Modificarea turaţiei motoarelor asincrone trifazate prin schimbarea numărului de poli

In scopul modificării numărului de poli, pe statorul maşinii se plasează două înfăşurări, cu număr de poli diferit, în aceleaşi crestături sau numai una singură ale cărei secţii se pot conecta astfel încât să rezulte două turaţii de sincronism diferite.

Dacă statorul posedă două (trei) înfăşurări diferite, atunci acestea se pot executa pentru orice număr de poli, iar dacă se face conectarea în două moduri diferite a secţiilor unei singure înfăşurări, atunci raportul între, numărul de poli este doi. Modificarea numărului de poli în stator atrage după sine necesitatea schimbării şi a numărului de poli rotorici, ambele înfăşurări trebuind să aibe acelaşi număr de poli. Deoarece schimbarea numărului de perechi de poli atât în stator cât şi în rotor implică complicaţii constructive (montarea a câte trei inele colectoare suplimentare pentru fiecare număr de perechi de poli în rotor), maşinile cu număr de perechi de poli variabili se construiesc, de regulă, cu rotorul în scurtcircuit, acesta adaptându-se automat la orice număr de perechi de poli ai înfăşurării statorice.

Infăşurările cu număr variabil de poli sunt executate din câte două jumatati de fiecare faza (petru faza A: A1 – X1 si A2 – X2 ). Jumatatile de infasurare de pe faza pot fi conectate in serie (fig. 1) sau parallel in opozitie (fig 2) cand se obtine un numar de poli pe jumatate fata de conectarea in serie.

Sunt două moduri practice de modificare a numărului de poli ai unei înfăşurări:

- prin trecerea de la conexiunea stea la dublă stea;

- prin trecerea de la conexiunea triunghi la dublă stea.

De la numărul de poli 2p = 2b la conexiunea în stea sau triunghi, când cele două jumătăţi de înfăşurare sunt conectate în serie, se trece la conexiunea dublă stea, prin legarea paralel în opoziţie a celor două jumătăţi de înfăşurare. în acest fel, numărul de poli se reduce la jumătate, 2p = b, turaţia de sincronism dublându-se.

Conexiune serie Conexiune parallel

Modificarea turaţiei prin trecerea de Ia conexiunea stea la conexiunea dublă stea

Conexiunea stea si conexiunea dubla stea

Trecerea de la conexiunea stea (Y) la conexiunea dublă stea (YY) se realizează la cuplu constant. Notând cu I1 curentul printr-o jumătate dc înfăşurare a unei faze staţorice, se observă că la conexiunea în sicu curentul de linie este I1 = I1 iar la conexiunea dublă stea I1 = 2I1. Lafactori de putere egali în cele două montaje, puterea activă se dublează la conexiunea în dublă stea.

Deoarece numărul de poli se înjumătăţeşte, turaţia de sincronism sc dublează la conexiunea în dublă stea faţă de conexiunea stea, astfel încât cuplul dezvoltat rămâne constant.

Modificare turaţiei prin trecerea de la conexiunea triunghi laconexiunea dublă stea

Trecerea de la conexiunea triunghi la conexiunea dublă stea se face conform schemei din figura 3.

Trecerea de conexiunea triunghi (A) la conexiunea dublă stea (YY) se realizează la putere practic constantă. Într-adevăr, presupunând egalitatea factorilor de putere pentru ambele conexiuni, puterea activă preluată de motor de la reţea rămâne aproximativ aceeaşi.

Deoarece numărul de poli se înjumătăţeşte, turaţia de sincronism se dublează la conexiunea în dublă stea faţă de conexiunea în triunghi, şi cum puterea rămâne practic constantă, rezultă reducerea la jumătate a cuplului.

Pentru executarea comutărilor în schema de conexiuni a înfăşurării trifazate statorice se utilizează comutatoare speciale sau contactoare.

Motoarele asincrone trifazate, cu mai mult de două turaţii de sincronism, se execută cu o înfăşurare comutabilă şi una obişnuită, dispuse în aceleaşi crestături, în cazul a trei turaţii distincte de sincronism, sau cu două înfăşurări diferite şi comutabile în cazul a patru turaţii de sincronism. Din cauza dificultăţilor de execuţie practică a înfăşurărilor, nu se obţin mai mult de patru turaţii distincte de sincronism. Modificarea turaţiei prin schimbarea numărului de poli este economică, dar nu poate fi realizată decât în trepte. Caracteristicile mecanice sunt rigide pe porţiunile lor liniare. Dezavantajul

metodei îl constituie necesitatea uneia sau mai multor înfăşurări speciale în stator, precum şi un aparataj de comutaţie special.Aplicaţiile în domeniul naval sunt întâlnite la acţionarea vinciu- rilor de ancoră, a vinciurilor instalaţiei de încărcare - descărcare, a pompelor, ventilatoarelor etc.

Motoarele pentru acţionarea vinciurilor de ancoră au de obicei în > stator două înfăşurări, dintre care una cu număr schimbabil de poli, cu ajutorul căreia, prin trecerea de la conexiunea triunghi la dublă stea, se obţin primele două trepte de turaţie. Trecerea de la turaţia coborâtă la turaţia rdicată se face la putere constantă, puterea centralei electrice navale fiind limitată. Treapta a treia de turaţie se obţine cu ajutorul celei de a doua înfăşurări, conectată de regulă în stea şi utilizată la recuperarea parâmelor libere. Motoarele de acţionare a vinciurilor de marfă sunt prevăzute în stator cu trei înfăşurări distincte, în conexiune stea, fiecare înfăşurare fiind realizată pentru un anumit număr de poli, treapta de bază fiind treapta a treia.

Pornirea motoarelor asincrone

Problemele pornirii

Problemele de bază ale pornirii motoarelor asincrone sunt puse de valoarea cuplului de pornire şi de valoarea şocului de curent la pornire.

Pentru ca rotorul să poată să accelereze, trebuie ca motorul să dezvolte un cuplu mai mare decît cuplul de sarcină de la arborele maşinii, durata pornirii depinzând de diferenţa dintre cele două cupluri.

în momentul pornirii, curentul absorbit de motor de la reţea are valoare ridicată.

Procesul de pornire este însoţit deci de variaţii ale diferitelor mărimi electromagnetice, care pot atinge valori importante. Limitarea acestor variaţii, în scopul evitării efectelor negative asupra reţelei şi motoarelor electrice, se asigură prin alegerea unei metode de pronire adecvate.

In procesul de pornire, prezintă importanţă următoarele mărimi, numite caracteristici de pornire:

- curentul relativ de pornire- cuplul relativ la pornire

- durata pornirii- fineţea pornirii şi economicitatea procesului de pornie din punct devedere energetic şi cel al costului instalaţiilor auxiliare de pornire.

La alegerea metodei de pornire se au în vedere:- limitarea curentului de pornire;- realizarea unui cuplu de pornire ce poate pune în funcţiune maşina în mod lin, fără şocuri dinamice.Prin limitarea curentului de pornire se reduc eforturile electrodinamice

între capetele de bobine şi suprasolicitările termice, dăunătoare izolaţiei înfăşurărilor.

Procedeele de pornire diferă după tipul constructiv al rotorului, în scrutcircuit sau bobinat.

Deşi toate procedeele de pronire a motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit pot fi aplicate şi celor cu rotorul bobinat, acestea din urmă se pornesc aproape în exclusivitate cu reostat în circuitul rotoric, datorită realizării unui cuplu mare la pornire.

Pornirea directă

Acest procedeu de pornire conduce la schemele cele mai simple şi sigure în exploatare, el constând în aplicarea simultană în stator, a tensiunilor nominale pe fază.

Curentul mare absorbit din reţea produce importante căderi de tensiune în reţeaua de alimentare, care pot deranja funcţionarea celorlalţi consumatori şi, mai ales, iluminatul din reţelele mixte. Din acest motiv, R.N.R. impune verificarea căderilor de tensiune la barele tabloului principal de distribuţie, datorate pornirii directe a celui mai mare motor asincron cu rotorul în scurtcircuit montat la navă.

Pornirea directă este bruscă şi rapidă, cu şocuri dinamice ridicate în elementele cinematice ale transmisiei.

Aceste dezavantaje limitează puterea motoarelor asincrone ce se pot porni direct. Astfel, puterea celui mai mare motor asincron pornit directnu trebuie să depăşească 20% din puterea centralei electrice navale. în cazul reţelelor de forţă obişnuite, nu se acceptă pornirea directă decât pentru motoarele de puteri nominale mici, până la 5,5 kW la 380V.

Majoritatea motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit utilizate în acţionările electrice navale, pornesc prin cuplarea directă la reţeaua de forţă

a navei, prin această metodă pornind motoarele de acţionare a pompelor, ventilatoarelor, compresoarelor etc.

Motoarele de acţionare a vinciurilor de ancoră şi a celor de marfă, pornesc pe treapta de turaţie mică, asigurându-se astfel şi un şoc de curent în reţea mai mic, urmând apoi a fi trecute pe cea de a doua treaptă de turaţie (de bază), pe care puterea şi cuplul sunt maxime.

Pornirea stea-triunghi

Acest procedeu de pornire se aplică motoarelor cu rotor în scurtcircuit de puteri nominale mici, de regulă (3-10)kW la 220 V pe fază statorică, a căror înfăşurare statorică are accesibile toate cele şase borne. Schema de conexiuni corespunzătoare este prezentată în figura 3.54. în care înfăşurarea statorică este conectată la pornire în stea cu ajutorul comutatorului K.

După ce turaţia motorului atinge o valoare egală cu (90-95)% din turaţia de sincronism, se trece comutatorul pe poziţia corespunzătoare conexiunii triunghi. Comutarea poate avea loc manual, cu ajutorul comutatoarelor stea- triunghi sau controlere, fie automat, utilizând contactoare şi relee de timp.

La noi în ţară se fabrică comutatoare stea-triunghi, manuale şi automate, de curenţi nominali: 25; 63; 100; 200A, în ulei sau aer, cu maximum 30 conectări pe oră.

Avantajul esenţial al acestui procedeu este determinat de micşorarea de trei ori a curentului absorbit de la reţea, faţă de cazul in care motorul a pornit direct in conexiunea in triunghi.

Deoarece tensiunile de fază scad de 3 ori la legarea în stea, cuplul de pornire (proporţional cu pătratul tensiunii statorice de fază) scade de trei ori faţă de cel corespunzător pornirii directe cu înfăşurarea statoricăconectată in triunghi. Acest dezavantaj limitează aplicarea procedeului numai acolo unde pornirea se face în gol sau cu un cuplu de sarcină redus, excluzându-se aplicarea lui la pornirea în plina sarcină.

La comutarea în triunghi au loc salturi de curent trecând de pe caracteristica caracteristica corespunzătoare conexiunii triunghi.

Nerespectarea atingerii turaţiei de circa (90-95)% din turaţia de sincronism, la trecerea de la stea la triunghi, face să apară salturi de curent şi de cuplu apropiate de cele realizate la pornirea directă în triunghi, ceea ce anulează avantajele specifice acestei metode de pornire.Pornirea stea-triunghi poate fi aplicată numai motoarelor asincrone a cărortensiune statorică de fază este egală cu tensiunea de linie a reţelei de alimentare. în cazul reţelelor de distribuţie navale a căror tensiune de linie este 380V- motoarele ce urmează a fi pornite prin această metodă trebuie sa aiba inscrisa pe placuta lor mentiunea 380/660 v sau (un triunghi – 380V).

Motoarele asincrone pe plăcuţa cărora este înscrisă menţiunea A/Y - 220V/380V nu pot fi pornite prin acest procedeu, tensiunea statorică nominală pe fază este 220V şi nu 380V cât ar fi tensiunea ce s-ar putea aplica pe fază la conexiunea triunghi.

Pornirea cu autotransformator

Utilizând un autotransformator trifazat coborâtor, se poate alimenta înfăşurarea statorică a motorului asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit cu tensiuni mai scăzute ceea ce duce la micşorarea şocului de curent în reţea. Pentru pornirea motorului se închid întrerupătorul a şi contactele C,. In acest fel, autotransformatorul A.T. alimentează motorul cu tensiunea redusa Um. Când turaţia rotorului se apropie de cea de sincronism, se deschid contactele C„ desfăcându-se neutrul autotransformatorului şi se închid contactele C2 eliminându-se autotransformatorul din circuit, în continuare motorul fiind legat direct la reţeaua de alimentare. Aceste mo-dificări ale schemei de conexiuni se fac manual, cu controlere, sau automat, utilizând contactoare si relee de timp.

Prin utilizarea autotransformatorului la pornire, se reduce curentul de pornire absorbit din retea.

Pornirea cu tiristoare montate antiparalel

Tensiunea de alimentare pe fază a înfăşurării statorice se poate micşora prin montarea în antiparalel a unei perechi de tirisţoare.

Prin conectarea în paralel, dar în sens contrar, a două tiristoare, se obţine întrerupătorul de curent alternativ. Reducerea şocului de curent în reţea, la pornire, se realizează prin reducerea tensiunii de alimentare. Pentru schema de pornire din figura de mai sus., valoarea tensiunii de alimentare a motorului se reglează prin modificarea unghiului de aprindere a tiristoarelor. Cu această schemă se poate schimba sensul de rotaţie prin comanda aprinderii grupului de tiristoare I şi N.

In general, această metodă de pornire este cuplată cu un sistem de reglare a turaţiei în circuit închis pentru a putea folosi mai eficient calităţile de întrerupătoare statice de curent alternativ ale tiristoarelor.

Frânarea motoarelor asincrone

Frânarea electrică a motorului asincron prezintă mai multe dificultăţi decât cea a motorului de c.c. cu excitaţie derivaţie. Fiecare dintre metodele luate în considerare la adoptarea schemei generale pentru o anumita acţionare are avantaje şi dezavantaje care trebuie luate în considerare la adoptarea schemei generale pentru o anumita acţionare.Exceptând frânarea mecanică cu ajutorul frânelor electromagnetice şi frânarea prin influenţarea vreunui element al lanţului cinematic motor-

maşină de lucru, frânarea cu motorul asincron se poate realiza în următoarele regimuri de funcţionare:

- frânarea cu recuperarea de energie (suprasincronă);- frânarea prin contracurent (cuplare inversă);- frânarea dinamică;- frânarea subsincronă.

Frânarea cu recuperare de energie (suprasincronă)

Motorul asincron trifazat trece automat în acest regim, fără modificări în schema de conexiuni, prin creşterea turaţiei rotorului peste turaţia de sincronism, şi în acelaşi sens cu câmpul magnetic învârtitor statoric. Condiţia

ce trebuie îndeplinită pentru trecerea maşinii în regim de frânare suprasincronă.

Depăşirea turaţiei de sincronism se poate face numai prin furnizare de energie mecanică la arborele maşinii asincrone, în spiecial pe seama energiei potenţiale acumulate în masele în mişcare ale maşinilor de lucru, ca de exemplu la coborârea greutăţilor în instalaţiile de ridicat şi la coborârea pantelor vehiculelor cu tracţiune electrică.Energia potenţială se transformă în energie cinetică, care la rândul ei se transformă în energie electrică cedată reţelei de alimentare, maşina trecând în regim de generator asincron. Prin urmare, cuplul electromagnetic dezvoltat de maşină îşi schimbă sensul, devenind un cuplu de frânare.

Frânarea suprasincronă se aplică în special în cazul motoarelor de acţionare a vinciurilor de marfă. La aceste motoare, cu număr variabil de poli, trecerea de la turaţia mare , corespunzătoare conexiunii dublă stea, la turaţia pe jumătate, corespunzătoare conexiunii stea, se face printr- un regim intermediar de frânare cu recuperare de energie ce are loc pe porţiunea caracteristicii mecanice corespunzătoare conexiunii stea.

Metoda nu permite oprirea motorului, motiv pentru care se asociază cu alte procedee de frânare. In timpul frânării, maşina funcţionează în regim de generator asincron debitând putere activă în reţea şi absorbind de la reţea sau de la consumatorii conectaţi la stator putere reactivă necesară magnetizării.

Frânarea prin contracurent

Pornind de la regimul de motor ca regim de bază, frânarea propriu- zisă se realizează în două moduri:

- prin introducerea unor rezistenţe în serie cu rotorul, trecerea la regimul de frână făcându-se prin inversarea sensului de rotaţie al rotorului, succesiunea fazelor statorului rămânând aceeaşi;

- prin inversarea sensului de succesiune a fazelor statorice şi înserierea unor rezistenţe de frânare în circuitul rotoric la acelaşi sens de rotaţie al rotorului.

Frânarea prin contracurent prin inversarea sensului de rotaţie

Frânarea prin contracurent obţinută prin inversarea sensului de rotaţie se realizează prin introducerea unei rezistenţe „de cuplare inversă", de valoare corespunzătoare, în circuitul rotoric, astfel încât, pentru un anumit cuplu de sarcină, maşina să funcţioneze pe o caracteristică mecanică artificială reostatică la turaţii negative. Pentru a explica trecerea de la regimul de motor la cel de frână, se consideră maşina funcţionând pe caracteristica naturală, într-un punct corespunzător unui cuplu static potential.

Frânarea prin contracurent prin inversarea succesiunii fazelor statorice

Maşina asincronă trifazată funcţionând în regim de motor, cu un cuplu de sarcină de natură reactivă, trece în regim de frânare prin contracurent, prin inversarea legăturilor la reţea a două faze statorice, sensul de rotaţie al rotorului rămânând neschimbat. Simultan cu inversarea legăturilor la reţea a celor două faze statorice se intercalează în rotor o rezistenţă suplimentară, numită rezistenţa de cuplare inversă, cu scopul limitării şocului de curent în momentul reversării. în principiu,' frânarea prin contracurent prin inversarea succesiunii fazelor statorice se realizează conform schemei din figura de mai jos.

Pentru funcţionare în regim de motor cu sens de rotaţie dreapta, se închid contactele contactorului de linie C, şi contactele contactorului de sens C2, rezistenţa de cuplare inversă Rci fiind scurtcircuitată prin interme diul contactelor normal închise C3.

Prin deschiderea contactelor C2 şi închiderea contactelor normal deschise ale contactorului de sens C3, se inversează legăturile la reţea ale fazelor A şi B ale statorului. în acelaşi timp, prin deschiderea contactelor normal închise C3, se înseriază cu rotorul rezistenţa Rci.

Se consideră că maşina funcţionează în regim de motor, pe caracteristica naturală (dreapta 1), într-un punct A corespunzător unui cuplu de sarcină Ms de natură reactivă (fig. 3.63.). Un astfel de cuplu apare, de exemplu, în cazul motorului de acţionare a mecanismului de guvernare a navelor. Schimbând legăturile la reţea ale fazelor A şi B, între ele, sensul câmpului magnetic învârtitor statoric se schimbă, devenind opus sensului de rotaţie al rotorului, deci se va modifica şi sensul cuplului electromagnetic, acesta devenind un cuplu de frânare, opus sensului de rotaţie. Deoarece, simultan cu inversarea sensului câmpului învârtitor statoric, se intercalează în rotor rezistenţa Rci, punctul de funcţionare al maşinii va trece din A în B pe caracteristica de frânare (2'), simetrică în raport cu originea faţă de caracteristica artificială reostatică (2), din regim de motor. Trecerea din regim de motor în regim de frână se face la aceeaşi turaţie (nB = nA), modificându-se practic instantaneu legăturile în schema de conexiuni. Deci, caracteristica de frânare în contracurent va fi cuprinsă în cadranul doi al sistemului de axe de coordonate turaţie-cuplu.

în punctul B, maşina dezvoltă un cuplu de frânare -MB. Turaţia va scade rapid, pînă la valoarea zero (punctul C). Frânarea propriu-zisă are Ioc pe porţiunea BC a caracteristicii mecanice artificiale (2'). în punctul C, frânarea fiind terminată, maşina ar trebui deconectată de la reţea, în practică aceasta realizându-se cu un releu de viteză nulă, care, prin intermediul contactorului de linie C„ comandă deconectarea maşinii de la reţea.

Dacă însă, în punctul C maşina rămâne conectată la reţea, cum cuplul Mc este mai mare decât cuplul de sarcină Ms, rotorul se va accelera în sens invers celui iniţial. Punctul de funcţionare se deplasează pe caracteriastica (2') în D, unde MD = Ms, turaţia stabilindu-se la valoareastaţionară nD. Maşina reintră în regim de motor, însă cu sens de rotaţie opus celui din cadranul unu (punctul de funcţionare se deplasează pe caracteristica (2') în D unde MD = Ms), turaţia stabilindu-se la valoarea staţionară nD. Dacă în punctul D se scurtcircuitează rezistenţa de frânare Rci, motorul va trece să funcţioneze în punctul (A') pe caracteristica naturală „stânga"(l')» simetrică în raport cu originea faţă de caracteristica.

Metoda este utilizată în cazul instalaţiilor de ridicare, unde este nevoie de opriri sau reversări rapide.

Frânarea dinamică

Maşina asincronă trifazată, funcţionând în regim de motor, trece în regim de frânare dinamică prin separarea înfăşurării statorice de la reţeaua trifazată de alimentare şi conectarea a cel puţin două faze la o sursă de curent continuu aleasă în mod corespunzător.

În acelaşi timp, în circuitul rotoric se introduce o rezistenţă de frânare Rf. Trecerea de la regimul de motor (contactele C, închise) la regimul de frânare se face prin deschiderea contactelor C, şi închiderea contactelor normal deschise C2, prin aceasta alimentându-se fazele B şi C în c.c. In acelaşi timp, prin deschiderea contactelor normal închise ale contactorului de frînare Cp se introduce în rotor rezistenţa de frânare Rf.

Curentul continuu produce în stator un câmp magnetic fix ca poziţie în spaţiu şi invariabil în timp, care induce în rotorul în mişcare un sistem trifazat simetric de tensiuni electromotoare.

Circuitul rotoric fiind închis peste rezistenţa de frânare, sistemul trifazat electric de tensiuni determină apariţia unui sistem trifazat simetric de curenţi, care, interacţionând cu câmpul magnetic statoric dau naştere unui cuplu electromagnetic de frânare sub acţiunea căruia turaţia rotorului se micşoreză. In acest fel, maşina fiind excitată în c.c. în stator şi rotorul ei continuând să se rotească pe seama energiei cinetice înmagazinate în masele în mişcare, va începe să funcţioneze în regim de generator sincron cu turaţie descrescătoare. Maşina asincronă devine deci în acest regim de frânare generator sincron cu poli plini şi frecvenţă variabilă, statorul având rol de inductor, iar rotorul, rol de indus.

Energia cinetică a corpurilor în mişcare de rotaţie, care fac parte din sistemul de acţionare se transformă prin intermediul energiei electrice din rotor, integral în căldură, fiind deci nerecuperabilă.

In principiu, frânarea dinamică se poate realiza la ambele variante constructive, cu rotor bobinat şi cu rotor în scurtcircuit, ale maşinii asincrone. Frânarea în cazul maşinii cu inele este mai favorabilă din punct de vedere al solicitărilor termice, cea mai mare parte din căldura produsă degajându-se pe rezistenţa de frânare, mare în raport cu rezistenţa rotorică, spre deosebire de maşina cu rotor în scurtcircuit, la care, căldura dezvoltată în timpul frânării se degajă în întregime în rotor.

Alimentarea înfăşurării statorice cu c.c. se poate face de la o reţea separată sau, în lipsa acesteia, de la reţeaua de c.a. prin intermediul unui redresor.