehnic se utilizeaz preponderent numele de inductivitate de cuplaj i aceasta se ataeaz fluxului produs de o bobin care strbate (nln uie) aria unei alte bobine. n teoria mainilor electrice se definete i se utilizeaz inductivitatea util sau de magnetizare, asociat fluxului care nu se nchide n jurul bobinei n care a fost produs. Inductivit ile utile i de cuplaj se determin n procesul calcului tensiunilor electromotoare induse.

2. MICROMOTOARE DE INDUC IE. Motoarele de induc ie de putere mai mic de un 1 kW se numesc micromotoare de induc ie. Se folosesc ca i motoare de ac ionare n automatizri industriale i n condi ii climatice i medii diferite de cele normalizate. Pot avea diverse forme constructive: cu poli neca i, cu poli aparen i, cu rotor cilindric, cu rotor disc, etc. Clasificare a micromotoarelor de induc ie: 1. numrul fazelor statorice: a. trifazate; b. bifazate simetrice sau nesimetrice; c. monofazate; 2. dup tipul i nfurarea rotorului: a. cu rotor cilindric, din tole cu nfurarea n colivie normal, din fier masiv, sau nemagnetic (sub form de pahar); b. cu rotor disc din fier masiv sau nemagnetic; 3. dup sistemul tensiunilor de alimentare: trifazat simetric, bifazat, monofazat la frecven a de 50 Hz sau la frecven e mai mari; Mainile asincrone de mic putere se folosesc aproape numai sub form de motoare. Dac n domeniul puterilor medii i mari au o nsemntate preponderent motoarele asincrone trifazate, n domeniul puterilor mici locul nti este de inut de motoarele asincrone monofazate. Astfel, motoarele monofazate pn la 500 W reprezint peste 90% din totalul puterii electrice fabricate. Aceasta se explic prin faptul c cea mai mare parte a instala iilor deservite de motoare de mic putere este alimentat monofazat, cum i prin posibilitatea alimentrii motoarelor monofazate i de la re eaua trifazat.

16

n cazul alimentrii monofazate se folosete pentru producerea unui cuplu de pornire un bobinaj auxiliar statoric sau o spir n scurtcircuit, aezat de asemenea pe polii statorici (motorul cu poli ecrana i). Sub denumirea de motoare monofazate vom n elege acele motoare la care tensiunea de alimentare pentru diversele nfurri este aceeai; motoarele se vor considera bifazate atunci cnd exist dou tensiuni de alimentare care se deosebesc ca amplitudine sau ca faz. 2.1. Micromotoare de induc ie trifazate. 2.1.1.Construc ia i func ionarea micromotoarelor de induc ie trifazate. Aceste motoare au cptat o utilizare relativ larg, datorit construc iei simple i siguran ei n func ionare. Motoarele electrice asincrone trifazate de mic putere se folosesc n special n instala iile cu alimentare independent din industria uoar i n instala iile cu mai multe motoare auxiliare la strungurile automate. Unul dintre domeniile interesante n care se folosete motorul asincron trifazat este cel al motoarelor de tura ie nalt pentru lefuirea orificiilor de mare fine e. Caracteristic pentru aceste motoare este faptul c, n scopul ob inerii unui cuplu de pornire ridicat, rezisten a rotoric este relativ mare, ceea ce atrage dup sine i o valoare relativ mare a alunecrii la sarcina nominal. Micromotoarele de induc ie se produc n general n serie unitar pn la minimum 180 W. Construc ia lor este similar cu a motoarelor de putere medie. n figura 2.1.1 este prezentat un micromotor de induc ie trifazat cu rotor n colivie de construc ie nchis fr cutia de borne, care ar mri considerabil dimensiunile geometrice.

Fig. 2.1.1. Micromotor de induc ie trifazat cu rotor n colivie

17

Se disting urmtoarele: 1 nfurarea statoric repartizat n crestturi, 2 carcasa, 3 miezul statoric, 4 miezul rotoric, 5 nfurarea rotoric n colivie cu bare nclinate, 6 scuturi cu rulmen i i 7 axul motorului. nfurarea statoric trifazat are fazele conectate n stea sau n triunghi. Dac se alimenteaz de la o re ea trifazat simetric atunci curen ii din nfurarea statoric determin n ntrefierul mainii un cmp magnetic nvrtitor circular ce se rotete cu viteza ns = fS/p. Cmpul magnetic nvrtitor induce n nfurrile statorice i rotorice t.e.m. induse. T.e.m. induse n nfurrile nchise ale rotorului determin un sistem simetric de curen i, care produc cmpul magnetic de reac ie al rotorului, de asemenea un cmp magnetic nvrtitor circular. Rezultatul interac iunii dintre cele dou cmpuri magnetice este cuplul electromagnetic al mainii, care variaz n func ie de viteza de rota ie n a rotorului. Alunecarea rotorului fa de cmpul magnetic nvrtitor este:s= nS n n =1 nS ns (2.1.1)

Rotorul micromotoarelor de induc ie se poate executa i din fier masiv. n acest caz se poate considera c nfurarea rotoric este format dintr-o pelicul circular de grosime mic ce reprezint adncimea de ptrundere a cmpului variabil n rotorul masiv. Adncimea de ptrundere este dependent de frecven a din rotor fR = s fS, deci de alunecare. Rotorul micromotoarelor de induc ie se poate executa i din material neferomagnetic sub forma unui pahar, ca n figura 2.1.2 unde s-au notat: 1 carcasa, 2- miezul statoric, 3 rotorul pahar, 4 bobinajul statoric, 5 miezul rotoric fix i 6 scutul portlagr.

Fig. 2.1.2. Micromotorul de induc ie cu rotorul n form de pahar

n regim simetric sinusoidal pentru motorul trifazat, cu cmp magnetic nvrtitor circular, se poate utiliza schema echivalent clasic a unui motor de induc ie. Spre deosebire de motoarele de induc ie de puteri medii i mari la micromotoarele de induc ie de puteri medii i mari la micromotoarele de induc ie rezisten a nfurrii statorice RS

18

nu este neglijabil n raport cu reactan ele de scpri. Din acest motiv se definesc alunecarea critic sk i raportul cu rela iile:sk = RR R +X2 S 2

; =

RS R +X22 S

(2.1.2)

unde X este reactan a de scurtcircuit a mainii: X = X S + X R Cuplul electromagnetic raportat la cuplul critic Tk este: (2.1.3)

T 2(1 + ) = Tk s k s + + 2 s sk unde cuplul critic are expresia:2 US

(2.1.4)

Tk = 3

p

2 S ( + 1) RS + X 2

(2.1.5)

Caracteristica mecanic a micromotoarelor de induc ie cu nfurare rotoric n colivie este n Fig. 2.1.3 (curba 1). Dac rotorul micromotorului de induc ie este executat din fier masiv, atunci rezisten a echivalent a rotorului raportat la stator RR crete de cteva ori fa de construc ia clasic i este variabil cu alunecarea. Reactan a de dispersie rotoric raportat la stator XR se reduce din cauza lipsei crestturilor rotorice i depinde de alunecare tot datorit varia iei adncimii de ptrundere. Deoarece rotorul este din fier masiv crete curentul de magnetizare, cresc pierderile n fier, scade reactan a de magnetizare Xm i crete rezisten a de pierderi n fier Rm din schema echivalent.

Fig.2.1.3 Caracteristica mecanic a micromotoarelor de induc ie

Aceste modificri ale parametrilor schemei echivalente conduc la creterea alunecrii nominale, creterea curentului rotoric, creterea pierderilor n fier i n nfurri, deci la scderea randamentului.

19

Datorit creterii rezisten ei rotorice i a varia iei ei cu alunecarea caracteristica mecanic este neliniar n domeniul de motor, iar alunecarea critic este supraunitar sk > 1 (curba 3 Fig. 2.1.3). La micromotoare de induc ie cu rotor pahar, Fig.2.1.3, din cauza rotorului nemagnetic de grosime 0,6 1,2 mm ntrefierul este mult mai mare dect la motoarele de construc ie clasic. Creterea ntrefierului conduce la creterea curentului de magnetizare im, i la reducerea reactan ei de magnetizare Xm a circuitului magnetic. Din cauza grosimii reduse a rotorului pahar rezisten a echivalent a rotorului raportat la stator RR crete de cteva ori (310) ori fa de construc ia clasic iar reactan a de scpri a nfurrii rotorice raportate la stator XR se reduce aproape n acelai raport. Deoarece circuitul magnetic rotoric din ntrefier este fix, cresc pierderile n fier i crete rezisten a de pierderi n fier Rm din schema echivalent. Parametrii rotorului sunt independen i de alunecare deoarece grosimea paharului este mai mic dect adncimea de ptrundere n materialul nemagnetic. Aceste modificri ale parametrilor schemei echivalente conduc la creterea curentului de magnetizare im i la scderea factorului de putere. Cresc de asemenea pierderile n fier i pierderile n nfurrile statorice i rotorice, deci randamentul scade. Datorit creterii rezisten ei rotorice raportate crete alunecarea critic sk. Cuplul Tk are loc la o alunecare sk > 1. Din acest motiv n domeniul de motor, caracteristica mecanic se modific, curba 2 fiind aproximativ liniar. La micromotoarele de induc ie cu rotor pahar sau cu disc nemagnetic momentul de iner ie J al rotorului este mult redus n compara ie cu construc ia clasic a rotorului. Constanta de timp electromecanic Tm, definit ca timpul n care, micromotorul de induc ie ajunge la viteza de sincronism nS pornind n gol cu un cuplu constant egal cu cuplul de pornire Tp este:

Tm = J

STp

(2.1.6)

Se constat c pentru micromotoare de induc ie cu rotor pahar constanta de timp electromecanic este i mai redus din cauza cuplului de pornire. 2.1.2. Modificarea vitezei de rota ie a micromotoarelor de induc ie trifazate. Modificarea vitezei de rota ie a micromotorului de induc ie trifazat se poate realiza prin dou procedee: reducerea tensiunii de alimentare i modificarea frecven ei tensiunii de alimentare. Reducerea tensiunii de alimentare are ca efect modificarea caracteristicii mecanice prin modificarea cuplului critic Tk, care este propor ional cu ptratul tensiunii. Domeniul de modificare al tura iei este cu att mai mare cu ct alunecarea critic sk este mai mare. n Fig.20

2.1.4 a se indic modificarea caracteristicii mecanice pentru motoare de construc ie clasic, la cele cu rotor masiv n Fig.2.1.6b, iar pentru cele cu rotor nemagnetic n Fig. 2.1.6c.

Figura 2.1.4. Caracteristicile mecanice ale micromotoarelor de induc ie pt. diferite tensiuni de alimentare

Se contat c modificarea tura iei prin aceast metod se poate aplica pe un domeniu larg,

i prezint multe avantaje la motoarele cu rezisten rotoric mrit. Reducerea tura iei prinreducerea tensiunii de alimentare determin creterea pierderilor n nfurri i nrut irea condi iilor de rcire; de aceea puterea motorului trebuie mai mult dect propor ional cu reducerea tensiunii. Metoda de modificare a tura iei prin reducerea tensiunii nu se poate aplica la ac ionri care solicit cuplul de pornire mrit. Modificarea tensiunii se realizeaz adesea prin variatoare de tensiune. n cazul reducerii tensiunii realizat prin ntrzierea conduc iei elementelor semiconductoare cu unghiul de ntrziere tensiunea de alimentare a motorului este

nesinusoidal. Armonica fundamental are amplitudinea variabil cu unghiul de ntrziere . Armonicele superioare ale tensiunii mresc pierderile fier i n nfurri, prin apari ia armonicilor de curen i, i produc cupluri parazite. Toate acestea conduc la micorarea puterii utile a motorului. n concluzie, chiar la motoarele cu rezisten mrit n rotor aceast metod este rar aplicat. Modificarea frecven ei tensiunii de alimentare, fS, are urmtoarele efecte: fluxul n main variaz aproximativ invers propor ional cu fS; reactan ele mainii se modific propor ional cu fS; rezisten a rotoric se modific, n special la valori mari ale lui fS (datorit efectului pelicular); pierderile n fier se modific, ele fiind propor ionale n parte cu frecven a i n parte cu ptratul frecven ei; cuplul de pornire, cuplul critic i alunecarea critic se modific; Pentru o mai bun utilizare a mainii este necesar:

21

men inerea constant a fluxului, pentru a avea cuplu constant i a evita saturarea miezului; nedepirea nclzirii admisibile, prin men inerea ntre anumite limite a pierderilor, din cauza izola iei; realizarea unui coeficient de suprancrcare, raport ntre cuplul maxim, i cuplul nominal, obinuit, din cauza siguran ei n func ionare. Aceste limitri se rezolv prin alegerea regimului de func ionare cu flux constant la frecven e mai mici dect cele nominale i func ionare la tensiune constant la frecven e mai mari. Din ecua ia de tensiune a nfurrii statorice n regim sta ionar: (2.1.7)

U S = RS + j Srezult c fluxul:

S =

U S RS I S j S j S

(2.1.8)

este men inut constant cu aproxima ie, dac raportul US/fS este constant neglijnd al doilea termen. La frecven e mici influen a cderii de tensiune RS IS este important, de aceea raportul US/fS se corecteaz. n ceea ce privete alunecarea critic ea crete, iar cuplul critic scade cu scderea frecven ei ca n Fig.2.1.7. La tura ii, deci frecven e, mai mici dect cele corespunztoare caracteristicii naturale, notate cu fN n Fig.2.1.7 pierderile scad, pierderile mecanice de asemenea. Condi iile de rcire se nrut esc, iar puterea mainii se reduce propor ional cu tensiunea dar practic cuplul rmne constant. n cazul creterii frecven ei peste cea nominal, tensiunea de alimentare poate fi mrit numai ntr-o mic msur, i din acest motiv fluxul n motor scade invers propor ional cu frecven a. Practic pierderile n fier rmn constante, ns cresc pierderile mecanice i n nfurri datorit fenomenului de refulare a curentului, care are ca efect creterea rezisten ei rotorice raportate. Creterea rezisten ei rotorice raportate face ca alunecarea varieze, dar cuplul critic se micoreaz aa cum indic Fig.2.1.5. Cu toate c condi iile de rcire se mbunt esc puterea mainii nu poate fi mrit, deci motorul lucreaz la putere constant i cuplul variabil. Un fenomen ce apare n plus este faptul c tensiunea de alimentare de vine nesinusoidal, deci apar pierderi suplimentare, care depind de con inutul de armonici al tensiunii (curentului ) de alimentare. O schem cu invertor trifazat, realizat cu tranzistoare este prezentat n Fig.2.1.6. Invertorul poate fi comandat n regim PWM, permi nd modificarea tensiunii odat cu frecven a.22

critic s nu

Fig. 2.1.5. Caracteristicile mecanice ale motoarelor de induc ie pentru diferite frecven e n cazul US/fS cst.

Fig.2.1.6. Schema de principiu a unui invertor trifazat cu tranzistoare

2.2.Micromotoare de induc ie monofazate.Generalit i: Motoarele asincrone monofazate sunt asemntoare cu cele trifazate, rotorul fiind identic; ceea ce le deosebete este modul de producere a cmpului inductor statoric. Se tie c o nfurare monofazat dispus pe periferia unei armturi a unei maini electrice i parcurs de un curent alternativ produce n ntrefierul mainii un cmp alternativ care pulseaz cu frecven a curentului de alimentare. Un astfel de cmp se poate considera ca fiind format prin suprapunerea a dou cmpuri magnetice nvrtitoare de amplitudine pe jumtate, care se rotesc cu viteza de sincronism n sensuri contrare. Evident c un rotor (bobinat sau n colivie) aflat ntr-un astfel de cmp nu pornete. Pentru a putea porni el trebuie scos din pozi ia de repaus, ntr-un sens sau n altul. n aceast situa ie, cuplul corespunztor cmpului direct va crete, deoarece alunecarea scade, iar cel corespunztor cmpului invers se va micora, deoarece alunecarea va crete. Apare un cuplu rezultant care provoac nvrtirea rotorului n sensul n care a fost scos din starea de repaus; are loc o accelerare pn cnd cuplul util i cel rezistent devin egale, motorul continund s func ioneze la aceast tura ie din urm tura ie att ct cuplul rezistent rmne constant. Cu toate c reprezint cel mai simplu mod de pornire al motorului monofazat, pornirea manual, din cauza incomodit ii, se folosete rar. n general, pentru pornirea motoarelor monofazate se folosete o faz auxiliar statoric. Se tie c un sistem de dou nfurri identice decalate spa ial cu 90 grade electrice, parcurse de curen i de aceeai amplitudine dar n cuadratur, produce un cmp nvrtitor circular. Dac decalajul spa ial sau defazajul temporal difer de cele23

descrise mai sus sau dac nfurrile nu sunt identice, cmpul nvrtitor ce ia natere nu este circular ci eliptic. Dup felul producerii cuplului de pornire, motoarele asincrone monofazate se clasific n: a) motoare care utilizeaz nfurarea auxiliar numai pentru pornire, aceasta fiind deconectat la sfritul pornirii: i. motoare asincrone monofazate cu faz auxiliar (sau cu rezisten sau reactan de pornire); ii. motoare asincrone monofazate cu condensatoare de pornire. b) motoare cu nfurarea auxiliar conectat permanent: i. motoare asincrone monofazate cu condensatoare de pornire i condensator conectat permanent; ii. motoare asincrone monofazate cu condensator conectat permanent; iii. motoare asincrone monofazate cu spir n scurtcircuit.

2.2.1.Construc ia i func ionarea micromotoarelor de induc ie monofazate. Micromotoarele de induc ie monofazate cu o singur nfurare pe stator nu se construiesc n prezent, dar cele dou nfurri, sau cu trei nfurri pot lucra n regim de alimentare monofazat. nfurarea statoric a unei faze nu ocup toate crestturile statorului, este repartizat n 2/3 din crestturile statorului i din acest motiv greutatea specific pe faz este mult mai mare dect la motoarele trifazate. Rotorul este cu nfurare n colivie. Curentul absorbit din re eaua monofazat de alimentare parcurge nfurarea statoric produce un cmp magnetic pulsator dirijat dup axa nfurrii i variabil n timp cu frecven a curentului de alimentare statoric fS. Cmpul pulsator se poate considera c este echivalentul a dou cmpuri nvrtitoare de amplitudini egale i care se rotesc n sensuri opuse cu viteze egale.

Fig. 2.2.1. Echivalarea motorului monofazat cu dou motoare trifazate 24

Astfel motorul monofazat poate fi considerat ca fiind echivalentul a dou motoare de induc ie trifazate cu rotor comun i dou statoare a cror nfurri sunt conectate n serie astfel nct cmpurile magnetice nvrtitoare produse s se roteasc n sensuri opuse (Fig.2.2.1.). Deoarece rotorul este comun i el se rotete cu viteza n, alunecrile rotorului fa de cele dou cmpuri vor fi: - fa de cmpul care se rotete n sensul de rota ie al rotorului, numit cmp direct: sd = - fa de cmpul invers: si = n S n nS + n = = 2s nS nS (2.2.2) nS n =s nS (2.2.1)

Fiecrui motor simetric i corespunde o schem echivalent (Fig.2.2.2.).

Fig.2.2.2. Schema echivalent a motorului de induc ie monofazat

Astfel, schema echivalent a motorului monofazat se compune din dou scheme echivalente ale motorului trifazat nseriate. Cuplul dezvoltate de motor se poate calcula cu uurin ca diferen a dintre cuplurile date de cele dou motoare simetrice. Din analiza caracteristicilor se poate ob ine(Fig.2.2.3.): - cuplul de pornire Tp al motorului monofazat este nul; - motorul se poate roti spre dreapta sau spre stnga cu acelai cuplu;' - alunecarea ideal de mers n gol s0 > 0 , deci motorul are tura ie ideal de mers n gol ' n0 < n S ;

- nu exist regim de frn propriu-zis, ci numai regim de generator, pentru s > 2 si s < 0.

25

Fig.2.2.3.Componentele cuplului mainii monofazate.

2.2.2.Modificarea vitezei micromotoarelor de induc ie monofazate. Modificarea vitezei de rota ie a motorului de induc ie monofazat se poate realiza prin dou procedee: reducerea tensiunii de alimentare i modificarea frecven ei de alimentare, similar ca n cazul motorului trifazat. Deoarece rezisten a rotoric a motorului este obinuit, domeniul de modificare al tura iei prin modificarea tensiunii de alimentare este redus.

2.3.Micromotoare de induc ie monofazate cu faz auxiliar.Acestea sunt maini de induc ie cu dou nfurri, identice sau diferite. Una dintre nfurri, cea principal, este repartizat n 2/3 din crestturile statorului i se alimenteaz direct de la re eaua monofazat. Cealalt nfurare, numit auxiliar, se poate decupla dup pornirea motorului sau poate rmne alimentat n serie cu o impedan .

2.3.1.Construc ia micromotoarelor de induc ie monofazate cu faz auxiliar. Constructiv acest motor de induc ie bifazat este cu nfurri nesimetrice (Fig.2.3.1.). Axele celor dou nfurri sunt perpendiculare, raportul de transformare fiind kt.

Fig.2.3.1. Schema electric a mainii cu faz auxiliar.

Rotorul are nfurarea n colivie normal sau cu refularea curentului.

26

Pentru a produce cuplu de pornire este necesar defazarea solena iilor pulsatorii produse de cele dou nfurri. nfurrile fiind alimentate de la aceeai re ea n serie cu nfurarea auxiliar se conecteaz o impedan (rezisten , capacitate). Curentul din faza auxiliar va fi: I aux = U Z auxsc + Z (2.3.1)

Cuplul maxim de pornire este de forma:

T p max = kT I pr I aux tg sc 2

(2.3.2)

unde kT este constanta de cuplu a mainii, argumentul impedan ei Z , iar sc argumentul impedan ei de scurtcircuit al fazei principale Z pr sc . Diferen a (sc - ) este defazajul dintre curen ii din cele dou nfurri, dac nfurrile sunt identice. Dac impedan a este R, atunci = 0. Dac im0pedan a este Z = j / C , atunci = /2. Valorile de rezisten ei, respectiv a condensatorului se determin analitic, din construc ia diagramei curen ilor pentru pornire n cele dou situa ii. Dac cele dou nfurri sunt identice se poate demonstra c impedan a Z este egal cu impedan a de scurtcircuit a unei faze. De obicei valoarea condensatorului astfel determinat nu permite func ionarea ndelungat a motorului. Din acest motiv, dup pornire, o parte din condensatorul de pornire se decupleaz sau se leag n serie, rmnnd n circuit numai condensatorul de lucru. n Fig.2.3.2 10 sunt prezentate caracteristicile mecanice ale motorului monofazat (1), cu condensatorul de lucru (2) i cu condensator de pornire (3). Se constat c viteza de rota ie, cuplul de rsturnare, performan ele energetice ale motorului sunt dependente de valoarea capacit ii condensatorului. Un condensator de o anumit valoare poate asigura func ionarea motorului cu cmp nvrtitor circular numai pentru o sarcin dat. Odat cu schimbarea sarcinii motorului se schimb i forma cmpului, deci ar trebui modificat condensatorul.

Fig. 2.3.2 Caracteristicile tipice ale motoarelor monofazate cu condensator

27

Comanda motoarelor de induc ie monofazate cu faz auxiliar se poate realiza prin comanda n tensiune a fazei auxiliare i prin modificarea frecven ei tensiunii de alimentare. Comanda n tensiune a fazei auxiliare, realizat ca i la servomotoare, asigur un domeniu redus de modificare a tura iei. 2.3.2.Micromotoare monofazate cu poli ecrana i. Motoarele cu poli ecrana i sunt motoare de induc ie monofazate care au o nfurare auxiliar n scurtcircuit, a crui ax este decalat spa ial fa de axa nfurrii principale. Datorit avantajelor legate de simplitatea lor constructiv, de siguran a lor n func ionare i de func ionarea linitit fr parazi i radiofonici, micromotoarele cu poli ecrana i (sau spir n scurtcircuit) sunt utilizate la ac ionarea ventilatoarelor, usctoarelor de pr, a pompelor mici, a jucriilor, a echipamentelor de telecomand i reglare automat, a mainilor de splat. Aceste motoare se rotesc ntr-un singur sens i anume spre partea ecranat a polului. Schimbarea sensului de rota ie se poate face numai la motoare cu dou nfurri ecran, care se pot scurtcircuita din exterior. Motorul cu poli ecrana i este un motor nereversibil, convenabil numai pentru puteri foarte mici, datorit cuplului de pornire relativ slab i a randamentului sczut. n schimb ele reprezint forma cea mai simpl de motor de curent alternativ sigur n exploatare, cu pre redus de cost, uor de construit i ntre inut, func ioneaz fr zgomot i nu provoac parazi i radiofonici. Construc ia i func ionarea micromotoarelor monofazate cu poli ecrana i. Datorit multiplelor utilizri, micromotoarele cu poli ecrana i sunt produse ntr-o diversitate de forme ale geometriei transversale i longitudinale. n Fig. 2.3.3 sunt prezentate vederile de ansamblu ale micromotoarelor bipolare cu poli aparen i n dou construc ii: cu dou bobine i cu o monobobin.

Fig.2.3.3 Construc ia micromotoarelor cu poli ecrana i

Pachetul statoric 1 este prevzut cu spir n scurtcircuit 2. Cei doi poli sunt uni i, ntre coarnele polare printr-o punte sau un unt magnetic 5, detaabile la construc ia cu dou bobine. Cele dou bobine concentrice 3 sunt izolate fa de miez cu materiale electroizolante 4. La construc ia cu monobin puntea magnetic formeaz o pies comun cu coarne polare. Rotorul 6 este prevzut cu o nfurare n colivie din aluminiu sau cupru avnd barele28

nclinate. Dac distan a dintre coarnele polare este mic, nu se utilizeaz pun i magnetice. La puteri de peste 100-150 W se construiesc cu poli neca i asemntor micromotoarelor de induc ie monofazate. n func ie de tipul de protec ie al motorului i condi iile de exploatare apar diverse forme de carcase. La unele construc ii rolul carcasei este preluat de pachetul de tole statorice. Solena ia spirei ecran este repartizat dreptunghiular sau trapezoidal dac este vorba de mai multe spire. Armonicile fundamentale ale celor dou solena ii sunt defazate n timp cu unghiul deoarece solena ia spirei ecran este determinat de t.e.m. indus n spir de fluxul de excita ie.

Fig. 2.3.4. Compunerea solena iilor

Cele dou solena ii sunt decalate n spa iu cu unghiul .

Fig. 2.3.5 Schema micromotorului cu poli ecrana i

Aceste solena ii determin n ntrefierul mainii sub por iunea neecranat a polului fluxul 1, iar sub por iunea ecranat fluxul 2, fluxuri calculate cu legea lui Ohm din circuitul simplificat al mainii. Armonicile fundamentale ale celor dou solena ii determin o solena ie nvrtitoare eliptic care se poate descompune n dou solena ii nvrtitoare circulare: direct Fd

i invers Fi.

29

Caracteristicile motorului cu poli ecrana i sunt determinate de aceste dou solena ii nvrtitoare circulare. Cuplul rezultant se ob ine prin nsumarea cuplurilor date de cele dou solena ii. Solena ia mainii con ine armonici superioare de ordin impar, cea mai mare amplitudine avnd ordinul 3 i este pulsatorie. Se poate considera c reprezint echivalentul a dou solena ii nvrtitoare de amplitudini egale i care se rotesc n sensuri opuse cu viteze egale. Solena ia nvrtitoare de armonic de ordinul trei este spa ial i eliptic i are viteza de teri ori mai mic dect armonica fundamental. Alunecarea rotorului fa de aceast solena ie armonic direct este: s3 d = nS / 3 n nS 3(1 s )nS = = 3s 2 nS / 3 nS (2.3.3.)

Cmpul dat de armonica de ordinul 3 a solena iei care se rotete direct determin un cuplu de tip asincron care se anuleaz la 0 i 2/3. Alunecarea cmpului dat de armonica de ordinul 3 a solena iei care se rotete invers este dat de: s 3 i = 4 3s rotete invers, se anuleaz la 0 i la s = 4/3. Cuplul rezultant are alura: Cuplul critic Tmax se micoreaz, deci capacitatea de suprancrcare a motorului este mai mic dect n cazul motoarelor de induc ie clasice trifazate. Performan e energetice: randamentul slab, curentul nu variaz mult de la pornire la mersul n sarcin, iar factorul de putere este mai mic dect la motoare cu faza auxiliar i condensator. Modificarea vitezei de rota ie a motorului se poate face prin modificarea tensiunii ntrun domeniu restrns de viteze, i prin modificarea frecven ei pe un domeniu destul de larg. (2.3.4)

n acest caz cuplu asincron determinat de cmpul dat de armonica de ordinul trei care se

2.4.Micromotoare de induc ie cu dou nfurri statorice (bifazate).Generalit i: Servomotoarele fac parte din elementele principale ale sistemelor de automatizare, ele ndeplinind rolul de element de execu ie. Servomotoarele electrice sunt destinate s transforme un semnal electric, primit de regul sub forma unei tensiuni de comand, ntr-o micare de rota ie a arborelui prin intermediul cruia este antrenat mecanismul care execut opera ia comandat. Micromotoarele de induc ie cu dou nfurri identice se execut cu rotor: clasic;30

nemagnetic sau masiv astfel nct alunecarea critic s fie supraunitar, sk >1. Aceste motoare cu rotor nemagnetic se mai numesc i servomotoare bifazate. n func ie de obiectul reglajului, servomotoarele sunt puse s func ioneze n condi ii foarte variate, att n privin a caracteristicilor, ct i a vitezelor, puterilor tensiunilor, frecven elor, condi iilor exterioare etc. Aceasta explic i marea diversitate a tipurilor de motoare electrice ntrebuin ate n prezent. Ca elemente de execu ie se ntlnesc motoare electrice asincrone cu puteri cuprinse ntr-o gam foarte larg: de la puteri de ordinul wa ilor sau chiar al frac iunilor de watt pn la puteri de ordinul miilor sau zecilor de mii de kilowa i. n mod curent ns, n sfera no iunii de servomotor se cuprind numai motoarele cu puteri mai mici de 500-600 W i care sunt susceptibile la reglajul tura iei. La alegerea servomotoarelor, ca i n proiectarea i construc ia lor, trebuie s se in seama c, datorit rolului important pe care l au sistemele de automatizare, ele trebuie s posede o serie de calit i, dintre care cele mai importante sunt: posibilitatea reglajului n limite largi al vitezei unghiulare a rotorului, realizabil prin varia ia parametrilor tensiunii de comand (amplitudine, faz sau mixt); stabilitatea i siguran a func ionrii pentru ntreaga gam de viteze; liniaritatea caracteristicilor mecanice i de reglaj; absen a autopornirii; s aib un cuplu de pornire mare; s necesite o putere de comand mic; s aib o vitez de rspuns mare; s aib gabarit i greutate mici (se construiesc pentru frecven e mai mari 50 Hz, pn la 400 Hz). Servomotoarele asincrone bifazate, n special acelea cu rotorul n form de pahar din aluminiu, se caracterizeaz printr-o serie de avantaje, dintre care cele mai importante sunt: construc ie simpl i absen a colectorului; momentul de iner ie al rotorului foarte mic; cuplul de pornire mare; capacitatea de autofrnare; posibilitatea de varia ie n limite foarte largi a vitezei de rota ie; func ionarea lin i nezgomotoas; cuplul de frecri mic, absen a parazi ilor radiofonici i siguran a n exploatare. Ele prezint totodat i o serie de dezavantaje nsemnate, dintre care: randamentul redus; factorul de putere sczut;31

2.4.1.Construc ia i func ionarea servomotoarelor de induc ie bifazate Aceste motoare au pe stator dou nfurri identice decalate cu /2 radiani electrici. Dac se alimenteaz numai una dintre cele dou nfurri, nfurarea de excita ie, atunci cmpul magnetic statoric este un cmp pulsatoriu (variabil n timp cu o ax fix n spa iu) i servomotorul func ioneaz ca un motor de induc ie monofazat ns din cauza sk > 1 caracteristica mecanic difer de caracteristica mecanic uzual prin faptul c n domeniul 0< s < 1 cuplul este negativ, iar n domeniul 1 < s < 2 pozitiv , deci maina lucreaz n regim de frn. n fig.2.4.1 sunt prezentate caracteristicile mecanice ale servomotoarelor asincrone bifazate.

Fig.2.4.1Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor bifazate

Cele dou nfurri se pot alimenta cu tensiuni diferite i defazate n timp cu unghiul electric . nfurrile fiind identice, raportul solena iilor este egal cu raportul tensiunilor de alimentare k. Cele dou solena ii pulsatorii decalate n spa iu i defazate n timp determin o solena ie nvrtitoare eliptic: F = F 1 + F 2 e j cuadratur). Solena ia nvrtitoare eliptic se poate nlocui cu dou solena ii nvrtitoare de amplitudine Fd, Fi diferite, avnd expresiile: (2.3.5)

care se transform ntr-o solena ie nvrtitoare circular dac k = 1 i = /2 (tensiuni egale i n

1 F 1 (1 + jke j ) 2 1 F i = F 1 (1 + jke j ) 2 Fd =cuplu Td, respectiv Ti, , iar suma lor este cuplul rezultant T.

(2.3.6)

care se rotesc n sensuri opuse cu aceeai vitez nS. Fiecare solena ie determin o component de

32

Se constat c: motorul are un cuplu de pornire cu att mai mare cu ct solena ia invers este mai mic; motorul are un cuplu pozitiv n domeniul s0 < s < 1, deci lucreaz ca motor numai ntrun singur sens de rota ie; Caracteristica mecanic n domeniul motor este aproape liniar (depinde de construc ia motorului).

2.4.2.Comanda servomotoarelor de induc ie bifazate. Modificarea vitezei const n modificarea caracteristicii mecanice a servomotorului. Modificarea caracteristicii mecanice se poate realiza prin modificarea componentei inverse a solena iei, adic prin modificarea amplitudinii k sau a fazei a tensiunii de alimentare a nfurrii de comand. Procedee de comand: comanda de amplitudine (se modific k) comanda de faz (se modific ) comanda mixt ( se modific k, );

Fig.2.4.2 Caracteristica mecanic pentru diferite procedee de comand.

Mainile bifazate cu rotor pahar se pot folosi ca tahogeneratoare. n acest caz nfurarea de excita ie se alimenteaz n c.a. i produce cmp pulsator . Acest cmp pulsator nu induce t.e.m. n nfurarea de comand (de ieire) dac rotorul este n repaus. Dac rotorul se rotete, atunci n el se induce t.e.m. de rota ie i se produce un cmp magnetic nvrtitor rotoric care induce t.e.m. n nfurarea de ieire (comand). Servomotoarelor li se impun n general urmtoarele condi ii:

33

lipsa autofunc ionrii, adic oprirea motorului la ntreruperea comenzii; caracteristica mecanic care s asigure o reglare stabil a vitezei n limite largi. n fig. 2.4.2 se observ varia ia caracteristicii mecanice pentru diferite procedee de comand.

3. MAINI SINCRONE SPECIALE.Maina sincron n construc ie conven ional este utilizat n principal ca generator, echipnd majoritatea centralelor electrice. Practic, peste 95% din puterea electric produs este ob inut de la generatoare sincrone, acestea avnd performan e energetice foarte bune. Utilizarea mainii sincrone n construc ie normal ca motor a fost destul de redus pn la dezvoltarea convertoarelor electronice de putere. Alimentat prin convertoare electronice de putere, motorul sincron poate fi pornit fr probleme i poate fi utilizat n ac ionri cu tura ie variabil. Utilizarea convertoarelor electronice de putere pentru alimentarea motoarelor sincrone face posibil renun area la colivia de pornire rotoric precum i la modificarea curentului ed excita ie. S-au dezvoltat n consecin motoare sincrone cu excita ie cu magne i permanen i sau fr excita ie.

3.1.Maina sincron cu poli n ghear.3.1.1.Structura mainii sincrone cu poli n ghear. Structura cu poli n ghear este tipic homopolar i poate fi ntlnit la diferite tipuri de maini. Att rotorul ct i statorul se pot construi n aceast variant de structur, care este foarte simpl, utiliznd o singur nfurare pentru to i polii alternan i ob inu i tocmai prin construc ia cu poli n ghear. Cea mai cunoscut main care se construiete n aceast variant, adic cu poli n ghear, este maina sincron. Generatorul sincron cu poli n ghear reprezint cel mai vechi tip de generator sincron construit. Primul astfel de generator s-a utilizat ca generator trifazat n 1881 pentru alimentarea liniei trifazate de transport de energie electric ntre Lauffen

i Frankfurt pe Main n Germania. Ulterior s-a renun at la aceast construc ie pentrugeneratoarele sincrone cu poli ghear au cunoscut o dezvoltare important, ele fiind utilizate ca generatoare de putere mic i medie pe vehicule autonome, n special automobile. n fig. 3.1 este prezentat structura unui generator sincron cu poli n ghear. Este eviden iat rotorul format din dou piese, fiecare cu cte ase poli ghear, nfurarea, constituit dintr-o singur bobin, fiind plasat ntre polii ghear i axul rotoric. Statorul are o construc ie normal pentru maina sincron, avnd crestturi i nfurare repartizat deschis, care nu este34

reprezentat n fig. 3.1. Fluxul de tip homopolar produs de curentul de excita ie ce parcurge bobina cilindric devine, datorit polilor n ghear, un flux de tip heteropolar n ntrefier i induce tensiuni electromotoare de varia ie aproximativ sinusoidal n nfurrile statorice la rotirea rotorului. Reac ia indusului reduce i deformeaz cmpul inductor. Construc ia aceasta cu inductor de tip homopolar i poli n ghear este simpl, compact, dar reprezint o dispersie important, deci un flux util redus.

Fig. 3.1 Structura unui generator sincron cu rotor cu poli n ghear; 1 miezul statoric, 2 miezul rotoric

Fig.3.2 Alternator complet echipat produs de firma Bosch pentru automobile obinuite

n fig. 3.2 este prezentat o sec iune par ial printr-un alternator complet echipat produs de firma Bosch pentru automobile obinuite, eviden iindu-se generatorul sincron cu poli n ghear i ax i cu nfurarea indus uniform distribuit dispus n crestturile statorului. n figura 2 sunt urmtoarele pr i componente: 1 miezul statoric, 2 miez rotoric cu poli n ghear, 3 nfurarea statoric, 4 nfurare de excita ie rotoric. n afara de construc ia clasic de generator sincron ci poli n ghear prezentate, n care excita ia este electromagnetic, fiind asigurat de bobina cilindric plasat n interiorul polilor n ghear, s-au mia ncercat i variante la care s-a adugat o excita ie realizat cu magne i permanen i ngloba i n structura existent. Cea mai simpl solu ie este aceea n care magne ii permanen i s-au plasat ntre poli i miez n jurul axului, dar aceast variant a fost gsit complet nefavorabil. O alt variant analizat a fost aceea n care magne ii permanen i au fost plasa i pe fa a polilor rotorici, adic a polilor n ghear, fig. 3.3. n acest caz trebuie utiliza i magne i de foarte bun calitate pentru a nu fi demagnetiza i de fluxul de reac ie a statorului. De asemenea exist i o sum de probleme constructive pentru c magne ii trebuie lipi i pe suprafa a polului i consolida i corespunztor astfel nct s nu se dezlipeasc datorit for ei centrifuge i a for elor electrodinamice care apar.35

Fig. 3.3 Magne i permanen i lipi i pe poli; 1 poli n ghear, 2 magne i permanen i

Fig.3. 4 Rotor cu poli n ghear; 1 poli ghear, 2 magne i permanen i

n cea dea treia variant studiat magne ii permanen i au fost plasa i ntre polii rotorici, fig. 3.4. n acest caz magne ii permanen i pot fi din ferite, deci cu pre de cost mult mai sczut, iar problemele de construc ie mecanic sunt mai simple dect n cazul anterior. La aceast variant constructiv magne ii permanen i reduc, prin plasarea lor ntre polii ghear, fluxul de dispersie util care strbate ntrefierul trecnd n stator.

Fig. 3.5 Caracteristicile ale curentului redresat func ie de viteza rotorului

n fig.3.5 sunt prezentate comparativ caracteristicile ale curentului redresat func ie de viteza rotorului n cele trei cazuri analizate, caracteristica standard fiind cea a generatorului sincron cu excita ie electromagnetic obinuit. Se observ imediat c n cazul magne ilor permanen i plasa i ntre poli i miez, Var 1, nu se ob ine practic nici o mbunt ire, caracteristica suprapunndu-se n fapt peste caracteristica generatorului standard. n cazul magne ilor permanen i plasa i pe suprafa a polilor rotorici, Var 2, se ob ine un supracurent important la tura ii mari, dar diferen a fa de caracteristica standard este mic la tura ii joase, cnd de fapt este nevoie de mai mult curent fa de caracteristic standard este practic independent de tura ie.

36

innd cont de pre ul de cost mai redus i de faptul c nu apar chiar attea probleme constructive, aceast variant este cea mai bun. Utilizarea unei astfel de solu ii depinde ns de raportul pre/indice de calitate i este justificat numai dac se ob ine la acelai pre un indice de calitate mai bun. Pot fi utilizate i alte construc ii cu poli n ghear, simetrice sau nesimetrice plasate pe stator sau pe rotor, cteva variante fiind date n fig. 3.6. Cea mai des utilizat variant pentru construc ia generatoarelor sincron cu poli n ghear rmne ns cea prezentat n fig.3.1 i 3.2, care ofer construc ia cea mai robust i cu caracteristicile cele mai bune. Circuitul magnetic al mainii este saturat la vitez joas i curen i statorici mici. La viteze mari i curen i n indus mari fluxul principal este redus i astfel circuitul magnetic este slab saturat. ntregul sistem compus din generator puntea redresoare i sistemul vehiculului electric este prezentat n fig.3.6.

Fig.3.6 Diferite structuri de armtur cu poli n ghear; 1 pol nord, 2 pol sud, 3 nfurare cilindric de tip homopolar, 4 jugul armturii cu poli ghear

Generatoarele cu poli n ghear sunt utilizate n special pentru a produce energie electric n autoturisme. Ele trebuie s genereze suficient energie pentru to i consumatorii electrici i s echilibreze ncrcarea bateriei. mbunt irea procesului de producere a energiei apare ca necesar cu ct exist mai mul i consumatori electrici instala i n automobil. Dac apar restric ii de greutate i volum, aceast mbunt ire se poate ob ine printr-o exploatare ct mai bun a materialului, adic o cunoatere exact a solicitrilor magnetice, electrice, termice i mecanice. Pentru a optimiza geometric rotorul sau statorul cu poli n ghear trebuie urmate dou ci: prima, de determinare a numrului de poli, a doua, de optimizare a formei polului ghear.37

Toate generatoarele cu poli n ghear, de la puteri mari la puteri mici i la to i productorii din lume, au un numr standard de 12 poli. Cercettorii trebuie s rspund dac acest numr de poli este alegerea potrivit. S-au fcut modificri, ca de exemplu: diametrul i lungimea rotorului, diametrul i lungimea statorului, aria de cupru i fier, sunt men inute constante. Se modific numrul de poli ghear, iar numrul de crestturi statorice i bobinajul statoric au fost ajustate corespunztor cu numrul de poli. Caracteristicile de sarcin indic o cretere important n curentul de ieire la vitez mare, pentru un numr mare de poli. Trebuie luat n considerare faptul c frecven a statoric crete odat cu numrul de poli care aduce creterea pierderilor n miezul de fier statoric. Optimizarea trebuie s conduc la mbunt irea performan elor de ieire i reducerea zgomotului.3.1.2 Comanda mainii cu poli n ghear.

Ieirea generatorului cu poli n ghear este convertit n curent continuu printr-o punte redresoare. ntr-un astfel de caz, sistemul de control asigur reglarea tensiunii prin controlul curentului de excita ie al generatorului. n diodele auxiliare AD+ i AD- sunt plasate astfel nct s se utilizeze armonica de ordinul 3 a tensiunii trifazate pentru a crete curentul generatorului. Aceste diode economizoare mbunt esc puterea de ieire, dar aceast mbunt ire este efectiv numai la viteze peste 3000 rot/min, nu la mersul n gol al motorului cnd este necesar. Surplusul de putere, ob inut la vitez la care oricum este disponibil n orice moment suficient putere, aduce dou dezavantaje: curentul are armonici de ordin 3 i tensiunea continu prezint ripluri (mici oscila ii). Exist studii legate de controlul ieirii generatorului cu poli n ghear utiliznd o punte cu tranzistoare controlat complet mpreun cu controlul obinuit de cmp, rezultatele fiind promi toare. n literatura de specialitate exist un studiu asupra diferitelor strategii de control pentru a crete puterea de ieire a generatorului cu poli ghear. Performan ele ntregului sistem, generator i punte redresoare, sunt comparate i evaluate urmtoarele situa ii considerate: Func ionarea la tensiune de ieire constant cu punte redresoare cu diode. Func ionare pe baz de convertor PWM. Func ionarea la curent constant cu convertor de limitare. Analiza performan elor prin programe specifice permite compara ia ntre puterea de ieire, randament i oscila iile de curent pe tot domeniul de viteze, o compara ie ce este net favorabil metodei DC-pulse, mai simpl dect controlul PWM, dar derivat din acesta. Metoda DC-pulse are acelai ctig n putere ca i controlul PWM, dar eficien a este mai bun n domeniile de vitez foarte joas i se asigur netezirea oscila iilor curentului continuu.

38

3.2.Maina sincron reactiv.Maina sincron reactiv. Cunoscut i sub numele de main sincron cu reluctan variabil i rotor pasiv, este o main cu nesimetrie magnetic numai n rotorul astfel construit nct conversia electromecanic s se produc pe baza principiului reluctan ei minime. Acest tip de motor produce cuplu electromagnetic datorit tendin ei pr ii mobile, rotorul n cazul mainilor rotative, de a ocupa o pozi ie n care inductan a nfurrii statorice alimentate, precum

i fluxul produs de aceasta s fie maxime. n aceast pozi ie a pr ii mobile pe direc ia fluxuluiprodus n stator reluctan a magnetic este minim. Rotorul acestor maini este construit n mod uzual fr nfurri sau magne i permanen i, dar poate fi prevzut cu o nfurare n colivie mai ales atunci cnd maina este alimentat de la re ea, adic alimentat la frecven i tensiune constant. Statorul mainilor sincrone reactive are o simetrie cilindric i este construit n mod identic cu cel al unei maini de induc ie sau sincrone, adic are un miez din tole cu crestturi uniform repartizate spre ntrefier, nfurarea fiind repartizat deschis, sau, n cazuri particulare, concentrat. Miezul rotoric este fcut din tole dispuse conven ional sau axial. Maina sincron reactiv are o istorie destul de lung, fiind propus pentru prima dat n 1923. A reintrat n aten ia constructorilor n anii 90, datorit noilor solu ii oferite pentru construc ia rotorului, pentru alimentarea n frecven i tensiune variabil i pentru controlul tura iei la cuplu maxim. Astzi, aceast main este un competitor valabil pe pia a ac ionrilor electrice cu tura ie variabil i poate fi utilizat cu succes i n sisteme de ac ionare alimentate direct de la re ea. Performan ele mainii sincrone reactive depind decisiv de valoarea raportului inductan elor de magnetizare pe cele dou axe, d i respectiv q, (Md/Mq), ca i de diferen a dintre inductan e (Md-Mq), ambele, raportul i diferen a, trebuind s aib valori ct mai mari, valori ce se ob in prin creterea gradului de nesimetrie magnetic a mainii. Nesimetria magnetic a rotorului se poate prin trei metode i anume: 1. Rotor cu poli aparen i ob inu i prin decuparea unor por iuni din miezul cilindric cu tole conven ionale. 2. Rotor realizat cu tole conven ionale i prevzut cu bariere cu flux pentru creterea nesimetriei magnetice. 3. Rotor construit cu tole dispuse axial avnd spa ii nemagnetice ntre ele. Prima variant constructiv are o nesimetrie nemagnetic redus i se utilizeaz doar n cazul unor maini de vitez foarte mare. Celelalte dou variante constructive asigur un grad mai mare de nesimetrie magnetic, performan ele unor astfel de maini sunt mai bune, pre ul de cost este39

mai ridicat i tehnologia de fabrica ie mai complicat. Se pot aminti i solu iile cu rotor cu segmente, destul de competitive ca performan e, rotor realizat cu tole dispuse conven ional, dar

i acestea prezint unele dificult i tehnologice.Exist o gam larg de variante constructive de maini sincrone cu reluctan variabil

i rotor pasiv att n ceea ce privete construc ia rotorului ct i a statorului. Astfel, nfurareastatoric poate fi repartizat n simplu sau n dublu strat, i respectiv concentrat, iar alimentarea

i comanda invertoarelor este i ea diversificat. n consecin , nu este practic posibil acoperireaexhaustiv a tuturor variantelor de maini i nici nu se urmrete aa ceva. 3.2.1.Variante constructive i func ionarea mainilor sincrone reactive. Mainile sincrone reactive cu reluctan variabil i rotor pasiv prezint un grad nalt de nesimetrie magnetic a rotorului i au performan e bune n sistemele de ac ionare, adic factor de putere i randament ridicat, precum i o comportare dinamic adecvat, cu rspuns rapid, domeniu larg de reglaj al vitezei i eficien bun la slbirea de cmp pentru ob inerea tura iilor mari. Exist principial doar dou variante constructive de rotor utilizabile la aceast main i anume: 1. Construc ie cu tole laminate dispuse conven ional cu bariere de flux i nesimetrie magnetic concentrat sau distribuit. 2. Construc ie cu tole dispuse axial cu nesimetrie magnetic distribuit, cu sau fr magne i permanen i plasa i pe direc ia axei q a fluxului de magnetizare.

a) cu poli aparen i i crestturi pentru colivie

b) cu o singur barier de flux pe pol Fig. 3.7 Variante constructive de rotoare cu bariere de flux

c) cu multiple bariere de flux pe pol

Variantele constructive de rotoare cu bariere de flux i dispuse conven ional sunt mai uor de realizat tehnologic i au un pre de cost mai mic. Aceast construc ie asigur un grad de nesimetrie magnetic mediu i n consecin performan e la acelai nivel. n fig.3.7 sunt mai multe variante de rotoare cu bariere de flux.40

Variantele constructive date n fig. 3.7 sunt urmtoarele: rotor cu bariere de flux, poli aparen i i crestturi pentru colivia de pornire/amortizare; rotor cu o singur barier de flux pe pol, fr crestturi pentru colivia de pornire/amortizare; rotor cu bariere multiple de flux pe pol, fr crestturi pentru colivia de pornire/amortizare;

Fig. 3.8 Maina cu rotor cu tole dispuse conven ional i nesimetrie rotoric concentrat diametral, cu o pereche de poli

n fig. 3.8 este prezentat o variant constructiv de main cu o pereche de poli cu tole dispuse conven ional i nesimetrie magnetic realizat cu o barier de flux dispus concentrat n zona diametral a rotorului. Aceast variant constructiv de rotor cu nesimetrie concentrat asigur un grad de nesimetrie ridicat, dar realizarea tehnologic este mai dificil i con inutul de armonici n cmp este mai ridicat.

Fig. 3.9 Maina cu rotor cu segmen i izola i

O variant de motor cu nesimetrie magnetic este realizat cu segmen i, similari cu polii aparen i, dar dispu i diferit, este prezentat n fig.3.9. Cu o astfel de construc ie se ob ine o nesimetrie magnetic a rotorului caracterizat printr-o valoare a raportului inductan elor de magnetizare pe cele dou axe Md/Mq egal sau mai mare de 5. Construc ia este destul de complicat, iar tehnologia de realizare este dificil, precum i costul ridicat, fac aceast variant mai pu in atrgtoare i n consecin pu in utilizat.

41

Dou variante de rotoare cu tole dispuse axial sunt prezentate n fig.10 i anume: un rotor cu patru poli, respectiv o main cu o pereche de poli.

a) main cu patru poli

b) main cu doi poli cu bariere adi ionale de flux Fig. 3.10 Variante de rotoare cu tole dispuse axial

n primul caz pachetele de tole dispuse axial sunt separate prin straturi de material nemagnetic, iar n al doilea caz sunt prevzute i bariere de flux pentru creterea gradului de nesimetrie magnetic a rotorului. Tehnologia complicat de realizare a acestor rotoare i pre ul de cost mai ridicat sunt compensate de performan ele superioare care se ob in cu o astfel de main. Dac straturile de material nemagnetic de separare dintre pachetele de tole dispuse axial sunt din aluminiu i se realizeaz i inelele frontale atunci se ob ine un rotor cu o colivie cu un efect pelicular important. O astfel de variant constructiv poate fi utilizat la maini alimentate de la re eaua de tensiune i frecven a variabil asigurnd un cuplu de pornire mare. Cum la viteza de sincronism efectul pelicular este practic inexistent, i cuplul de amortizare asigurat de colivia echivalent rezult la o valoare practic corespunztoare.

Fig. 3.11 Rotor cu patru poli, tole dispuse axial i magne i permanen i plasa i ntre pachetele de tole

O configura ie special de rotor cu tole dispuse axial este aceea la care n loc de material nemagnetic ntre pachetele de tole se pun magne i permanen i. Cum pe direc ia axei q reluctan a magnetic este mare, magne ii permanen i plasa i ntre pachetele de tole. O astfel de construc ie

42

are un pre de cost ridicat dar i gradul de nesimetrie magnetic care se ob ine este foarte mare (fig.3.11). n fig. 3.12 este prezentat o structur de main cu rotor din dou pr i. Maina are un stator uzual de main sincron sau de induc ie, iar rotorul are dou pr i, una cilindric cu magne i permanen i de mare energie plasa i pe rotor n ntrefier i una cu reluctan variabil cu tole dispuse axial. Exist doar dou pozi ii relative ale celor dou pr i ale rotorului care prezint interes, i anume: una n care axele d sunt aliniate i cealalt n care axa d a pr ii cu magne i permanen i este aliniat cu axa q a pr ii cu poli aparen i. Rezultatele prezentate n literatura de specialitate au eviden iat posibilitatea reglrii tura iei la cuplu constant n raportul 1: 3 prin aplicarea slbirii de cmp. Statorul mainii sincrone cu reluctan variabil i rotor pasiv poate fi prevzut cu o singur nfurare repartizat, cu o nfurare concentrat, sau cu dou nfurri repartizate. Construc ia standard este aceea n care pe stator este dispus o nfurare repartizat n crestturi la ca i n cazul mainii sincrone clasice sau a mainii de induc ie. n cazul n care n stator este dispus o nfurare concentrat pasul bobinelor poate fi egal cu pasul dentar sau cu pasul polar.

Fig. 3.12 Sec iune longitudinal printr-un motor sincron cu rotorul cu dou pr i

Un interes crescut pare s trezeasc maina sincron cu reluctan variabil i rotor pasiv cu dou nfurri alimentate separat pe stator func ionnd att ca motor n sisteme de ac ionare cu tura ie variabil, ct i ca generator. La o astfel de main, structura de baz fiind prezentat n fig.3.13, rotorul este realizat uzual cu tole dispuse axial fr nfurare n colivie. Cnd maina func ioneaz ca motor, una dintre nfurrile statorice este conectat la re ea, iar cealalt, nfurarea de comand, este alimentat de la o surs de frecven i tensiune variabil pentru a se putea controla viteza rotorului i circula ia de puteri. Prin controlul frecven ei tensiunii aplicate nfurrii de comand maina poate func ionala tura ie subsincron, sincron, suprasincron. Func ionarea la tura ie sincron are loc atunci cnd nfurarea de comand este alimentat n curent continuu.43

Atunci cnd func ioneaz ca generator independent nfurarea de comand este alimentat n c.c. este alimentat n c.c., iar cealalt nfurare statoric, o nfurare trifazat, alimenteaz consumatorii. La ieirea nfurrii trifazate induse trebuie dispus o baterie trifazat de condensatoare care s asigure energia reactiv necesar n cazul sarcinilor cu caracter inductiv.

Fig. 3.13 Structura de baz a mainii cu reluctan variabil

3.2.3.Comanda mainii sincrone reactive. Exist dou strategii de comand des utilizate: men inerea fluxului statoric s; men inerea curentului statoric dup axa d, Id, constant. Rela ia dintre cuplul electromagnetic i fluxul statoric pentru a ob ine valoare maxim: T = p (Ld Lq )

s22 Ld Lq

(3.2)

iar raportul dintre cuplu i cuplul maxim este : d q T =2 TK s2 Controlul vectorial presupune 5 metode de implementare: 1. Cuplul maxim pe valoarea de curent. 2. Factor de putere maxim. 3. Valoarea maxim a varia iei cuplului. 4. Curent pe axa d constant. 5. Randament maxim.

(3.3)

Toate metodele de control, mai pu in ultima se bazeaz pe controlul valorii curentului Metoda 3 este un control la flux statoric constant i pierderile n miez nu variaz , metod folosit la frecven e ridicate. n orice metod de control vectorial al mainii sincrone reactive mrimile de referin sunt componentele curentului dup axa d i q, a cror valoare depinde de inductan ele mainii44

dup cele dou axe. n scopul reducerii influen ei parametrilor mainii asupra comenzii mainii parametrii variind destul de important cu satura ia n multe cazuri, se poate utiliza comanda direct n flux i n cuplu. Mainile sincrone reactive, simplu sau dublu alimentate, cu utilizare industrial sunt trifazate. n consecin ele sunt alimentate, atunci cnd sunt controlate vectorial cu orientare dup cmp sau scalar, cu invertoare trifazate uzuale, invertoare utilizate i la alimentarea mainilor de induc ie sau sincrone.

3.3 Maina sincron cu magne i permanen i.Maina sincron n construc ie clasic, cu excita ie electromagnetic, prezint dezavantajul dest