METODE DE PORNIRE ŞI REGLARE A

TURAŢIEI MOTOARELOR ELECTRICE

ASINCRONE TRIFAZATE

CUPRINS

Memoriu justificativ………….……………………………………..pag. 5

1. Introducere……………………………………………………………pag. 6 1.1 Maşina electrică asincronă: generalităţi…………………….pag. 6 1.2 Motorul electric asincron: construcţie………………………pag. 7 1.3 Motorul electric asincron: funcţionare……………………...pag. 8

2. Funcţionarea maşinii asincrone în regim de motor…………………...pag. 9 2.1 Funcţionarea în sarcină………………………………….…..pag. 9

3. Ecuaţiile de funcţionare ale mas……………………………………...pag.12

4. Pornirea motoarelor asincrone………………………………...……..pag. 16 4.1 Metode de pornire a motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit…………………………...………………….pag. 16 4.1.1 Pornirea prin cuplare directă la reţeaua de alimentare………………..…………………………..pag. 16 4.1.2 Pornirea prin alimentator cu tensiune redusă: pornirea cu reactanţă în circuitul statorului…….….…pag. 17 4.1.3 Pornirea prin alimentator cu tensiune redusă: pornirea cu autotransformator de pornire………….…pag. 18 4.1.4 Pornirea prin alimentator cu tensiune redusă: pornirea prin comutator stea-triunghi………….…..…pag. 19 4.2 Metode de pornire a motoarelor asincrone cu rotor cu inele (bobinat)……………………………….…pag. 21

5. Reglarea vitezei motoarelor asincrone trifazate……………………..pag. 23 5.1 Reglarea vitezei prin modificarea tensiunii de alimentare….pag. 24 5.2 Reglarea vitezei prin schimbarea numărului de poli……..…pag. 28 5.3 Reglarea vitezei prin variaţia frecvenţei reţelei………..……pag. 32 5.4 Reglarea vitezei prin schimbarea rezistenţei în rotor……..…pag. 33 5.5 Reglarea vitezei prin modificarea alunecării s…………….…pag. 33

6. Norme tehnice de securitate a muncii…………………..……………pag. 41

Bibliografie…………………………………………….…………….pag. 47

2

MEMORIU JUSTIFICATIV

Motoarele asincrone trifazate sunt cele mai folosite motoare pentru acţionări electrice de putere. Acestea prezintă numeroase avantaje practice, dintre care amintim: cost redus, posibilitatea de cuplare la reţeaua de alimentare publică, construcţie simplă şi întreţinere relativ uşoară.

Pentru a putea utiliza motoarele asincrone trifazate, este necesară cunoaşterea metodelor de pornire a acestor motoare, dar mai ales metodele de reglare a vitezei (turaţiei) motoarelor asincrone. Acest lucru este vital, deoarece sarcina antrenată de motor poate varia, sau pentru că în multe aplicaţii este necesară variaţia turaţiei motoarelor. Utilizarea eficientă şi în siguranţă a motoarelor asincrone presupune cunoaşterea cât mai profundă a acestor metode (aplicate în funcţie de natura procesului în care este implicat motorul, sau de caracteristicile motorului), dar şi a regulilor de utilizare a maşinilor electrice, pentru evitarea producerii accidentelor de muncă.

Reglarea vitezei motoarelor asincrone se face prin diferite metode analogice, dar în ultima vreme au luat avânt sistemele de control numerice, care se bazează pe microcontroller-e sau coprocesoare vectoriale cu algoritmi adaptivi, care aduc avantajul costului redus, a simplităţii proiectării, a posibilităţii reprogramării parametrilor sistemelor precum şi, mai nou, posibilitatea autodetecţiei componentelor hardware a motoarelor şi a sistemelor auxiliare.

Tehnologia motoarelor asincrone este în continuă evoluţie, o dată cu dezvoltarea tehnicii şi miniaturizarea sistemelor, ele ajungând să ia locul motoarelor de curent continuu în unele sisteme care erau, până nu demult, apanajul acestora din urmă. Această ramură a tehnicii este una de viitor, care promite o dezvoltare puternică în viitor, în speţă a sistemelor orientate spre domeniul digital. Folosirea DSP-urilor (procesoare digitale de semnal) programabile, de mare viteză, precum şi a senzorilor inteligenţi, permite crearea unor algoritmi din ce în ce mai performanţi de pornire şi reglare a motoarelor asincrone, precum şi posibilitatea modificării parametrilor de funcţionare a acestora, şi, de ce nu, autodiagnosticarea sistemului şi controlul centralizat, de la distanţă.

În concluzie, domeniul motoarelor electrice asincrone este un domeniu în plină dezvoltare, care promite mult şi care se infiltrează din ce în ce mai mult în tehnica actuală, în domeniile ce presupun controlul mişcării, atât pentru sistemele de mică putere, cât şi în cele de mare putere.

3

1. INTRODUCERE

1.1 Maşina electrică asincronă: generalităţi

Maşinile electrice asincrone sunt cele mai utilizate maşini în acţionările cu maşini de curent alternativ. S-au dat mai multe definiţii în ceea ce priveşte maşina electrică asincronă. Două dintre cele mai folosite definiţii din domeniul acţionărilor electrice sunt:

1. O maşină asincronă este o maşină de curent alternativ pentru care viteza în sarcină şi frecvenţa reţelei la care este legată nu sunt într-un raport constant.

2. O maşină este asincronă dacă circuitului magnetic îi sunt asociate două sau mai multe circuite ce se deplasează unul în raport cu celălalt şi în care energia este transferată de la partea fixă la partea mobilă sau invers prin fenomenul inducţiei electromagnetice.

O caracteristic a maşinilor asincrone este faptul că viteza de rotaţie este puţin diferită de viteza câmpului învârtitor, de unde şi numele de asincrone. Ele pot funcţiona în regim de generator (mai puţin răspândit) sau de motor. Cea mai largă utilizare o au ca motoare electrice (în curent trifazat), fiind preferate faţă de celelalte tipuri de motoare prin construcţia mai simplă (deci şi mai ieftină), extinderea reţelelor de alimentare trifazate şi prin siguranţa în exploatare.

În schemele electrice, maşina asincronă este reprezentată prin următoarele simboluri:

Fig. 1 Simbolurile de reprezentare a maşinilor electrice asincrone.

La aceste motoare, viteza scade puţin cu sarcina; din acest motiv caracteristica lor mecanică se numeşte caracteristică tip derivaţie. Motoarele asincrone se folosesc în acţionările în care se cere ca turaţia să nu varieze cu

4

sarcina: maşini-unelte obişnuite, ventilatoare, unele maşini de ridicat, ascensoare, etc.

1.2 Motorul electric asincron: construcţie

Din punct de vedere constructiv, motorul asincron are o structură asemănătoare cu cea a celorlalte maşini electrice. Astfel, el se compune din:1. Statorul produce câmpul magnetic învârtitor şi este format din carcasă,

pachetul de tole şi înfăşurarea statorului.Miezul poate fi format dintr-o singură bucată sau din sectoare şi este

realizat din tole de oţel electrotehnic împachetate rigid, izolate în lac şi prinse de carcasa maşinii.

La periferia inferioară, de formă cilindrică, sunt practicate crestături distribuite uniform, în care se găsesc bobinele înfăşurării statorice

trifazate, decalate cu unghiuri geometrice egale cu , p fiind numărul de

perechi de poli. Cele trei înfăşurări statorice ocupă acelaşi număr de crestături şi sunt conectate în între le în stea (Y) sau în triunghi () în interiorul curiei de borne statorice.

2. Rotorul poate fi, după tipul maşinii, cu inele sau în scurtcircuit. El are formă cilindrică, coaxial cu statorul şi realizat din tole de oţel electrotehnic.

Rotorul cu inele (cu rotor bobinat) este format din arborele de oţel pe care este fixat pachetul de tole prevăzut cu crestături la exterior. Înfăşurarea indusului este trifazată şi realizată din conductoare izolate introduse în crestăturile rotorului, similar cu înfăşurările statorului

(decalate cu între ele). Ele sunt conectate în stea (rareori în triunghi),

având capetele libere legate fiecare la câte un inel realizat din material conductor. Cele trei inele sunt izolate unul faţă de altul şi faţă de arborele rotoric, dar solidare cu acesta şi rotindu-se o dată cu el. Pe fiecare inel calcă o perie din bronz grafitat. Periile sunt legate la trei borne plasate în cutia de borne rotorică.

Rotorul în scurtcircuit (numit şi „colivie de veveriţă”) are o construcţie mai simplă. În acest caz nu mai apar inele, bobinajul realizându-se di bare introduse în crestături şi scurtcircuitate la ambele capete cu două inele conductoare. Proprietăţile de funcţionare ale motorului sunt în acest caz identice cu proprietăţile motorului cu inele ce funcţionează în scurtcircuit. Viteza însă poate fi reglată doar prin variaţia frecvenţei de alimentare şi prin schimbarea numărului de poli (la acest motor este suficient să se schimbe numărul de poli de la stator deoarece rotorul va avea automat acelaşi număr de poli ca şi statorul). Curentul de pornire al motoarelor în scurtcircuit este mare, iar cuplul lor de pornire este mic, dar proprietăţile de pornire ale acestora pot fi ameliorate prin construirea de motoare cu

5

două colivii coaxiale (motoare cu dublă colivie) sau motoare cu colivie simplă, dar a căror bare au secţiune dreptunghiulară, cu înălţime mult mai mare decât lăţimea, numite motoare cu bare înalte.

3. Întrefierul reprezintă distanţa în aer între înfăşurările statorice şi rotorice. Inductanţa mutuală între stator este cu atât mai bună cu cât întrefierul este mai mic, dar distanţa minimă este limitată la minimul admisibil din considerente mecanice:

0.35 0,5 mm P10kW0.50 0,8 mm P10kW

4. Subansamblul portperii este prevăzut cu perii de cărbune grafit sau metal grafit, ce se freacă pe inele colector, încheind circuitul electric. Periile sunt legate la placa de borne a rotoeului, ce conţine trei borne.

5. Ventilatorul este montat pe arbore la maşiniler protejate deschise, la interior, asigurând circulaţia aerului, care este absorbit prin ferestrele de intrare şi refulat apoi de ventilator din nou în exterior. La maşinile închise, se montează pe arbore, la exterior, un ventilator care refulează aerul peste exteriorul carcasei. Pentru a mări suprafaţa de răcire, carcasa este prevăzută cu mai multe nervuri.

1.3 Motorul electric asincron: funcţionare

Funcţionarea maşinii asincrone se bazează pe principiul interacţiunii electromagnetice între câmpul magnetic rotitor, care este creat, în general, de un sistem trifazat de curenţi absorbiţi de la reţea de către înfăşurarea statorului şi curenţii induşi în înfăşurarea rotorului prin interschimbarea conductoarelor ei de către câmpul rotitor. În felul acesta, funcţionarea maşinii asincrone se aseamănă, ca principiu fizic, cu cea a transformatorului, statorul fiind considerat primarul şi rotorul, ce se poate roti cu viteza n, ca secundarul acestuia.

Interacţiunea electromagnetică dintre ambele părţi este posibilă numai la existenţa unei diferenţe dintre viteza câmpului rotitor n1 = f/p [rot/sec] şi cea a rotorului n, deoarece la n=n1 câmpul ar fi imobil în raport cu rotorul iar în înfăşurarea rotorului nu s-ar induce vreo tensiune electromagnetică, deci prin ea nu ar circula vreun curent.

Diferenţa dintre vitezele de rotaţie ale câmpului rotitor şi rotorului, se defineşte prin alunecarea maşinii asincrone:

[1]

6

2. FUNCŢIONAREA MAŞINII ASINCRONE ÎN REGIM DE MOTOR

2.1 Funcţionarea în sarcină

Presupunem ca înfăşurarea statorică este conectată la o reţea trifazată industrială, de frecvenţă f şi pulsaţie 1. Cele trei înfăşurări de fază ale statorului vor fi parcurse de curenţi sinusoidali de pulsaţie 1, curenţi ce formează un sistem trifazat simetric şi echilibrat. Ei vor produce un câmp învârtitor de excitaţie care se roteşte în sensul succesiunii fazelor statorului, cu viteza unghiulară de rotaţie dată de relaţia:

[2]

Cu cât frecvenţa f1 a tensiunii reţelei este mai mare cu atât câmpul magnetic învârtitor "se va roti " mai repede la periferia interioară a statorului şi va avea o viteză unghiulară 1 mai mare:

[3]

Cu cât numărul de poli va fi mai mic, cu atât câmpul învârtitor se va roti mai repede la periferia interioară a statorului.

Ultima relaţie se poate transforma, punând în evidenţă turaţia câmpului magnetic învârtitor ( ns), funcţie de frecvenţa reţelei de alimentare (f1):

şi Înlocuind ultimele relaţii vom obţine:

[4]

Dacă frecvenţa f1 este chiar frecvenţa industrială (f1=50Hz), atunci viteza de rotaţie a câmpului magnetic învârtitor, exprimată în [rot/min] şi denumită turaţie de sincronism are expresia :

[5]

Se remarcă faptul că viteza câmpului învârtitor nu poate fi modificată decât în trepte, funcţie de numărul de perechi de poli ai înfăşurării trifazate în cazul în care maşina asincronă este alimentată la o reţea industrială.

Turaţia ns nu poate fi în acest caz mai mare de 3000 rot/min pentru un număr de perechi de poli p = 1. Acesta constituie un dezavantaj al maşinilor de curent alternativ bazate pe câmpuri magnetice învârtitoare.

În tabelul de mai jos sunt indicate valorile turaţiei ns şi vitezei unghiulare 1 în funcţie de numărul p de perechi de poli, pentru o frecvenţă egală cu frecvenţa industrială (50 Hz):

7

P 1 2 3 4 5 6 8 10 12 15 20ns

[rot/min]

3000

1500

1000

750 600 500 375 300 250 200 150

1

[rad/s]314 157 104 76,5 62,8 52,3 39,3 31,4 26,2 20,9 15,7

Tabel 1. Valorile turaţiei şi a vitezei ungiulare în funcţie de numărul perechilor de poli

Acest câmp învârtitor va induce în înfăşurarea trifazată a rotorului, care iniţial este imobilă (m=0), un sistem simetric şi echilibrat de trei tensiuni electromotoare.

Rotorul are acelaşi număr de poli ca şi statorul, în cazul rotoarelor bobinate, sau îşi formează acelaşi număr de poli în cazul rotoarelor în colivie, iar pulsaţia tensiunii electromotoare va fi, evident, conform relaţiei :

[6]

Înfăşurările de fază ale rotorului fiind conectate în scurtcircuit (dublă stea), cele trei tensiuni electromotoare induse vor produce, la rândul lor, trei curenţi ce formează un sistem trifazat simetric şi echilibrat de pulsaţie 2. Sensul succesiunii fazelor la periferia rotorului va fi determinat de sensul de rotaţie al câmpului învârtitor statoric (de excitaţie ) şi va coincide cu el.

Dat fiind faptul ca rotorul, cu înfăşurările parcurse de curenţi, se află în câmpul învârtitor statoric, el va fi solicitat de un cuplu electromagnetic Me, în sensul succesiunii fazelor sale, deci în sensul câmpului învârtitor statoric.

Dacă acest cuplu electromagnetic este suficient de mare încât să învingă cuplul rezistent al arborelui, atunci rotorul începe să se învârtă în sensul câmpului învârtitor statoric. Accelerarea motorului durează atâta timp cât cuplul dezvoltat de motorul asincron este mai mare decât cuplul rezistent.

După depăşirea regimului tranzitoriu, rotorul se învârteşte cu viteză uniformă şi notând cu m viteza unghiulară de rotaţie (mecanică) a rotorului, se ajunge, pentru motorul asincron, la relaţia m1.

În aceste condiţii, viteza relativă a câmpului învârtitor statoric faţă de rotor este m - 1, iar pulsaţia tensiunii induse şi a curenţilor din înfăşurările de fază ale rotorului va fi :

[7]Se defineşte alunecarea ca parametru important ce caracterizează din

punct de vedere electromecanic funcţionarea unei maşini asincrone:

sau

[8]

Conform ultimei relaţii [8], rezultă că pulsaţia curenţilor rotorici este: , [9]

8

deci este o fracţiune s din pulsaţia curenţilor statorici.

9

3. ECUAŢIILE DE FUNCŢIONARE ALE MAŞINII ASINCRONE

Pentru a stabili ecuaţiile de funcţionare ale motorului asincron trifazat, pentru un regim oarecare din punct de vedere electromagnetic şi mecanic, evitând unele complicaţii matematice dar păstrând totodată modelarea principalelor fenomene fizice ce au loc în motor, se admit următoarele ipoteze simplificatoare:

se neglijează:- saturaţia şi histerezisul circuitului magnetic, cât şi pierderile prin

histerezis şi curenţii Foucault în acesta; ipoteza permite definirea relativ simplă a inductanţelor proprii şi mutuale ale înfăşurărilor;

- efectul pelicular datorită căruia cresc rezistenţele ohmice şi scad inductanţele;

- cuplajul capacitiv între înfăşurări;- efectul temperaturii asupra valorii rezistenţelor ohmice, retorică şi

statorică;- influenţa pieselor constructive masive din fier, acestea fiind considerate

din punct de vedere magnetic de permeabilitate infinită;- armonicile superioare spaţiale ale câmpurilor magnetice statorice şi

retorice; se presupune că:- înfăşurarea fiecărei faze, atât în stator, cât şi în rotor, creează un flux

cu repartiţie sinusoidală; ipoteza simplifică scrierea expresiei inductanţei mutuale între stator-rotor;

- motorul are o construcţie simetrică trifazată în stator şi rotor; nu se vor lua aici în calcul influenţele datorate deficienţele constructive.

În acest model, se adoptă următoarele notaţii:- tensiunile aplicate înfăşurărilor statorice, respectiv rotorice:

[10]

- curenţii prin înfăşurările statorice, respectiv rotorice:

[11]

-Rs, L, rezistenţa şi inductanţa proprie unei înfăşurări statorice;-Rr, L2, rezistenţa şi inductanţa proprie unei înfăşurări rotorice ;

10

-M1 inductanţa mutuală între înfăşurările statorului care este aceeaşiîntre oricare două faze statorice, din considerente de simetrie constructivă a statorului;

-M2 inductanţa mutuală între înfăşurările rotorului, aceeaşi între oricaredouă faze rotorice, datorită simetriei constructive a rotorului;

-msr inductanţa mutuală între faza s din stator şi faza rotorică;-Msr valoarea maximă a inductanţei mutuale stator-rotor msr, când axele

r şi s coincid;-p numărul de perechi de poli ai motorului asincron;-r rezistenţele rotorice şi statorice pentru fiecare fază;- unghi geometric intern, măsurat între înfăşurarea 1 statorică şi

înfăşurarea 1 rotorică; acest unghi este variabil în timp; produsul p poartă denumirea de unghi electric;

-s pulsaţia curenţilor statorici;-r pulsaţia curenţilor retorici;-m pulsaţia "mecanică", de mişcare a rotorului faţă de stator.

Se observă că notaţiile cu indici semnifică:o r, s – rotor şi stator;o a, b, c – corespunde fazelor alimentării trifazate;o 1, 2, 3 – corespunde celor trei înfăşurări ale unui element (rotor sau

stator).

Vom admite un sistem de tensiuni trifazate pentru alimentarea înfăşurărilor din statorul unei maşini asincrone cu rotorul în scurtcircuit (Y), reprezentat mai jos prin schema electrică simplificată a unui motor asincron din figura 2.

Se ia ca referinţă de fază înfăşurarea 1 din stator. Expresiile curenţilor prin cele trei înfăşurări statorice sunt:

[12]

Dacă admitem o repartiţie sinusoidală a fluxului magnetic, înfăşurarea 1, luată ca referinţă, va crea o undă de inducţie magnetică de forma:

, unde [13]

Ultima relaţie este dedusă din ecuaţia deplasării unghiulare scrisă în funcţie de viteza unghiulară sau pulsaţia mecanică a rotorului:

[14]

11

Fig. 2 Schema electrică simplificată a unui motor asincron

Ca urmare, inductanţa mutuală între faza 1 din stator şi faza 1 din rotor va avea şi ea o repartiţie sinusoidală de forma:

[15]Şi inductanţa mutuală generalizată msr dintre o fază statorică s1,2,3 şi

o fază rotorică r1,2,3 va avea o repartiţie sinusoidală:

[16]

Prin înlocuirea lui r şi s se va obţine matricea inductanţelor mutuale notată [msr] :

[17]

Se observă că: [18].

12

Aplicând teorema a II-a a lui Kirchoff pentru circuitul electric din figură, rezultă că tensiunile aplicate celor trei faze statorice sunt egale, fiecare, cu suma căderilor ohmice pe fază datorate rezistenţei înfăşurărilor plus căderile de tensiune inductive datorate propriului său flux, a fluxurilor ce se închid prin ea, dar şi fluxurilor generate de cele trei înfăşurări ale celeilalte armături:

[19]

Observaţie: Indiferent de conectarea statorului în stea sau în triunghi, este întotdeauna îndeplinită relaţia

4. PORNIREA MOTOARELOR ASINCRONE TRIFAZATE

13

Motoarele asincrone se pot realiza fie cu rotorul în scurtcircuit, fie cu rotor bobinat. Cele cu rotorul în scurtcircuit sunt mai simple şi mai ieftine, mai sigure în funcţionare şi au caracteristici de funcţionare mai bune pentru puteri mici şi mijlocii. Motoarele cu rotor cu inele prezintă însă avantaje în ceea ce priveşte pornirea, deoarece prin introducerea unor rezistenţe în circuitul rotoric motorul poate fi pornit la un cuplu de pornire ridicat, curentul de pornire rămânând în limite restrânse.

La motoarele cu rotor în scurtcircuit, cuplul de pornire este relativ redus pentru un curent de pornire anumit. Dar o dată cu creşterea puterii motorului, curentul de pornire (care este în general de 5-7 ori mai mare decât curentul nominal) ajunge la valori importante, ceea ce necesită reţele de alimentare puternice. De aceea cuplarea directă la reţea nu este admisă decât pentru motoare de putere mică. În unele cazuri se poate limita curentul de pornire, prin alimentarea cu tensiune redusă la pornire, dar în acest fel se micşorează şi cuplul de pornire, care este proporţional cu pătratul tensiunii.

S-au executat şi tipuri speciale de motoare asincrone cu curent de pornire mic şi cuplu de pornire mare (cu bare înalte şi dublă colivie), care se folosesc în cazul condiţiilor de pornire grele, dar aceste motoare au caracteristici de funcţionare mai slabe.

În continuare vor fi expuse metodele de pornire a motoarelor asincrone trifazate, cu rotor bobinat (cu inele) sau în scurtcircuit („colivie de veveriţă”).

4.1 Metode de pornire a motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit

4.1.1 Pornirea prin cuplarea directă la reţeaua de alimentareCea mai simplă metodă de pornire a unui motor asincron trifazat cu

rotor în scurtcircuit este conectarea directă la reţeaua de alimentare. Aceasta este însă limitată de curentul de şoc şi scăderea de tensiune la bornele motorului în momentul pornirii.

Curentul de pornire (Ip), care poate lua valori foarte mari faţă de curentul nominal In (de 5-7 ori), produce forţe dinamice în înfăşurările maşinii (în special la motoarele cu rotor bobinat). Motoarele asincrone suportă foarte bine curentul de şoc, astfel încât trebuie luate măsuri speciale de limitare doar pentru motoarele de puteri mai mari.

Datorită curentului de şoc, tensiunea la bornele motorului scade dacă puterea reţelei este relativ mică. Întrucât cuplul de pornire şi cel critic sunt proporţionale cu pătratul tensiunii, în momentul pornirii unui motor, celelalte

14

motoare legate în paralel cu acesta se pot opri. Din acest motiv, pornirea motoarelor asincrone prin conectarea directă la reţeaua de alimentare este admisă doar atunci puterea reţelei este suficient de mare încât să suporte acest şoc de curent. În plus, un motor de putere mare poate fi dăunător reţelei electrice, şocul curentului de pornire fiind de asemenea mare.

În momentul cuplării, având n=0, motorul se comportă ca un transformator în scurtcircuit (cu rezistenţe şi reactanţe mai mari însă) şi absoarbe curent de pornire important:

Ip = 4…7 In

Pentru a stabili este permisă cuplarea unui anumit motor direct la reţea, este util să folosească următoarea formulă empirică:

4.1.2 Pornirea prin alimentare cu tensiune redusă: pornirea cu reactanţă în circuitul statoruluiÎn acest caz, se conectează în circuitul statorului o reactanţă (bobină de

reactanţă L)1 reglabilă, aşa cum este prezentat în figura de mai jos:

Fig. 3 Pornirea cu reactanţă în circuitul statoric.În acest caz, curentul de pornire este mai mic decât în cazul cuplării

directe, deoarece se produce o cădere de tensiune în bobina de reactanţă, astfel încât la bornele motorului apare o tensiune redusă.

Raportul între curentul de pornire şi cel nominal este 1 Această metodă are dezavantajul de a introduce în reţea putere reactivă, ceea ce este dăunător.

15

unde Kpr este raportul la pornire cu reactanţă iar Kp este raportul la pornirea directă.

Totuşi, în acest caz scade cuplul de pornire, deoarece acesta este proporţional cu pătratul curenţilor. Deci metoda aceasta se poate folosi doar dacă scăderea cuplului de pornire nu este o problemă.

4.1.3 Pornirea prin alimentare cu tensiune redusă: pornirea cu autotransformator de pornireÎn acest caz, motorul se conectează la reţea prin intermediul unui

autotransformator, ca în figură:

Fig. 4 Pornirea cu autotransformator.

Se notează cu Ur şi Ipr tensiunea şi curentul de pornire în reţea, cu Um

tensiunea la bornele motorului şi cu Ipm curentul de pornire în înfăşu-rarea statorului. Fie kA raportul de transformare al autotransformatorului, iar Zk impedanţa unei faze a motorului. Se neglijează rezistenţa autotrans-formatorului. Vom avea:

, şi

16

[20]

În acest caz, Ip este curentul de pornire în cazul cuplării directe la reţea. Acest lucru înseamnă că la pornirea prin autotransformator reţeaua este solicitată cu un curent de kA

2 ori mai mic decât în cazul cuplării directe

(cu valoarea ).

Dar cuplul de pornire fiind direct proporţional cu pătratul

tensiunii la bornele motorului şi cum rezultă că acest cuplu se

micşorează de kA2 în comparaţie cu cuplul de pornire la cuplarea directă.

Deci, şi în acest caz trebuie constatat dacă este posibilă aplicarea metodei (adică dacă nu avem un cuplu rezistent la pornire prea ridicat).

Totuşi, în cazul pornirii prin autotransformator, cuplul de pornire este mai mare decât în cazul pornirii cu ajutorul reactanţei. Se poate scrie şi acum relaţia:

[21]

În final vom avea relaţia:

[22]

Deoarece , rezultă că ceea ce demonstrează afirmaţia de mai sus:

4.1.4 Pornirea prin alimentare cu tensiune redusă: pornirea prin comutator stea-triunghiÎn acest caz, toate cele 6 capete ale înfăşurării statorice se scot la un

comutator cu trei poziţii:- poziţia „0”: motorul nu este alimentat;- poziţia „Y”: fazele sunt legate în stea (pornire);- poziţia „”: fazele sunt legate în triunghi (lucru).

Comutatorul îşi schimbă poziţia prin rotire în sensul 0-Z-. Rotirea în sens invers este blocată.

Schema conexiunilor este redată în figura de mai jos:

17

Fig. 5 Pornirea prin comutator stea-triunghi.

Vom nota cu R, S, T bornele reţelei de alimentare, cu A, B, C începuturile fazelor iar cu X, Y, Z sfârşiturile acestor faze.

Funcţionare: se roteşte comutatorul de pe poziţia „0” pe poziţia „Y”. Când motorul intră în viteză, se trece pe poziţia „”. Notând cu Ur tensiunea reţelei şi cu UY şi U tensiunile de fază în cazul legării statorului în stea, respectiv triunghi. De asemenea se pot defini curenţii în reţea şi în fazele statorului la conexiunile în Y şi în : Iry, Ir, Ify, If. Zk este impedanţa unei faze a înfăşurării statorice.

Pentru cuplarea în stea:

[23]

Pentru cuplarea în triunghi:

şi [24]

Din aceste relaţii rezultă că:

[25]

Deci, dacă se conectează statorul în stea la reţea, curentul de pornire în reţea este de trei ori mai mic decât dacă se conectează statorul în triunghi. În acest caz, şi cuplul de pornire scade de trei ori, deoarece Mpy este proporţional

cu , pe când Mp este proporţional cu .

18

Observaţie: Pornirea prin comutator este un caz particular pentru un autotransformator cu .

4.2 Metode de pornire a motoarelor asincronecu rotor cu inele (bobinat)

Limitarea curentului de pornire se poate obţine introducând în circuitul rotoric o rezistenţă de pornire. Pe măsură ce motorul intră în viteză, rezistenţa de pornire se scurtcircuitează treptat. În felul acesta, curentul de pornire se limitează, cuplul păstrând însă valori.

Rezistenţele de pornire se construiesc de obicei ca:- reostate metalice cu ploturi, în aer sau ulei;- reostate cu apă;- cutii de rezistenţe din elemente de fontă şi controlere de comandă.

După ce motorul a intrat în viteză, rezistenţele de pornire sunt scurtcircuitate, circuitul rotoric rămânând închis prin inele, perii şi scurtcircuitorul rezistenţei de pornire. În acest caz, periile continuă să se frece de inele şi în timpul mersului în sarcină normală. Pentru a micşora pierderile prin frecare şi uzura periilor la motoarele mai importante, se construieşte un dispozitiv de ridicare a periilor, care în prealabil scurtcircuitează direct inelele. Acest dispozitiv se acţionează evident la terminarea operaţiei de pornire.

La oprirea motorului se lasă din nou periile pe inele (în acelaşi timp scurtcircuitul este desfăcut) şi se introduce reostatul de pornire în circuitul rotoric, pentru ca motorul să fie pregătit pentru o nouă pornire.

Caracteristica de pornire, în cazul unui reostat de pornire cu cinci trepte, este arătată în figura 6. Motorul porneşte pe caracteristica a V-a în punctul a, tinzând să ajungă la punctul de funcţionare b’, corespunzător cuplului nominal Mn=Ms t.

În punctul b se scurtcircuitează însă treapta a V-a a rezistenţei de pornire şi motorul începe să funcţioneze pe caracteristica a IV-a.

Operaţia de scurtcircuitare a treptelor rezistenţei de pornire continuă până la scurtcircuitarea definitivă a rezistenţei de pornire, când motorul trece pe caracteristica naturală 0 şi se stabileşte în punctul m.

19

Fig. 6 Diagrama de pornire a unui motor asincron cu inele.

20

5. REGLAREA VITEZEI MOTOARELOR ASINCRONE TRIFAZATE

Dacă motoarele asincrone sunt simple, ieftine şi robuste în exploatare, au un dezavantaj major faţă de cele de curent continuu: nu sunt apte pentru un reglaj fin şi uşor al vitezei de rotaţie, având o caracteristică de viteză derivaţie. Din acest punct de vedere, motoarele asincrone nu pot concura motoarele de curent continuu, în domeniile de utilizare în care se cere o mare supleţe în reglarea vitezei de rotaţie, fără a fi necesare instalaţii suplimentare. Totuşi, şi la motorul asincron se poate realiza un reglaj de viteză, acţionând asupra unor parametri sau elemente, fie de partea statorului, fie de partea rotorului.

Viteza unui motor asincron se poate calcula conform formulei:

[26]

Caracteristica mecanică a motorului asincron (figura 7) reprezintă dependenţa turaţiei funcţie de cuplul electromagnetic dezvoltat de arbore, n=f(M). Ea se obţine din caracteristica m=f(M) exprimând viteza unghiulară a motorului (m) în funcţie de turaţie:

m=2**n ,unde n este turaţia motorului exprimată în rot/s.

Fig. 7 Caracteristica mecanică a motorului asincron.

21

În continuare nu se vor folosi turaţia sau viteza unghiulară; acestea două se pot exprima şi în funcţie de parametrii mecanici şi constructivi caracteristici motorului asincron:

sau [27]

Având în vedere expresia turaţiei motorului asincron şi relaţiile ce rezultă din aceasta, conform expresiei de mai sus, există mai multe posibilităţi de reglare a acesteia modificând:

- frecvenţa de alimentare statorică f1;-numărul de poli p;- tensiunea de alimentare;-alunecarea s;- introducerea în circuitul rotoric a unei forţe electromotoare

auxiliare de aceeaşi frecvenţă cu forţa electromotoare principală, ceea ce necesită o maşină electrică suplimentară, sau chiar mai multe, cuplate electric sau mecanic si alcătuind o cascadă.

La rândul lor, pentru fiecare variantă de reglare a vitezei motorului asincron exista mai multe posibilităţi practice care vor fi prezentate în cele ce urmează.

5.1 Reglarea vitezei prin modificarea tensiunii de alimentare

Variind tensiunea de alimentare, de exemplu micşorând-o, în afară de faptul că se înregistrează o scădere simţitoare a cuplurilor (care variază cu U2), se obţine doar o foarte mică variaţie a vitezei. Astfel, scăzând tensiunea de la U= U„ până la U = 0,7Un , cuplurile se reduc la jumătate, iar viteza pentru alunecarea nominală s = 0,04 scade de la 0,96n doar la 0,92n. Se vede că această metodă de reglare nu este eficace; de altfel, se aplică foarte rar. În schimb scade cuplul maxim al motorului şi totodată coeficientul de supraîncărcare a maşinii.

O metodă clasică de a modifica tensiunea de alimentare – atât pentru sistemul de pornire cât şi pentru sistemul de reglare al vitezei – este folosirea unui transformator (sau autotransformator) reglabil continuu sau în trepte, pe partea circuitului trifazic statoric, aşa cum apare în figura 8:

22

Fig. 8 Reglarea vitezei motoarelor asincrone prin modificarea

tensiunii de alimentare prin autotransformatorcontinuu (a) şi în trepte (b).

Dificultăţile legate de realizarea contactelor alunecătoare la reglajul continuu sau complexitatea aparatajului la conectarea în trepte, fac ca această metodă să nu fie utilizată decât în acţionările de mică putere având, de cele mai multe ori, o comandă manuală.

În prezent, pentru modificarea tensiunii de alimentare a motoarelor asincrone se utilizează variatoare statice de tensiune alternativă (V.T.A.).

V.T.A. trifazate sunt formate din şase tiristoare montate antiparalel, două câte două, deci bidirecţional în tensiune şi curent. Pot fi întâlnite două scheme de comandă: una pentru conectarea în stea şi cealaltă pentru conectarea în triunghi a înfăşurării statorice (figura 9):

23

Fig. 10 Reglarea vitezei motorului asincron cu variator de tensiunealternativă: conexiune Y (a) şi conexiune (b).

Pentru început, vom descrie funcţionarea invertoarelor monofazate de tensiune alternativă formate din două tiristoare T1 şi T2 montate antiparalel pe sarcină rezistivă R. Alternatele pozitive ale tensiunii sunt conduse de tiristorul T1 şi cele negative de tiristorul T2. În figura de mai jos se prezintă modul de aprindere a celor două tiristoare, precum şi formele de variaţie în timp ale curentului i şi tensiunii u corespunzătoare sarcinii R-L (figura 11):

Fig. 11 Variator de tensiune alternativă funcţionând pe sarcini inductive pentru motorul asincron.

24

Se poate observa că între fundamentala curentului i1 şi tensiune există un defazaj ( - sarcini inductive). Acest unghi, care depinde de inductivitatea sarcinii L şi de unghiul de comandă la aprinderea tiristoarelor , va impune factorul de putere.

Stingerea tiristoarelor are loc în mod natural, la trecerea prin zero a curentului şi din această cauză variatoarele de tensiune alternativă sunt convertoare fără comutaţie forţată.

Pentru sarcini R-L curentul rămâne pozitiv în momentul în care tensiunea u devine negativă datorită tensiunii autoinduse în inductanţa înfăşurării L. Întreruperea conducţiei tiristorului are loc atunci când se anulează energia magnetică acumulată în inductanţă. Dacă L este de valoare mare şi unghiul de comandă este mic, se poate să avem curent neîntrerupt prin sarcină.

Prin urmare, se pot defini două puteri reactive:- putere reactivă propriu-zisă corespunzătoare inductanţei L;- putere reactivă de comandă datorată unghiului de întârzâiere la

comandă , care este nenulă, chiar în cazul sarcinilor pur rezistive.Faptul că la o sarcină rezistivă (L = 0) apare şi putere reactivă, la

prima vedere pare a fi nejustificat.Puterea reactivă a fundamentalei poate să apară doar din combinarea

sarcinii rezistive cu dispozitivul static comandabil, care la modificarea unghiului de comandă poate să producă putere reactivă.

Modificarea tensiunii de alimentare, şi deci, în consecinţă a turaţieimotorului, se realizează prin modificarea unghiului de întârziere la aprindere atiristoarelor , cu valori între 0 150 (tăierea simetrică a formei de undă sinusoidală la început şi la sfârşit), ca în figura 12:

Fig. 12 Variator cu comandă simetrică pentru anularea puterii reactive.

25

Odată cu creşterea unghiului , şi deci micşorarea valorii tensiunilor efective, forma de undă se abate mult de la forma sinusoidală, ceea ce duce la apariţia în componenţa tensiunii şi curentului a unor armonici care produc cupluri pendulare precum şi creşterea pierderilor prin efect Joule, cu scăderea randamentului global al sistemului de acţionare.

Pentru a elimina puterea reactivă de comandă a fundamentalei, în cazul variatoarelor de tensiune alternativă se practică tăierea simetrică a formei de undă sinusoidale, atât la începutul, cât şi la sfârşitul ei, ca în figura 12.

Această întrerupere a curentului, înainte de scăderea sa naturală la zero, duce la aplicarea comutaţiei forţate în comanda dispozitivelor de putere.

În consecinţă, trebuie alese componente de putere cu amorsare şi blocare pe poartă comandabilă în curent (tranzistoare bipolare de putere, GTO) sau tensiune (tranzistoare MOSFET, IGBT, tiristoare MCT). Se pot adopta şi procedee de stingere cu tiristoare auxiliare.

5.2 Reglarea vitezei prin schimbarea numărului de poliPornind de la formula:

[28]

se vede că pentru o frecvenţă a reţelei dată, viteza de sincronism n1 poate varia în limite foarte largi, schimbând numărul de perechi de poli p.

Reglarea vitezei nu se face însă lent, ci în trepte. Obişnuit, schimbarea vitezei se face în două trepte, în raportul 2 : 1 , dar se construiesc şi motoare cu trei sau patru trepte de viteză.

Modificarea numărului de perechi de poli se poate face în trei feluri:

- prin combinarea bobinelor înfăşurării statorice, executată specialpentru a permite acest lucru;

- construind statorul cu două înfăşurări independente;- construind statorul cu două înfăşurări independente, fiecare având

posibilitatea schimbării numărului de poli (metodă mixtă).Trebuie remarcat că dacă rotorul maşinii este bobinat, numărul de

poli trebuie schimbat atât în stator, cât şi în rotor. Evident, acest lucru complică mult construcţia. De aceea, în mod aproape general, motoarele cu mai multe viteze se execută cu rotor în colivie de veveriţă.

Se mai precizează că, dintre metodele de mai sus, prima este cea mai importantă, fiind cea mai simplă şi economică. A treia se utilizează pentru motorul cu patru viteze, însă totdeauna una dintre înfăşurări nu funcţionează.

Prima metodă se realizează în mod obişnuit prin schimbarea sensului curentului în jumătate din bobinele fiecărei faze sau, mai pe scurt, în semiînfăşurări. Aceasta se poate realiza în serie sau în paralel.

Conexiunea fazelor poate fi stea sau triunghi. De aici rezultă mai multe posibilităţi de conexiuni, în serie sau în paralel.

26

După cum se vede, la trecerea de la un număr mai mare de poli la unul mai mic, trebuie schimbate între ele două legături la reţea, pentru a nu se schimba sensul iniţial de rotaţie, deoarece la reducerea numărului de poli s-a schimbat şi sensul parcursului bobinelor pentru o jumătate din fiecare fază. Numărul de perechi de poli trebuie să fie acelaşi pe ambele înfăşurări. Această restricţie duce la complicaţii deosebite în cazul motoarelor asincrone cu rotor bobinat. În cazul celor cu colivie de veveriţă, rotorul îşi adaptează automat un număr de perechi de poli egal cu cel al statorului, ceea ce le face perfecte pentru construcţia motoarelor asincrone cu număr variabil de perechi de poli.

Modificarea numărului de perechi de poli în raportul 1:2 se face relativ uşor prin modificarea conexiunilor înfăşurării statorice şi este cunoscută sub numele de modificare Dahlander, obţinându-se motorul asincron cu două viteze de sincronism. Acest motor este echipat cu înfăşurare statorică concepută din două jumătăţi pe fiecare fază care pot fi grupate în paralel (figura 13.a) pentru viteză mare sau serie (figura 13.b) pentru viteză redusă. La conectarea în serie numărul de perechi de poli este dublu faţă de conectarea în paralel sau în opoziţie:

Fig. 13 Reglarea vitezei prin modificarea conectării înfăşurăriistatorice (motoare Dahlander) în paralel (a)

şi în serie (b).

27

Dacă notăm cu p1= p numărul de perechi de poli când cele două jumătăţi de înfăşurare sunt conectate în serie (conexiunea stea sau triunghi) şi cu p2

numărul de perechi de poli la conectarea în paralel a celor două jumătăţi (conexiune dublă stea) obţinem următoarea relaţie:

[28]

În aceste condiţii, conform expresiei turaţiei, viteza de sincronism a motorului se dublează:

[29]Caracteristicile mecanice ale motorului în aceste condiţii sunt redate în

figura 14:

Fig. 14 Caracteristicile mecanice la modificarea număruluide perechi de poli.

Se observă că, de obicei, cuplul maxim al motorului Mm1 al motorului în cazul numărului mare de perechi de poli p1 (turaţie mică) este superior cuplului maxim Mm2 corespunzător unui număr mai mic de perechi de poli p2

(turaţie mare).Din punct de vedere practic, motorul asincron Dahlander nu necesită

decât şase borne (marcate cu asterisc în figura ce descrie motorul) în loc de douăsprezece cât ar fi necesare, la prima vedere, din cele expuse mai sus.

În figura de mai jos se prezintă un comutator automat pentru acest tip de motor, care face şi o inversare de faze necesară schimbării sensului curenţilor în cele două înfăşurări ale motorului la trecerea de la viteză mică (conexiune Y), la viteză mare (conexiune YY) (figura 15):

28

Fig. 15 Schema electrică de comutare automată a numărului de poli.

Trecerea de la conexiunea stea la conexiunea dublă stea se realizează printr-un proces tranzitoriu de frânare în regim de generator cu recuperarea energiei.

Acest fenomen se poate explica pe baza caracteristicilor mecanice din figura de mai jos unde punctul de funcţionare statică iniţial (punctul A) trece la viteză constantă din regimul de motor în cel de generator ca frână recuperativă (punctul B), după care, sub influenţa cuplului de frânare (valoare negativă), viteza scade (figura 16):

Fig. 16 Procesul tranzitoriu de trecere de la o conexiune Y la YY.

29

Când viteza, pe caracteristica n = f (M) corespunzătoare conexiunii stea, scade sub valoarea de sincronism (n = ns1) maşina trece din nou în regim de motor şi punctul de funcţionare se stabilizează în punctul A, dacă între timp nu există modificări ale cuplului rezistent la arbore (Mrez=const).

Motoarele asincrone trifazate cu trei viteze de sincronism se execută cu o înfăşurare comutabilă ( Y sau în YY ) şi una obişnuită, ambele dispuse în aceleaşi crestături.

În cazul motoarelor cu 4 viteze de sincronism se execută două înfăşurări distincte şi comutabile fiecare: 2(Y sau ) în 2YY. Pentru comutarea înfăşurărilor statorice se utilizează comutatoare speciale sau contactoare. Din cauza dificultăţilor de execuţie, din punct de vedere practic, nu se realizează motoare asincrone cu mai mult de patru viteze de sincronism.

Concluzie: Reglarea vitezei prin modificarea numărului de poli are randament ridicat, dar are dezavantajul că nu se poate realiza decât în trepte, în plus, necesită una sau mai multe înfăşurări speciale în stator şi un aparataj special de comutaţie.

5.3 Reglarea vitezei prin variaţia frecvenţei reţelei Această metodă rezultă din relaţia care leagă viteza de numărul de poli:

[30]

Modificând frecvenţa, variază corespunzător viteza. Practic, pentru alimentarea motorului cu altă frecvenţă sunt necesare instalaţii speciale; de aceea metoda nu este larg răspândită.

Fără a se intra în detalii, se precizează că pentru a se păstra constante randamentul, cos, capacitatea de supraîncărcare şi alunecarea la diferite frecvenţe, trebuie să existe relaţia:

[31]

Relaţia de mai sus este valabilă dacă punctul de funcţionare se află pe partea rectilinie a caracteristicii de magnetizare a fierului si numai aproximativă în cazul unui circuit magnetic saturat. Din analiza ei se deduc următoarele cazuri de reglaj:- în cazul reglajului de viteza la cuplu constant, M’ = M, există

condiţia:

[32]

30

- în cazul reglajului la putere constantă, deoarece trebuie ca P2=k*M*f1=k*M’*f1 rezultă condiţia:

[33]

În acest caz trebuie să se ţină seama de faptul că la viteze scăzute se schimbă condiţiile de răcire a maşinii, astfel încât trebuie să se vadă dacă maşina nu atinge încălziri în afara limitelor de toleranţă.

5.4 Reglarea vitezei prin schimbarea rezistenţei din rotor

Fenomenul este cunoscut de la studiul pornirii motorului asincron cu inele, lucrurile petrecându-se acum invers. Reostatele de reglaj se conectează şi se construiesc ca şi cele de pornire, dar se dimensionează mai larg, pentru funcţionare de lungă durată.

La introducerea unei rezistenţe suplimentare în rotor, în primul moment scade curentul I2 deci cuplul motorului şi viteza încep să se micşoreze, ceea ce duce la creşterea lui E2 şi I2, până la restabilirea echilibrului dintre cupluri. Considerând cuplul rezistent constant, funcţionarea stabilă (conform diagramei de funcţionarea a motorului cu rotor cu inele) corespunde punctelor m, j’, h’, f’, d’, b’ care se găsesc la intersecţia curbelor cuplurilor cu dreapta Mn=Mrez=const.

Se poate obţine o variaţie subsincronă a vitezei în limite destul de largi (obişnuit 50% din viteza nominală). În mod evident, randamentul motorului va scădea, fiindcă vor creşte pierderile din circuitul rotorului. În ciuda acestor dezavantaje, acest mod de reglare a vitezei este larg folosit pentru reglarea vitezei motoarelor de macara sau al agregatelor de laminare. El este aplicabil doar motoarelor cu rotor bobinat.

Acest mod de reglare presupune două scheme de bază:- reglarea în trepte (manual sau automat);- reglarea continuă.

31

Fig. 17 Reglarea vitezei motorului asincron bobinat prin modificarearezistenţei din circuitul rotoric în trepte (a)

şi continuu (b).

Comutatoarele C1, C2, cât şi cursoarele sunt manevrate manual sau automat.

Pentru reglajul continuu se foloseşte un reostat trifazat cu cursor, în cazul motoarelor de mică putere, sau cu lichid în cazul motoarelor de mare putere. Reglajul, pentru acestea din urmă, se realizează prin modificarea nivelului de lichid sau prin deplasarea reostatului în lichid.

Ştiind că tensiunea rotorică este dependentă de alunecarea s, putem folosi această tensiune pentru reglajul continuu al rezistenţei din circuitul rotoric, modificând această valoare a rezistenţei echivalente într-un circuit rotoric de:- curent continuu;- curent alternativ.

Folosind scheme cu dispozitive semiconductoare de putere (ca în figura 18), tensiunea rotorică se redresează şi se conectează pe o sarcină rotorică formată dintr-o rezistenţă adiţională în paralel cu un comutator static de putere (CS).

32

Fig. 18 Modificarea rezistenţei din circuitul rotoric printr-uncircuit de curent continuu (a) sau alternativ (b).

Comutatorul static este de tip chopper paralel format dintr-un dispozitiv electronic de putere de tip tiristor sau tranzistor comandabil la închidere cu un timp tc şi la deschidere cu un timp td:

[34]unde T este perioada de conectare.

Valoarea medie a rezistenţei echivalente a grupării R-CS este:

[35]

D fiind factorul de umplere .

Modificând după o lege de variaţie continuă factorul de umplere D între 0 şi 1 se obţine un reglaj echivalent al rezistenţei din rotor între valoarea Rr şi 0.

Principalul dezavantaj care îl au toate aceste scheme de reglare este că principiul de reglare duce la creşterea puterii disipate prin efect Joule pe rezistenţele suplimentare introduse în circuitul rotoric, înrăutăţind astfel, randamentul.

Această putere disipată este numită putere de alunecare:

[36]

33

şi poate fi recuperată, aproape integral, prin intermediul sistemelor cu cascade Kramer sau Scherbius.

5.5 Reglarea vitezei prin modificarea alunecării sAceastă metodă de reglare a turaţiei motorului asincron prin

modificarea valorii alunecării are la bază dependenţa liniară între cele două

mărimi, conform expresiei generale .

Pentru simplificarea studiului posibilităţilor de modificare a alunecării se analizează majoritatea cazurilor practice, având în vedere că o funcţionare stabilă pe caracteristica mecanică are loc pentru alunecări inferioare alunecării critice:

Putem scrie sistemul:

[37]

Rezultă că pentru un cuplu de sarcină dat (Mr) alunecarea s se poate modifica modificând parametrii care determină valoarea alunecării critice sk şi respectiv, a cuplului maxim Mm al motorului. Analizând expresiile pentru Mm

şi sm:

[38]

[39]

Aceste relaţii sunt valabile în condiţiile unei frecvenţe de alimentare date f1, şi a unui număr de perechi de poli p dat. Se poate modifica alunecarea s, acţionând asupra mărimilor Mm şi sm modificând:

- valoarea efectivă a tensiunii de alimentare statorică U1;- parametrii înfăşurării statorice r1 şi x1;- parametrii circuitului rotoric r2 şi x2.

Din punct de vedere practic, singurele metode care se utilizează, din cele enumerate mai sus, sunt cele care modifică tensiunea de alimentare statorică la frecvenţă constantă şi modificarea rezistenţei echivalente a circuitului rotoric (Rech). Cu aceste ipoteze relaţiei de mai sus devin:

, [40]

unde const semnifică o constantă.

34

Înlocuind, vom obţine:

[41]

Această relaţie ne arată că alunecarea s este direct proporţională cu rezistenţa de fază a circuitului rotoric raportată la stator, r2', şi invers proporţională cu pătratul tensiunii de alimentare U1. Cum rezistenţa circuitului rotoric nu poate fi modificată decât în sensul măririi acesteia prin montarea unei rezistenţe adiţionale Rr (R'r raportată la stator), iar tensiunea efectivă U1

nu poate fi modificată decât în sensul scăderii valorii efective, se obţine, conform relaţiei de mai jos, o variaţie a alunecării s numai în sensul creşterii acesteia conform figurii 19:

Fig. 19 Variaţia cuplului la modificarea tensiunii şi rezistenţeidin circuitul rotoric.

Deci, conform relaţiei [27],ce exprimă dependenţa n = f(f1, p, s), modificarea turaţiei are loc numai într-o singură zonă şi anume, în sensul scăderii turaţiei (ca în figură) sub valoarea nominală (n < nN).

Având în vedere că pierderile prin efect Joule (Pj) sunt proporţionale cu alunecarea s:

, [42]creşterea alunecării va duce implicit, pentru un cuplu de sarcină constant, la scăderea randamentului motorului asincron. Această metodă de reglare a turaţiei este una cu randament scăzut.

35

Observaţie: Reglarea turaţiei prin modificarea alunecării s variind tensiunea de alimentare şisau rezistenţa rotorică este practic aplicabilă numai motoarelor cu rotor bobinat care sunt prevăzute cu rezistenţe adiţionale (Rr) în circuitul rotoric (vezi figura 20):

Fig. 20 Reglarea vitezei motorului asincron prin modificarearezistenţei din circuitul rotoric.

Concluzii:a) cu privire la variaţia vitezei motorului asincron prin modificarea

tensiunii de alimentare:- modificarea tensiunii de alimentare se face numai în sens descrescător;- în motor apare o suprasaturaţie urmată de supraîncălzire;- valoarea cuplului maxim scade;- alunecarea critică rămâne constantă;- scăderea tensiunii este limitată de valoarea cuplului rezistent, existând

pericolul de oprire a motorului (fenomen de desprindere), ca în figura 21;

- se utilizează în cazul pornirii la tensiune redusă;- reglarea vitezei se realizează numai într-un domeniu redus şi sub

turaţia nominală.

36

Fig. 21 Variaţia cuplului la modificarea rezistenţei din circuitul rotoric.

b) cu privire la variaţia vitezei motorului asincron prin modificarea rezistenţei din circuitul rotoric:- se poate aplica numai motoarelor asincrone cu rotor bobinat;- modificarea rezistenţei din circuitul rotoric se realizează numai în

sensul creşterii acesteia;- la creşterea acesteia valoarea cuplului maxim rămâne aceeaşi, deci şi

capacitatea de suprasarcină (figura 22):

Fig. 22 Variaţia cuplului la modificarea rezistenţei dincircuitul rotoric.

37

- creşte alunecarea critică;- creşte cuplul la pornire până la valori egale cu cea a cuplului maxim;- se limitează curenţii absorbiţi de la reţea, mai ales la pornire;- reglarea de viteză se face în sensul scăderii acesteia şi într-un

domeniu relativ redus, sub turaţia nominală;- dacă valoarea rezistenţei este suficient de mare se pot obţine viteze

negative, în cazul instalaţiilor de ridicat.

38

6. NORME TEHNICE DE SECURITATE A MUNCII

Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare, este necesară elimi-narea posibilităţii de trecere a unui curent periculos prin corpul omului.

Măsurile, amenajările şi mijloacele de protecţie trebuie să fie cunoscute de către tot personalul muncitor din toate domeniile de activitate.

Principalele măsuri de prevenire a electrocutării la locurile de muncă sunt : Asigurarea inaccesibilităţii elementelor care fac parte din circuitele

electrice şi care se realizează prin :- amplasarea conductelor electrice, chiar izolate, precum şi a unor

echipamente electrice, la o înălţime inaccesibilă pentru om. Astfel, normele prevăd ca înălţimea minimă la care se pozează orice fel de conductor electric să fie de 4 m, la traversarea părţilor carosabile de 6 m, iar acolo unde se manipulează materiale sau piese cu un gabarit mai mare, această înălţime să depăşească cu 2 - 2,5 m gabaritele respective;

- izolarea electrică a conductoarelor;- folosirea carcaselor de protecţie legate la pământ;- îngrădirea cu plase metalice sau cu tăblii perforate,

respectându-sedistanţa impusă până la elementele sub tensiune. Folosirea tensiunilor reduse (de 12, 24 şi 36 V) pentru lămpile şi

sculele electrice portative. Sculele şi lămpile portative care funcţionează la tensiune redusă se alimentează la un transformator coborâtor. Deoarece există pericolul inversării bornelor este bine ca atât distanţa picioruşelor fişelor de 12, 24 şi 36 V, cât şi grosimea acestor picioruşe, să fie mai mari decât cele ale fişelor obişnuite de 120, 220 şi 380V, pentru a se evita posibilitatea inversării lor.

La utilizarea uneltelor şi lămpilor portative alimentate electric, sunt obligatorii :

-verificarea atentă a uneltei, a izolaţiei şi a fixării sculei înainte deînceperea lucrului ;

-evitarea răsucirii sau a încolăcirii cablului de alimentare in timpullucrului şi a deplasării muncitorului, pentru menţinerea bunei stări a izolaţiei ;

-menajarea cablului de legătură in timpul mutării uneltei dintr-unloc de muncă în altul, pentru a nu fi solicitat prin întindere sau răsucire; unealta nu va fi purtată ţinându-se de acest cablu;

39

-evitarea trecerii cablului de alimentare peste drumurile de accesşi în locurile de depozitare a materialelor ; dacă acest lucru nu poate fi evitat, cablul va fi protejat prin îngropare, acoperire cu scânduri sau suspendare ;

-interzicerea reparării sau remedierii defectelor in timpul funcţionăriimotorului sau lăsarea fără supraveghere a uneltei conectate la reţeaua electrică.

Folosirea mijloacelor individuale de protecţie şi mijloacelor de avertizare. Mijloacele de protecţie individuală se întrebuinţează de către electricieni pentru prevenirea electrocutării prin atingere directă şi pot fi împărţite, în două categorii : principale şi auxiliare.

Mijloacele principale de protecţie constau din: tije electroizolante, cleşti izolanţi şi scule cu mânere izolante. Izolaţia acestor mijloace suportă tensiunea de regim a instalaţiei în condiţii sigure; cu ajutorul lor este permisă atingerea părţilor conducătoare de curent aflate sub tensiune.

Mijloacele auxiliare de protecţie constau din: echipament de protecţie (mănuşi, cizme, galoşi electroizolanţi), covoraşe de cauciuc, platforme şi grătare cu picioruşe electroizolante din porţelan etc. Aceste mijloace nu pot realiza însă singure securitatea împotriva electrocutărilor.

Întotdeauna este necesară folosirea simultană cel puţin a unui mijloc principal şi a unuia auxiliar.

Mijloacele de avertizare constau din plăci avertizoare, indicatoare de securitate (stabilite prin standarde si care conţin indicaţii de atenţionare), îngrădiri provizorii prevăzute si cu plăcuţe etc. Acestea nu izolează, ci folosesc numai pentru avertizarea muncitorilor sau a persoanelor care se a-proprie de punctele de lucru periculoase.• Deconectarea automată în cazul apariţiei unei tensiuni de atingere

periculoase sau a unor scurgeri de curent periculoase. Se aplică mai ales la instalaţiile electrice care funcţionează cu punctul neutru al sursei de alimentare izolat faţă de pământ.

Menţionând faptul că un curent de defect de 300 - 500A poate deveni în anumite condiţii, un factor provocator de incendii, aparatul prezentat asigură protecţia şi împotriva acestui pericol.

Întrerupătorul este prevăzut cu carcase izolante, şi este echipat cu declanşatoare termice, electromagnetice şi releu de protecţie la curenţi de defect. Separarea de protecţie se realizează cu ajutorul unui transformator de

separaţie. Prin aceasta, se urmăreşte crearea unui circuit izolat faţă de pământ, pentru alimentarea echipamentelor electrice, la care trebuie înlăturat pericolul de electrocutare, în cazul unui defect, intensitatea curentului care se închide prin om este foarte mică,

40

deoarece trebuie să treacă prin izolaţie, care are o rezistenţă foarte mare.

Condiţiile principale care trebuie îndeplinite de o protecţie prin separare sunt :

-la un transformator de separaţie să Jiu se poată conecta decât un singur utilaj ;

- izolaţia conductorului de alimentare să fie întotdeauna în stare bună, pentru a fi exclusă posibilitatea apariţiei unui curent de punere la pământ de valoare mare.

Izolarea suplimentara de protecţie constă în executarea unei izolărisuplimentare faţă de izolarea obişnuită de lucru, dar care nu trebuie să reducă calităţile mecanice şi electrice impuse izolării de lucru.

Izolarea suplimentară de protecţie se poate realiza prin :- aplicarea unei izolări suplimentare între izolaţia obişnuită de

lucru şi elementele bune conducătoare de electricitate ale utilajului;

- aplicarea unei izolaţii exterioare pe carcasa utilajului electric ;

- izolarea amplasamentului muncitorului faţă de pământ. Protecţia prin legare la, pământ este folosită pentru asigurarea

personalului contra electrocutării prin atingerea echipamentelor şi instalaţiilor care nu fac parte din circuitele de lucru, dar care pot intra accidental sub tensiune, din cauza unui defect de izolaţie. Elementele care se leagă la pământ sunt următoarele: carcasele şi postamentele utilajelor, maşinilor şi ale aparatelor electrice, scheletelor metalice care susţin instalaţiile electricede distribuţie, carcasele tablourilor de distribuţie şi ale tablourilor de comandă, corpurile manşoanelor de cabluri şi mantalele electrice ale cablurilor, conductoarelor de protecţie ale liniilor electrice de transport, etc. Instalaţia de legare la pământ constă din conductoarele de legare la pământ şi priza de pământ, formată din electrozi. Prizele de pământ verticale sau orizontale se realizează astfel încât diferenţa de potenţial la care ar putea fi expus muncitorul prin atingere directă să nu fie mai mare de 40 V.

În general, pentru a se realiza o priză bună, cu rezistenţă mică, elemen-tele ei metalice se vor îngropa la o adâncime de peste l m, în pământul bun conducător de electricitate, bine umezit şi bătut.

Sistemul de priză (legare la pământ) separată pentru fiecare utilaj prezintă următoarele dezavantaje : este costisitor (cantităţi mari de materiale şi manoperă) ; unele utilaje (transformatoare de sudură, benzi transportoare etc.) se mută frecvent dintr-un loc în altul; legătura este de

41

multe ori incorect executată datorită caracterului de provizorat al instalaţiei. Protecţia prin legare la nul se realizează prin construirea unei reţele

generale de protecţie care însoţeşte în permanenţă reţeaua de alimentare cu energie electrică a utilajelor.

Reţeaua de protecţie are rolul unui conductor principal de legare la pământ, legat la prize de pământ cu rezistenţă suficient de mică. Sistemul prezintă o serie de avantaje :

-utilajele electrice pot fi legate la o instalaţie de legare la pământ c\io rezistenţă suficient de mică ;

- este economic, deoarece la instalaţiile provizorii pentru şantiere,materialele folosite pot fi recuperate în cea mai mare parte.

- este uşor de realizat, putând fi folosite prizele de pământ naturale,constituite chiar din construcţiile de beton armat;

- permite să se execute legături sigure de exploatare, deoarece areprize stabile cu durată mare de funcţionare ;

- toate utilajele electrice pot fi racordate cu uşurinţă la reţeaua deprotecţie ;

- se poate executa în mod facil un control al instalaţiei de legare la pământ, deoarece legăturile sunt simple şi vizibile, iar prizele de pământ pot fi separate pe rând pentru măsurare, utilajele rămânând protejate sigur de celelalte prize. Pentru cazul unei întreruperi accidentale a legăturii la nul se prevede, ca o măsură suplimentară, un număr de prize de pământ.

În aceeaşi instalaţie nu este permisă protejarea unor utilaje electrice prin legare la pământ, iar a altora prin legare la nul. Instalaţia de protecţie nu poate fi modificată în timpul exploatării, fără un proiect si fără dispoziţia şefului unităţii respective.

Conductoarele de legare la pământ şi la nul nu se vor folosi pentru alte scopuri (alimentarea corpurilor de iluminat, a prizelor monofazate etc.). Conductoarele circuitelor electrice prin care circulă curentul de lucru (conductoarele de nul, de lucru) nu pot fi folosite drept conductoare de protecţie. Pentru a nu se crea confuzii, conductoarele de nul de protecţie se vopsesc in culoarea roşie (sau se folosesc conductoare cu izolaţie roşie), iar cele de lucru în culoare albă-cenuşie.• Protecţia prin egalizarea potenţialelor este un mijloc secundar de

protecţie şi constă în efectuarea unor legături, prin conductoare, în toate părţile metalice ale diverselor instalaţii şi ale construcţiilor, care în mod accidental ar putea intra sub tensiune şi ar fi atinse de către un muncitor ce lucrează sau de către o persoană care trece prin acel loc.

42

Prin intermediul legăturilor se realizează o reducere a diferenţelor de potenţial dintre diferitele obiecte metalice sau chiar o anulare a acestor diferenţe, obţinându-se astfel egalizarea potenţialelor şi deci eliminarea pericolului de electrocutare. De precizat însă că reţeaua de egalizare trebuie conectată la instalaţia de legare la pământ sau la nul.

În continuare, vor fi prezentate câteva specificaţii referitoare la metodele de protecţie statuate în normele NTSM referitoare la maşinile electrice.

Organizaţiile de cercetări şi proiectări sunt obligate ca la cercetarea, proiectarea şi construcţia maşinilor electrice sã se ţină seama de cerinţele de protecţie a muncii, astfel încât la realizarea şi exploatarea acestora să nu existe pericol de accidentare sau îmbolnăviri profesionale.

În cazul când organizaţiile care construiesc maşini constatã că la proiectarea acestora nu s-a ţinut seama de cerinţele de protecţie a muncii, vor sesiza organul de proiectare respectiv, care este obligat să ia măsuri de remediere.

La omologarea maşinilor electrice, comisiile de omologare vor verifica dacă acestea corespund din punct de vedere al protecţiei muncii şi se vor omologa numai acelea care asigurã desfăşurarea proceselor de muncã fără pericol de accidente sau îmbolnăviri profesionale. În procesul verbal de omologare se va consemna în mod expres că maşina corespunde din punct de vedere al protecţiei muncii.

La contractarea noilor maşini electrice din import, se va prevedea în contract obligativitatea furnizorului de a le livra cu toate dispozitivele de protecţie a muncii şi cu instrucţiuni prevăzute în normele de protecţie a muncii.

Livrarea sau exploatarea utilajelor care nu sunt dotate cu dispozitive şi mijloace de protecţie sau care prezintă pericole de accidentare în timpul exploatării, nu este permisă. Maşinile vor fi însoţite la livrare de instrucţiuni privind montajul şi deservirea în condiţii de securitate.

La maşinile şi locurile de muncã unde operaţiile se efectuează în poziţie şezândă, elementele de comandã vor fi astfel amplasate încât sã fie asigurată o poziţie comodã a angajaţilor în timpul lucrului.

Toate dispozitivele de protecţie (carcase, apărători, etc.) vor fi vopsite în exterior, cu vopsea în culoare galbenã de securitate, conform standardelor de stat în vigoare.

Organele de maşini sau instalaţiile, care în timpul exploatării pot fi suprasolicitate din anumite cauze, vor fi prevăzute cu elemente de siguranţă care să prevină deteriorarea sau desprinderea organului respectiv.

Toate maşinile de lucru trebuie să fie prevăzute cu dispozitive de frânare, care să asigure oprirea rapidã a acestora.

43

Maşinile vor fi prevăzute cu dispozitive de siguranţă, supraveghere, semnalizare şi control, astfel încât să se asigure funcţionarea lor corectã fără pericole de accidentare.

Dispozitivele de siguranţã trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

a)să se asigure o protecţie eficientã împotriva accidentelor şi să nu constituie ele însăşi o sursã de pericol;

b)să împiedice accesul în zona periculoasã, în tot timpul lucrului;c)să permită desfăşurarea procesului tehnologic în bune condiţii, fără sã

îngreuneze munca angajatului;d)să funcţioneze automat sau să necesite un minim de efort;e)să corespundã maşinii pentru care au fost concepute;f)să facă parte integrantă din maşina pentru care au fost realizate;g)să fie durabile şi rezistente la şocuri, foc, coroziune, etc.;h)să poată fi utilizate timp îndelungat şi să necesite un minim de

întreţinere;i)în caz de defectare, să permită înlocuirea lor cât mai uşoarã;j)să permită ungerea şi accesul pentru verificarea, reglarea şi repararea

maşinii fără pericole de accidentare.Maşinile care nu pot fi supravegheate de la pupitrul de comandă, vor fi

prevăzute şi cu sisteme de semnalizare, în ambele sensuri, între locul de comandă şi locurile de muncã sau de supraveghere stabilite. Pornirea maşinilor electrice care nu pot fi supravegheate de la pupitrul de comandă se va face numai după confirmarea semnalului de pornire (acustic sau optic) de la locurile de muncã şi posturile de supraveghere.

Locurile periculoase de la maşini, care nu pot fi protejate cu apărători, vor fi îngrădite cu balustrade sau paravane de protecţie, montate la distanţe corespunzătoare.

Locurile periculoase trebuie să fie semnalizate prin tăbliţe indicatoare de securitate. Ele se vor utiliza şi în cazul în care se efectuează reparaţii, pentru prevenirea cuplării sau punerii în funcţiune a maşinilor sau instalaţiilor la care se lucrează. Deservirea maşinilor electrice va fi încredinţatã numai persoanelor calificate şi instruite special în acest scop.

Se interzice angajaţilor de la maşini să remedieze defecţiunile acestora. Repararea şi întreţinerea maşinilor se vor face numai de către angajaţii calificaţi în specialitatea respectivã.

44

BIBLIOGRAFIE

Nicolescu E. , Răduţ C. , Ghiţă N. – Maşini electrice şi Transformatoare (Editura de Stat Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1960)

Mircea Popa – Electrotehnica (Editura de Stat Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1960)

Filote Constantin, Graur Adrian – Sisteme de comandă şi reglare a maşinilor electrice (Editura Universităţii Suceava, 1998)

Arpad Kelemen – Acţionări electrice (Editura de Stat Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1976)

Popescu Stelian, Popescu Constantin, Ghiţuleasca Ilarion – Maşini şi instalaţii electrice (Editura de Stat Didactică şi Pedagogică, Bucureşti 1977)

Norme departamentale de protecţie a muncii: întreţinere, reparaţii şi construcţii utilaje [Volumul V] (Ministerul Economiei Forestiere şi a Materialelor de Construcţie, Editura Ceres, Bucureşti, 1974)

45