L.5 MOTORUL ELECTRIC SINCRON TRIFAZAT

1. CONSIDERAŢII TEORETICE

1.1 Construcţia şi principiul de funcţionare

În construcţia normală motorul electric sincron are indusul fix (stator) şi inductorul mobil ( rotor).

Statorul prezintă aceleaşi elemente componente ca şi motorul asincron: carcasă, scuturi portlagăr, cutie de borne, suport portperii, miez feromagnetic realizat din tole şi o înfăşurare trifazată distribuită în crestăturile miezului, având p perechi de poli şi conectată de regulă în stea.

Rotorul se compune din: arbore, ventilator, miez magnetic, înfăşurare de excitaţie şi inele colectoare.

Miezul se realizează în două variante: • cu poli aparenţi şi înfăşurare de tip concentrat, realizată din bobine masive înseriate

şi dispuse pe miezurile polilor; • cu poli înecaţi şi înfăşurare distribuită în crestăturile miezului.

Înfăşurarea de excitaţie se alimentează în c.c. de la un mic generator autoexcitat numit excitatrice sau de la un redresor comandat.

Dacă se alimentează înfăşurarea statorică trifazată cu un sistem trifazat simetric de tensiuni, de frecvenţă f1, curenţii statorici dau naştere unui câmp magnetic învârtitor care se roteşte faţă de stator cu turaţie sincronă.

n1=( 60f1)/p (1)

Dacă se alimentează înfăşurarea de excitaţie cu tensiune continuă şi se aduce rotorul

printr-un mijloc oarecare la o turaţie apropiată de cea sincronă, polii magnetici rotorici se cuplează magnetic cu polii statorici de nume contrar, câmpul magnetic antrenând de aici înainte rotorul cu viteză sincronă.

Axele polilor magnetici rotorici rămân decalate în urmă faţă de axele polilor câmpului magnetic rezultant din întrefier cu un unghi δ dependent de cuplul rezistent la arbore şi care se numeşte unghi intern. Sensul de rotaţie este impus de ordinea de succesiune a fazelor la bornele înfăşurării statorice.

1.2 Caracteristici de funcţionare Principalele caracteristici de funcţionare a motorului sincron sunt reprezentate în

fig. 1, 2, 3. Caracteristica M (δ ) - fig.1 descrie funcţionarea motorului la curent de excitaţie

constant şi putere la arbore variabilă. Funcţionarea la putere constantă şi curent de excitaţie variabil poate fi descrisă cu

ajutorul curbelor în V: I (Ie) - fig.2 şi cos ϕ (Ie) - fig.3. Din fig.3 se observă că intensitatea curentului absorbit din reţea are valoare minimă atunci când el este în fază cu tensiunea reţelei. Curentul de excitaţie respectiv se numeşte optim (Ieo). În acest regim motorul nu schimbă putere reactivă cu reţeaua, câmpul magnetic din motor fiind asigurat în totalitate de înfăşurarea de excitaţie. Când curentul de excitaţie este mai mic decât valoarea optimă, motorul e subexcitat lucrând cu factor de putere inductiv şi absorbind o parte din puterea

necesară pentru magnetizare din reţea. Curentul de excitaţie nu poate fi scăzut sub limita de stabilitate când cuplajul magnetic din interior se poate desface (câmpul de excitaţie fiind relativ mic) şi motorul poate ieşi din sincronism oprindu-se.

Când curentul de excitaţie este mai mare decât valoarea optimă, motorul este supraexcitat, prezintă factor de putere capacitiv, debitând în reţea putere reactivă întocmai ca un condensator reglabil.

1.3 Pornirea motorului

Deoarece motorul sincron nu dezvoltă cuplu decât la turaţie sincronă, pentru a prinde

în sincron trebuie adus mai întâi în apropierea turaţiei sincrone. Metoda cea mai utilizată este pornirea în asincron. Pentru a putea porni în asincron, motorul sincron este prevăzut cu o înfăşurare rotorică

suplimentară de tip colivie, barele acesteia fiind plasate în crestături practicate în tălpile polare rotorice.

În unele cazuri colivia este înlocuită prin tălpi polare masive în care se induc curenţi turbionari ce produc cuplul asincron de pornire.

În fig.4 este prezentată o schemă electrică simplificată pentru pornirea în asincron.

Pornirea are loc în două etape. În prima etapă se cuplează înfăşurarea statorică la reţea prin intermediul autotransformatorului AT ( se închid K2 şi K3; se deschide K3; se închide K1 şi se deschide K2) şi are loc apropierea de turaţia sincronă datorită cuplului asincron produs de colivia rotorică. În această perioadă K4 este deschis, înfăşurarea de excitaţie fiind legată de o rezistenţă relativ mare (R =10Rex) astfel încât este evitată străpungerea izolaţiei datorita t.e.m. ridicată indură în rotor ( 3 - 20 kV ) cuplul asincron de frânare produs de înfăşurarea de excitaţie fiind relativ redus.

MMm

Mn A

B

Cδπ/2

I

IeIe0

Pn

ϕ=−π/2ϕ=π/2 0

0.25

0.50.75 ϕ=

0

Ie

cosϕ

0 0.25 0.5

0.75 P n1

ind cap

δn

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3

MS~

Ex=

R

S

T

K3

AT

R

K1

K2

K2

K1

Re

Rc

K3

d D

Fig. 4

În partea a doua are loc prinderea în sincron. Releul d sesizează apropierea de turaţia sincronă prin scăderea t.e.m. indusă în înfăşurarea de excitaţie şi comandă închiderea lui K4. Excitatricea care s-a autoexcitat în apropierea turaţiei sincrone, asigură acum un curent de excitaţie relativ mare (R este scurtcircuitat de K4) al cărui câmp se poate cupla magnetic cu câmpul învârtitor statoric motorul prinzând în sincron.

1.4. Determinarea randamentului

Motorul sincron absoarbe o putere electrică :

P1 = 3 U I cosϕ +Re Ie2

(2)

şi dă la arbore puterea mecanică :

P2 = η P1 (3)

Diferenţa dintre cele două puteri este constituită din: a) pierderi în fierul statoric - PFel - dependente de frecvenţa f1 şi tensiunea V1 a reţelei de alimentare ; b) pierderi prin efect Joule ;

Pj = 3R1I2 + ReIe

2 (4)

c) pierderi mecanice - Pm - dependente de turaţie; d) pierderi a perii, dependente de căderea de tensiune la perii ( ∆U Vp ≅ 0 6. ):

P U Ip p e= ∆ (5)

sau :

P U Ip p e= 3∆ (6) când indusul este rotor ; e) pierderi suplimentare :

P U I IIs N N N

N

N

=

0 005

2

. cosϕ (7)

Pierderile mecanice şi în fier pot fi separate printr-o încercare de mers în gol :

Pm + PFe1 = P0 - 3R1I02 (8)

Calculând pierderile totale:

∑P = PFe1 + Pm + Pj + Pp + Ps (9)

se poate determina randamentul:

η = 1 - ∑ P / P1 (10)

2. PROCEDEUL EXPERIMENTAL

2.1 Se identifică elementele constructive ale unui motor sincron, se determină bornele, se măsoară rezistenţa înfăşurărilor şi se citesc mărimile nominale de pe placa de timbru.

Se completează tabelul 1. Tabelul 1

P2N (W)

UN (V)

IN (A)

cosϕN P1N (W)

n1 (rpm)

R1

(Ω) Re

(Ω) UeN (V)

IeN (A)

ηN

2.2 Se aleg aparatele şi se realizează montajul din fig.5.

2.3 Se realizează pornirea în asincron. Cu întrerupătoarele K2, K3 închise, K1, K4, K5 deschise şi reostatele R şi Re1 pe rezistenţa maximă se cuplează circuitul la reţea. După ce motorul a ajuns în apropiere de turaţia sincronă se deschid K2 şi K3 şi se închide K1 alimentând înfăşurarea de excitaţie de la sursa de c.c. ST1. 2.4. Se trasează curbele în V. Se creşte curentul de excitaţie prin semicircuitarea treptată a lui Re1, la mers în gol şi se citesc mărimile: curentul de excitaţie Ie (ampermetrul A1), curentul alternativ I (ampermetrul A2), puterea absorbită pe fază din reţea Pf ( wattmetrul W1 ) şi tensiunea de linie U1 ( voltmetrul V1 ). Datele se trec în tabelul 2.

Tabelul 2 Re2 = ∞ Re2max/2 Re2 = 0

Ie (A)

I (A)

Pf (W)

cosϕ Ic (A)

I (A)

Pf (W)

cosϕ Ie (A)

I (A)

Pf (W)

cosϕ

MS ~ G -

ST1 ~

=

K1 R K2

R c1 R u

R c 2 R e

ST2 ~

= K3

K4

K5

R S T

A1

V1 A2

A3

W1

Fig. 5

Cu Re2 şi Ru pe rezistenţă maximă se închid K4 şi K5. Se reglează Re2 la valoarea Re2max/2 şi se reiau determinările de mai sus la funcţionarea

în sarcină. Datele se trec în tabelul 2. Se scurtcircuitează apoi Re2 şi se reiau determinările la sarcină mărită a motorului

sincron. Datele se trec în tabelul 2. Se trasează apoi familiile de caracteristici I (Ie) şi cosϕ (Ie) Factorul de putere se calculează cu relaţia:

cosϕ = 3 Pf / UI (11)

2.5 Se efectuează o încercare de mers în gol la curent de excitaţie optim. Cu K2 - K5 deschise se reglează Re1 astfel încât curentul statoric să fie minim, Ie (ampermetrul A2).

Se citesc curentul Ie (ampermetrul A2), puterea Pf (wattmetrul W1) şi curentul Ie (ampermetrul A1).

Se calculează Po = 3 Pf şi apoi pierderile PN + Pfe1 cu relaţia (8). Rezultatul se trece în tabelul 3. 2.6 Se efectuează o încercare în sarcină pentru determinarea randamentului. Se reglează cu Ro1 curentul de excitaţie Ie la valoarea nominală. Cu Re2 şi Ru pe rezistenţă maximă şi închid K4 şi K5.

Se scurcircuitează apoi treptat Re2, citind curentul de excitaţie Ie (ampermetrul A1), curentul alternativ I (ampermetrul A2) şi puterea pe fază Pf (wattmetrul W1). Se calculează Pj, Pp, Ps, ∑ P cu relaţiile (4), (6), (7), (9), puterea :

P1 = 3Pf + ReIe

2 (12)

apoi randamentul cu relaţia (10) şi puterea P2 cu relaţia (3). Rezultatele se trec în tabelul 3.

Tabelul 3 I

(A) Ie

(A) Pf

(W) PN+PFe1

(W) Pj

(W) Pp

(W) Ps

(W) ∑ P (W)

P1 (W)

η P2 (W)

Se trasează caracteristica η (P2).