Maşini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 1 Maşini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 1
1.1 Maşini electrice speciale
1.2 Maşini electrice amplificatoare
1.3 Amplidina
1.4 Amplificatoare statice
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 1
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 1
Maşini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 1
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 1 sunt:
• Familiarizarea cu maşinile electrice speciale
1.1 Maşini electrice speciale
Sunt maşini electrice care au o altă construcţie, alt principiu de funcţionare şi
alte scopuri decât maşinile electrice obişnuite ( transformatoare – folosite la transportul
şi distribuţia energiei electrice, motoare – folosite pentru acţionările electrice,
generatoare – folosite la producerea energiei electrice).
Astfel maşinile electrice speciale sunt folosite ca:
- elemente de execuţie în sistemele automate (aceste se numesc servomotoare);
- elemente pentru măsurări de tensiune şi curent (transformatoare de măsură);
- traductoare de viteză (tahogeneratoarele);
- traductoare de poziţie (selsine);
- amplificatoare (amplificatoare magnetice, maşini electrice amplificatoare);
- surse pentru sudare (transformatoare, generatoare), etc.
Dintre principalele cerinţe pe care trebuie să le îndeplinească maşinile electrice
speciale se pot aminti următoarele:
- cuplu specific mare pentru servomotoare;
- inerţie electromagnetică cât mai mică, ceea ce înseamnă inductivitate cât mai mică
în raport cu rezistenţa circuitului;
- siguranţă în funcţionare (în special depinde de calitatea materialelor folosite);
- gabarit redus;
- precizie ridicată, etc.
1.2 Maşini electrice amplificatoare
In prezent maşinile electrice amplificatoare tind să fie înlocuite de
amplificatoarele electronice. Totuşi ele mai pot fi întâlnite în industrie în unele sisteme
Maşini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
de reglare automată (amplificatoare magnetice-AM, amplidine), sau în ateliere de
sudură (generatoare de sudare cu câmp transversal).
Maşinile electrice amplificatoare (MEA) sunt maşini electrice de curent continuu
speciale, utilizate în scopul amplificării unor semnale în curent continuu de foarte mică
putere în comparaţie cu putere electrică dezvoltată de ele.
Structura unei maşini amplificatoare constă din următoarele elemente:
- circuitul de intrare a semnalului (A);
- convertizorul mecano-electric (B);
- circuitele de control şi reacţie (C);
MEA se caracterizează prin factorul de amplificare în putere kp ce reprezintă raportul
dintre puterea electrică debitată şi puterea electrică de comandă şi constanta de timp
T , care defineşte viteza de răspuns a maşinii la semnalul de comandă primit pe
excitaţie.
Dintre cele mai folosite în practică, amintim maşinile amplificatoare cu câmp
transversal(MEAT).
Aceste maşini sunt realizate astfel încât prezintă câte două perechi de perii
pentru fiecare pereche de poli (longitudinale –L şi transversale –T).
Principiul de funcţionare a MEAT se bazează pe apariţia fluxului transversal Φt
,produs de către curentul It cauzat la rândul său de tensiunea electromotoare care
apare la periile transversale când rotorul se învărte în câmpul produs de înfăşurarea
de comandă ΦE . Datorită fluxului transversal şi rotorului care se învârte în acest
câmp, va apare şi la periile longitudinale o tensiune Ul. Dacă se conectează o sarcină
la aceste borne atunci va circula prin aceasta un curent Il. Acest curent va produce şi
el un flux de reacţie longitudinală Φl.
Maşini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
MEAT se construiesc în două variante (fig.6.3.): compensate (a) sau
necompensate (b). Pentru deducerea caracteristicii vom pleca de la cazul existenţei
înfăşurării de compensare.
Tensiunea electromotoare indusă de fluxurile longitudinale (care apare la periile
transversale) se poate scrie:
UeT=kEIE-klIl+kklIl (1); unde kEIE – reprezintă tensiunea datorată fluxului înfăşurării de
excitaţie, klIl – reprezintă tensiunea datorată fluxului de reacţie longitudinal dat de
curentul ce trece prin periile din axa longitudinală şi prin sarcină, kkEIE - tensiunea
datorată fluxului înfăşurării de compensare care este funcţie de gradul de compensare
k (k=0 – necompensat, k=1- compensat total) şi de fluxul de reacţie longitudinal. Dacă
în (1) înlocuim IE=UE/RE putem determina curentul la periile transversale:
lT
lE
TE
E
T
llE
EE
T
eTT I
RK
kURRk
R
IkkRUk
RU
I )1()1(
−−=−−
== (2);
Dacă se notează coeficientul de amplificare în tensiune kU cu: TE
TEU RR
kkk =,
unde kT este o constantă a circuitului transversal, atunci putem scrie curentul
transversal: l
T
le
T
UT I
RkkU
kk
I )1( −−= (3).
Maşini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Tensiunea la periile longitudinale (de ieşire) se poate scrie: llTTl IRIkU −= (4), unde kTIT
reprezintă tensiunea datorată fluxului transversal iar RlIl este căderea de tensiune în circuitul
exterior.
Înlocuind (3) în (4) rezultă ll
T
TlEUl IR
RkkkUkU ))1(( +
−−=
(5), care reprezintă
caracteristica exterioară a MEAT.
Discuţii:
- dacă k=1, avem compensare totală – cazul amplidinei, şi atunci llEUl IRUkU −= ;
- dacă k=0, avem maşină necompensată – cazul metadinei şi atunci ne rezultă
llT
TlEUl IR
RkkUkU )( +−=
;
1.3 Amplidina
Este o masina electrica amplificatoare cu camp transversal (MEAT), prevazuta cu
infasurare de compensatie. Ea prezinta un factor de amplificare in putere ridicat
(1000…10000,uneori chiar mai mare) si constante de timp reduse, fiind cea mai raspandita
masina electrica amplificatoare.
Amplidina are minim doua infasurari de comanda (excitatie), dispuse pe o singura
pereche de poli de constructie speciala, sectionati in axa longitudinala, indusul este identic cu
cel al masinii de curent continuu, avand un sens de rotatie fixat de constructor si indicat
printr-o sageata pe stator. Pe colector sunt doua perechi de perii, astfel:
Maşini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
- o pereche in axa transversala, legate in scurtcircuit (prin ele circula Iq);
- o pereche in axa longitudinala, de la care se culege tensiune de iesire Ue.
Folosirea amplidinei in sistemele de reglare automata prezinta urmatoarele
caracteristici:
- realizarea unor unitati cu putere de iesire ridicata;
- timp scurt de intrare in functiune;
- sensibilitate redusa la variatia tensiunii de alimentare;
- constructie robusta si cheltuieli de intretinere mici.
Schema electrica echivalenta a amplidinei
IT
A
Ex C D K
IE
B
R Il UE
B
Ul
Daca
infasurarea de excitatie (comanda) este alimentata cu tensiune UE, in circuit va circula
curentul IE care produce fluxul de excitatie ΦE. La rotirea indusului in acest camp, in
infasurarea ce se inchide prin periile transversale se va induce o tensiune
electromotoare UT, ce va da nastere la curentul IT. Acest curent va produce un camp
transversal ΦT ( polii fictivi in A si B), care la randul sau va produce la periile C si D o
tensiune electromotoare Ul. La functionarea in sarcina , prin rotor va circula curentul
Il.Intrucat curentul Il produce un camp de reactie demagnetizant-Φl ( opus campului
produs de infasurarea de comanda - ΦE),se va mai trece acest curent printr-o
Φk
ΦE
Φl
ΦT
Maşini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
infasurare de compensatie k care va produce un camp -Φk, de sens opus celui de
reactie longitudinal Φl.
Se construiesc în două variante: cu poli proeminenţi sau cu poli plini. În ambele
variante se prevăd cu poli suplimentari pentru îmbunătăţirea comutaţiei.
Maşini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
1.4 Amplificatoare statice
Amplificatoarele de putere statice pot fi de curent continuu sau alternativ, şi
folosesc ca elemente de forţă semiconductoare de putere comandate de tipul
tranzistor, tiristor sau triac.
Aceste amplificatoare sunt caracterizate de facorul de amplificare KA şi
respectiv de constanta de timp TA.
In regim staţionar, factorul de amplificare este dat de raportul mărimea de
ieşire şi cea de intrare (curent, tensiune, putere).
i
eA U
UK =
.
Deoarece amplificatoarele reale nu sunt liniare, atunci se defineşte un
factoe de amplificare într-un punct oarecare astfel:
i
eA U
UK
∆∆
=, sau la limită i
eA dU
dUK =
.
De reţinut! Amplificatoarele de putere statice pot fi de curent continuu sau
alternativ, şi folosesc ca elemente de forţă semiconductoare de putere
comandate de tipul tranzistor, tiristor sau triac
Amplidina
Este o masina electrica amplificatoare cu camp transversal (MEAT),
prevazuta cu infasurare de compensatie. Ea prezinta un factor de
amplificare in putere ridicat (1000…10000,uneori chiar mai mare) si
constante de timp reduse, fiind cea mai raspandita masina electrica
amplificatoare.
Maşinile electrice speciale sunt folosite ca:
Maşini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
- elemente de execuţie în sistemele automate (aceste se numesc
servomotoare);
- elemente pentru măsurări de tensiune şi curent
(transformatoare de măsură);
- traductoare de viteză (tahogeneratoarele);
- traductoare de poziţie (selsine);
- amplificatoare (amplificatoare magnetice, maşini electrice
amplificatoare);
- surse pentru sudare (transformatoare, generatoare), etc.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
1 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 2 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 2
2.1 Regulatorul cu amplidină pentru reglarea regimului de lucru la
cuptoarele cu arc
2.2 Generatorul de sudare cu câmp transversal
2.3 Transformatoare pentru sudarea cu arc electric
2.4 Transformatorul cu şunt magnetic reglabil
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 2
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 2
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
2 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 2
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 2 sunt:
• Familiarizarea cu • Înţelegerea noţiunilor de • Sublinierea aspectelor practice • Recunoaşterea ... • Aplicarea cu succes a unor elemente simple de calcul
2.1 Regulatorul cu amplidină pentru reglarea regimului de lucru la cuptoarele cu arc
Schema simplificată a unui astfel de regulator este prezentată în figura
următoare:
La cuptoarele cu arc problema care trebuie rezolvată este aceea de a menţine
constant regimul de lucru, adică tensiunea între electrod şi baia de metal şi respectiv
curentul, care depinde de lungimea arcului. Altfel spus trebuie reglată distanţa dintre
electrod şi baia metalică. Această distanţă poate varia între două limite extreme,
astfel: o distanţă mai mare ca distanţa maximă de menţinere a arcului- caz în care
tensiunea este maximă şi curentul zero, respectiv electrodul în contact cu baia de
metal, când curentul este maxim şi tensiunea zero. Funcţionarea cuptorului are loc
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
3 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
pentru o lungime a arcului cuprinsă între aceste două extreme, deci permanent trebuie
comparate două semnale, unul ce depinde de tensiune cu unul ce depinde de curent.
Semnalele proporţionale cu tensiunea şi curentul, date de redresoarele RC şi RT se
compară şi diferenţa lor se aplică pe înfăşurarea de comandă IE a amplidinei. Dacă la
un moment dat electrozii sunt ridicaţi şi se aplică tensiunea pe cuptor, la redresorul de
curent RC nu există tensiune, iar la cel de tensiune RT, tensiunea este maximă, astfel
că pe înfăşurarea de comandă a amplidinei se aplică semnal maxim, deci la bornele
amplidinei rezultă tensiune continuă care se aplică motorului de curent continuu, astfel
încât acesta acţionează într-un astfel de sens (asupra mecanismului de execuţie) încât
să apropie electrozii de baia metalică. Când electrodul atinge şarja, tensiunea la
redresorul RT dispare, în schimb cea la redresorul de curent RC este maximă, astfel
curentul în înfăşurarea de comandă IE a amplidinei are sens contrar celui precedent şi
amplidina va polariza invers motorul de c.c. care va acţiona în sensul ridicării
electrodului.Funcţionarea este stabilă când avem echilibru între tensiunea de pe
redresorul circuitului de curent RC şi tensiunea de pe redresorul RT. Înfăşurarea IR
accelerează oprirea motorului, prin micşorarea tensiunii produse de fluxul remanent al
indusului amplidinei şi se alimentează de la înfăşurarea transformatorului de
stabilizare TS.
2.2 Generatorul de sudare cu câmp transversal
Cerinţele care se impun surselor de alimentare la sudarea electrică cu arc sunt:
- Să aibă posibilitatea reglării în limite largi a curentului de sudare;
- Să aibă o caracteristică exterioară coborâtoare, ceea ce asigură un curent
aproximativ constant la diferite lungimi ale arcului. Un alt avantaj al acestei
caracteristici căzătoare este faptul că şi pentru regimul de scurtcircuit curentul este
apropiat de cel nominal de lucru;
- Comportarea dinamică a surselor de sudare trebuie să asigure o restabilire rapidă
a tensiunii la dispariţia scurtcircuitului;
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
4 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
U
L1>L2
L2 L1,L2 –lungimi ale arcului;
I
Caracteristică exterioară căzătoare
Principiul de funcţionare al generatorului de sudare cu flux transversal se
bazează pe producerea unui câmp important de reacţie a indusului după axa
transversală a maşinii, prin scurcircuitarea periilor din axa transversală şi construirea
unor tălpi polare foarte dezvoltate, care ajută la închiderea fluxului transversal.
Miezul polilor şi jugul statoric au o secţiune redusă, saturându-se relativ repede.
Alimentarea circuitului de sudare se face de la periile din axa longitudinală, tot de aici
alimentându-se şi înfăşurarea de excitaţie serie. La funcţionarea în sarcină, după axa
polilor, mai apar două tensiuni magnetomotoare: una magnetizantă produsă de
înfăşurarea de excitaţie serie, şi una demagnetizantă produsă de curentul de sarcină
datorită reacţiei indusului. Fluxul dat de înfăşurarea serie se4 închide prin miezurile
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
5 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
polilor şi jugul statoric care se saturează rapid. Din acest motiv, tensiunea la borne nu
mai creşte de la o anumită valoare a curentului de sarcină. În schimb fluxul de reacţie
longitudinală tinde să reducă tensiunea la bornele periilor principale, cu atât mai mult
cu cât este mai mare curentul de sarcină, asigurându-se astfel o caracteristică
exterioară căzătoare.
În figura de mai jos se prezintă un generator de sudare cu câmp transversal cu
dop. Prin modificarea poziţiei dopului se modifică reluctanţa magnetică a miezului,
saturarea acestuia având loc la curenţi mai mici sau mai mari, reglându-se astfel
regimul de sudare.
La generatorul prezentat în figura precedentă înfăşurarea de excitaţie este
repartizată pe ambii poli; numărul de spire ale bobinei de pe polul superior este
reglabil şi este mai mare decât numărul de spire al bobinei de pe polul inferior care
este nereglabil. Pentru îmbunătăţirea comutaţiei, sub periile de lucru maşina este
prevăzută cu poli auxiliari de comutaţie plasaţi în crestături în mijlocul tălpilor polare.
Domeniile de reglare pot fi extinse prin modificarea numărului de spire ale înfăşurării
de excitaţie serie.
Avantajele generatoarelor de sudare cu câmp transversal:
- modificarea continuă, fără pierderi şi fără contacte electrice, a regimului de sudare;
- caracteristici dinamice bune, restabilirea rapidă a tensiunii după scurtcircuit;
- caracteristici exterioare statice favorabile (căzătoare).
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
6 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Caracteristica externă
2.3 Transformatoare pentru sudarea cu arc electric
Sursele de sudare în c.a. sunt transformatoare speciale cu caracteristică
căzătoare şi care au o tensiune de mers în gol de 50...60V. Curentul de scurtcircuit
(apropiat de cel nominal) este în general de la 150...600A.
Sudura realizată în curent alternativ este de o calitate mai slabă decât cea în
curent continuu datorită stingerii arcului la trecerea prin zero a curentului.Pentru a
îmbunătăţii calitatea sudurii trebuie defazat cât mai mult curentul faţă de tensiune,
astfel că la trecerea prin zero a curentului, tensiunea să aibă deja o valoare suficient
de mare ca arcul să se reaprindă imediat.
In circuitul de sudare se intercalează o bobină cu miez de fier care pe lângă
rolul de a permite arderea continuă a arcului determină o scădere pronunţată a
tensiunii odată cu creşterea curentului.
Această bobină poate avea un miez separat sau poate fi amplasată pe acelaşi
miez cu transformatorul.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
7 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Pentru bobinele din figura precedentă, modificarea reactanţei se realizează prin
modificarea întrefierului. O altă modalitate de a modifica reactanţa bobinei este acea de a
premagnetiza în curent continuu circuitul magnetic al acesteia.
2.4 Transformatorul cu şunt magnetic reglabil
Cele două înfăşurări ale transformatorului sunt amplasate pe aceeaşi coloană,
iar înfăşurarea bobinei se află pe cealaltă coloană şi este conectată în serie adiţional cu cea
secundară. Între cele două coloane se află un şunt magnetic, format dintr-un pachet de tole a
cărui secţiune de trecere a fluxului se modifică prin deplasare şuntului într-un plan
perpendicular pe cel al desenului. La funcţionarea în gol, prin şuntul magnetic se închide un
flux nesemnificativ indiferent de poziţia şuntului, bobina contribuind la mărirea tensiunii
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
8 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
secundare de mers în gol a transformatorului. La funcţionarea în sarcină, solenaţia bobinei
balast se opune închiderii fluxului prin această bobină, astfel ca o parte mai mare sau mai
mică – în funcţie de poziţia şuntului – a fluxului se închide prin şunt. Tensiunea bobinei
scade şi astfel scade tensiunea totală secundară a transformatorului odată cu creşterea
curentului, asigurându-se o caracteristică căzătoare. Domeniul curenţilor poate fi extins prin
modificarea numărului de spire al înfăşurării secundare şi al bobinei balast, asigurându-se un
număr total de spire cât mai constant pentru a nu se modifica tensiunea de mers în gol.
De reţinut! Cerinţele care se impun surselor de alimentare la sudarea electrică cu
arc sunt:
- Să aibă posibilitatea reglării în limite largi a curentului de
sudare;
- Să aibă o caracteristică exterioară coborâtoare, ceea ce asigură
un curent aproximativ constant la diferite lungimi ale arcului.
Un alt avantaj al acestei caracteristici căzătoare este faptul că
şi pentru regimul de scurtcircuit curentul este apropiat de cel
nominal de lucru;
- Comportarea dinamică a surselor de sudare trebuie să asigure
o restabilire rapidă a tensiunii la dispariţia scurtcircuitului;
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
1 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 3 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 3
3.1 Tahogeneratoare
3.2 Tahogeneratoare sincrone
3.3 Tahogeneratoare asincrone
3.4 Tahogeneratoare de curent continuu
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 3
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 3
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
2 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 3
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 3 sunt:
• Familiarizarea cu regimuri de functionare a masinilor electrice speciale
3.1 Tahogeneratoare
Tahogeneratoarele sunt masini electrice speciale a căror tensiune la borne este
proporţională cu viteza lor instantanee de rotaţie: Ue=keΩ=kn.
Fiind deci antrenate de o maşină (dispozitiv ) a carui turaţie trebuie măsurată şi
furnizând la borne o tensiune proporţională cu această turaţie, însemnă că ele
lucrează în regim de generator. Întrucâ furnizează la borne o tensiune, ele sunt legate
la un voltmetru care este etalonat direct în unităţi de turaţie (rot/min), voltmetru cu o
rezistenţă internă mare.
Regim indicator
Tahogeneratorul şi voltmetrul se împerechează în fabrică.
Sistem de reglare automată a turaţiei cu tahogenerator
n-turatie n*-turatie prescrisa
masurata
comanda semnal de eroare
motor
După principiul lor de funcţionare, tahogeneratoarele se împart în:
- tahogeneratoare sincrone;
motor tg
V
motor tg
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
3 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
- tahogeneratoare de c.c.;
- tahogeneratoare asincrone;
In ordinea de mai sus creşte şi pretul lor, ca de altfel şi acurateţea acurateţea.
Cele mai ieftine şi mai puţin precise - cele sincrone, cele mai scumpe şi mai
precise – cele asincrone.
Tahogeneratoarele sunt afectate de erori care pot fi de fază şi de amplitudine,
cauzele acestor erori fiind următoarele:
- căderea de tensiune interioară şi la perii;
- reacţia indusului;
- reactanţele inductive şi capacitive ale circuitului de ieşire;
- încălzirea maşinii;
- îmbătrânirea şi modificarea în timp a caracteristicilor magneţilor permannenţi.
Pentru tahogeneratoarele utilizate în automatizări în sisteme mai puţin
pretenţioase se admit erori de 2%, în cazuri speciale impunându-se valori de 0,1%
pentru erorile de amplitudine şi de 30’ pentru erorile de fază, performanţe care pot fi
realizate doar de tahogeneratoarele asincrone cu corecţii de fază, amplitudine şi
termică.
3.2 Tahogeneratoare sincrone
Sunt cele mai simple tipuri constructive de tahogeneratoare, având un stator
confecţionat din tole electrotehnice, cu crestături în care este plasată o înfăşurare
monofazată. Rotorul este multipolar, confecţionat din magneţi permanenţi, fig.1 (cel
mai adesea), sau în construcţie specială, fig.2, având rotorul tip gheară, permiţând o
excitaţie fără contacte, amplasată tot pe stator.
Fig.1 Fig.2
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
4 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Rotor tip gheara
Tensiunea electromotoare de mers în gol la un generator sincron este:
tfNke mw ωφπ sin2= , cu valoarea efectivă
Ω== emw kfNkE φπ 2 proporţională cu viteza de rotaţie.
La funcţionarea pe o impedanţă de sarcină Zb, au loc abateri de la această
linearitate, pe de o parte datorită reacţiei indusului şi a căderii de tensiune ohmică, iar
pe de alta, datorită faptului că de viteză, respectiv frecvenţă depind şi reactanţele
inductive proprii din circuitul indusului cât şi din circuitul exterior. Datorită acestui fapt,
odată cu variaţia vitezei se moidifică şi alura caracteristicii externe a generatorului şi
ca urmare dispare liniaritatea dintre tensiunea de ieşire şi viteză, putând să apară erori
inadmisibil de mari. Ca urmare tahogeneratoarele sincrone sunt rar utilizate în
sistemele automate, cel mai adesea fiind utilizate ca indicatoare de viteză.
3.3 Tahogeneratoare asincrone
Tahogeneratorul asincon cu rotorul pahar din material nemagnetic se
caracterizează prin independenţa frecvenţei de ieşire de viteza unghiulară a rotorului
şi prin erori foarte reduse de amplitudine şi fază, având o largă răspândire în sistemele
de automatizări.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
5 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Din punct de vedere constructiv, au un rotor pahar din aluminiu, iar pe stator în
crestături se plasează două înfăşurări în cvadratură. Aceste înfăşurări pot fi plasate fie
împreună pe statorul exterior(1), fie una pe cel exterior - una pe cel interior (2), fie
împreună pe cel interior(3).
(1)
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
6 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
(2),(3)
Una din înfăşurări, cea de excitaţie, este alimentată de la o sursă monofazată
de tensiune alternativă(50 sau 400 Hz), la bornele celeilalte înfăşurări rezultând o
tensiune proporţională cu viteza n de antrenare.
Principiul de funcţionare al acestui tahogenerator se explică presupunând că
rotorul pahar se înlocuieşte printr-un rotor echivalent în colivie. Atunci când rotorul stă,
câmpul pulsatoriu fix, cu repartiţie sinusoidală în spaţiu şi variaţie sinusoidală în timp
produs de înfăşurarea de excitaţie induce în rotor tensiuni electromotoare care la un
moment dat au sensurile din figura 2.a. Cum rotorul este în scurtcircuit, iar rezistenţa
coliviei echivalente este foarte mare, se pot considera curenţii în fază cu tensiunile
induse, curenţi care evident vor provoca un câmp pulsatoriu fix, având axa de simetrie
aceeaşi cu a înfăşurării de excitaţie. Astfel acest câmp nu va induce tensiuni
electromotoare în înfăşurarea statorică situată în cvadratură, deci tensiune la borne va
fi zero.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
7 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
În situaţia în care rotorul se învârte, atunci în el vor apare tensiuni
electromotoare de transformare (situaţia precedentă) precum şi tensiuni
electromotoare de rotaţie (prezentate separat în figura 2b) care au o amplitudine direct
proporţională cu viteza de rotaţie. Curenţii produşi de aceste tensiuni electromotoare
vor produce la rândul lor un câmp magnetic pulsatoriu fix în spaţiu a cărui axă coincide
cu axa înfăşurării statorice situată în cvadratură faţă de cea de excitaţie. Acest câmp
pulsatoriu va induce în această înfăşurare o tensiune electromotoare a cărei
amplitudine depinde de turaţie, iar frecvenţa este dată de frecvenţa tensiunii de
excitaţie.
Şi tahogeneratoarele asincrone sunt afectate de erori care pot fi:
- erori funcţionale – tensiunea de ieşire nu este perfect liniară cu viteza(liniaritatea
creşte odată cu scăderea reactanţei de scăpări şi a rezistenţei înfăşurării de
excitaţie);
- erori datorate imperfecţiunilor constructive - apare astfel o tensiune electromotoare
suplimentară având două componente, una depinde de viteza de rotaţie şi una
independentă de aceasta – astfel chiar dacă rotorul este în repaus se poate ca la
bornele de ieşire să apară o tensiune, valoarea acesteia reprezentând un criteriu
de apreciere a preciziei traductorului de viteză;
- erori de temperatură – se modifică rezistenţa înfăşurărilor odată cu creşterea
temperaturii.
3.4 Tahogeneratoare de curent continuu
Sunt construite pe principiul generatorului de curent continuu, prezintă
avantajul lipsei erorilor de fază, tensiunea de ieşire nu depinde de caracterul sarcinii.
Au în schimb o construcţie mai complicată, sunt mai scumpe, necesită întreţinere
datorită uzurii periilor şi colectorului şi necesită utilizarea unor filtre de deparazitare.
Sunt cele mai utilizate traductoare de viteză în sistemele automate, fiind adesea
construite corp comun cu servomotorul a cărui viteză trebuie măsurată.
Tahogeneratoarele de c.c. se pot împărţi după modul de excitaţie astfel:
- cu excitaţie separată;
- cu magneţi permanenţi.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
8 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Cele cu excitaţie separată sunt tot mai rar utilizate, şi necesită o sursă d4e
tensiune constantă şi o compensare a temperaturii. Aceasta se poate face fie prin
saturarea circuitului inductor (fluxul este constant pentru o gamă largă a curentului de
excitaţie), fie folosind o sursă de curent constant.
În cazul utilizării magneţilor permanenţi se aleg acele aliaje a căror
sensibilitate în timp şi termică este cea mai bună, ca Alnico – coeficient reversibil de
scădere a inducţiei sub 0,01%/0C. Pentru a îmbunătăţi şi mai mult stabilitatea termică,
se prevăd structuri magnetice pentru tahogeneratoare, a căror stabilitate scade cu
temperatura. Aceste materiale sunt de tipul calmalloy, NI-Cu, termalloy.
Fig.
Compensarea influenţei încălzirii se bazează pe faptul că pe măsură ce
creşte temperatura, reluctanţa şunturilor creşte şi ca urmare fluxul de dispersie al
circuitului magnetic scade şi deşi inducţia remanentă a magnetului permanent scade,
fluxul principal rămâne practic constant.
Rotorul are o înfăşurare de tip ondulat plasată în crestături înclinate,
colectorul fiind cel clasic, periile sunt însă metalice pentru a reduce cât mai mult
căderea de tensiune la perii. Dacă situaţia impune se pot folosi şi rotoare de tip pahar
sau disc.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
9 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Din cauza numărului mic de lamele a colectorului, tensiunea de ieşire nu
este perfect continuă, având un caracter pulsator. Frecvenţa acestor pulsuri este
dependentă de numărul de lamele Z şi de turatie fT=nZ/60.
De reţinut!
Tahogeneratoarele sunt masini electrice speciale a căror tensiune la
borne este proporţională cu viteza lor instantanee de rotaţie:
Ue=keΩ=kn.
Tahogeneratoarele se împart în:
- tahogeneratoare sincrone;
- tahogeneratoare de c.c.;
- tahogeneratoare asincrone;
Tahogeneratorul asincon cu rotorul pahar din material nemagnetic se
caracterizează prin independenţa frecvenţei de ieşire de viteza
unghiulară a rotorului şi prin erori foarte reduse de amplitudine şi fază,
având o largă răspândire în sistemele de automatizări.
Tahogeneratoare de curent continuu sunt construite pe principiul
generatorului de curent continuu, prezintă avantajul lipsei erorilor de
fază, tensiunea de ieşire nu depinde de caracterul sarcinii
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
10 Teoria circuitelor electrice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 4 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 4
4.1 Servomotoare
4.2 Servomotoare de curent continuu
4.3 Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor de c.c. comandate pe indus
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 4
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 4
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 4
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 4 sunt:
• Familiarizarea cu regimuri si tipuri de servomotoare
4.1 Servomotoare Servomotorul electric are rolul de a transforma un semnal electric de comanda
într-un cuplu electromagnetic, respectiv într-o mişcare de rotaţie a arborelui său prin
care este antrenat mecanismul care realizează operaţia dorită. Astfel elee sunt incluse
în sisteme de reglare automată ca elemente de execuţie, lucrând în condiţii foarte
variate atât în ceea ce priveşte caracterul sarcinii cât şi viteza, puterea tensiunea şi
frecvenţa de alimentare.
Principalele calităţi pe care trebuie să le aibă servomotoarele sunt:
- să permită reglarea vitezei în limite foarte largi prin variaţia parametrilor
tensiunii de comandă (uneori până la 1:10000);
- cuplu electromagnetic mare de pornire;
- putere de comandă mică;
- viteză de răspuns mare;
- stabilitate şi siguranţă în funcţionare pentru întreaga gamă de viteze;
- liniaritatea caracteristicilor mecanice şi de reglaj;
- absenţa autopornirii;
- gabarit şi greutate mică, preţ de cost cât mai scăzut.
4.2 Servomotoare de curent continuu Se caracterizează prin posibilitatea reglării vitezei în limite foarte largi cu
ajutorul unor instalaţii relativ simple, prin caracteristici mecanice şi de reglaj liniare,
cuplu specific ridicat, capacitate de supraîncărcare mare, greutate specifică mică,
absenţa autopornirii, cuplu de pornire ridicat, moment de inerţie scăzut, constante de
timp electromecanice mici.
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Marele lor dezavantaj este dat de prezenţa colectorului, a neliniarităţii contactului perie
colector, a fenomenelor de comutaţie şi a scânteilor la colector care produc paraziţi
radiofonici şi chiar semnale false în circuitele de comandă.
Se recomandă a fi folosite acolo unde se cere un reglaj continuu de viteză, atunci
când sarcina are un caracter variabil cu şocuri frecvente, dar acolo unde nu este pericol de
explozie.
După tipul constructiv se pot împărţi în trei categorii:
- cu rotor cilindric;
- cu rotor disc;
- cu rotor pahar.
1.1.Servomotoare cu rotor cilindric
Sunt cele mai apropiate de maşinile clasice şi pot fi cu excitaţie electromagnetică, cu
magneţi permanenţi sau hibride.
Cele cu excitaţie electromagnetică se construiesc pentru puteri mari, tendinţa fiind
aceea de a le înlocui cu cele cu magneţi permanenţi care au dimensiuni mai mici,
randamente mai bune şi răcirea mai bună.
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Sisteme de excitaţie a servomotoarelor de c.c.
Magneţii permanenţi reprezintă materiale magnetice dure, pe când circuitul
feromagnetic este realizat din materiale magnetice moi. Materialele dure au Br
(inducţia magnetică remanentă) mare şi Hc (câmpul coercitiv) mare. Materialele
feromagnetice moi, utilizate la realizarea circuitelor magnetice în maşinile electrice, au
suprafaţa ciclului de histerezis redusă, deci şi pierderi datorate remagnetizării
succesive reduse (proporţionale cu suprafaţa ciclului de histerezis).
Materiale pentru MP:
1)AlNiCo – au Br=0,75...0,92T, Hc=58...132kA/m şi (BH)max=13,5...44kJ/m3.
2)Feritele – oxizi de fier(Fe2O3) şi stronţiu(SrO), sunt mai ieftine ca feritele. Au
Br=0,2...0,4 T, Hc=140...200kA/m, (BH)max=7...26kJ/m3.
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
3) Pământurile rare – Samariu-cobalt(SaCo), fier-niodium(FeNd). Sunt cele mai
scumpe,au Br=0,87...0,9T, Hc=660...1000kA/m, (BH)max=152kJ/m3 sau mai mult.
Caracteristica de demagnetizare si cea energetică pentru MP
Caracteristica de magnetizare la materiale magnetice
În cazul utilizării magneţilor de tip Alnico – care au inducţie magnetică
remanentă mare şi câmp coercitiv mic, polii se pot realiza direct din MP, iar pentru
reducerea efectului demagnetizant al reacţiei indusului se prevăd tălpi polare din oţel
electrotehnic (soluţie utilizată de firma Blocher).
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig.Poli realizaţi din MP-alnico
Datorită câmpului coercitiv redus se folosesc MP de lungimi mari care uneori
sunt magnetizaţi cu ajutorul unor bobine speciale plasate în jurul MP.
Carcasa realizată din material feromagnetic foloseşte la închiderea liniilor
câmpului de excitaţie
Pentru material Alnico cu inducţii magnetice remanente mai scăzute şi cu câmp
coercitiv mai ridicat, magneţii permanenţi se plasează pe coardă, închiderea liniilor de
câmp nu se mai face prin carcasă.
Fig.MP-alnico, plasaţi între poli
Atunci când se utilizează feritele ca MP, datorită inducţiei magnetice remanente
mici şi a câmpului coercitiv mai mare, magneţii vor avea o lungime mai mică, maşina
un nr. de poli mai mare, iar funcţionarea va fi eficientă şi la întrefieruri mai mari
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig.- Poli din MP-ferite
Fig. MP- ferite- plasaţi între poli
Utilizare MP din pământuri rare, cu energii magnetice maxime ridicate, conduce
la un volum scăzut de magnet, avantajos pentru servomotoarele mici. Acesti MP cu
Brem în jurul valorii de 1T se plasează în locul polilor de excitaţie, efectul reacţiei
indusului fiind redus de către câmpul coercitiv mare al MP.
Servomotoarele hibride (MP+excitaţie electromagnetică) se utilizează acolo
unde se doreşte modificarea coeficientului de tensiune-cuplu în anumite limite.
Astfel la mersul în gol cu excitaţia nealimentată avem o anumită turaţie
(ex.1450rpm), cu excitaţia alimentată adiţional o altă turaţie mai mică (ex.365
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
rpm), iar cu excitaţia alimentată diferenţial o turaţie mai mare ca cea fără
excitaţie (ex.2850rpm). Pentru aceste servomotoare înfăşurarea de excitaţie are
o priză mediană şi sensul curentului de excitaţie se schimbă relativ simplu,
fluxul produs se adună sau se scade din cel al MP. Astfel de servomotoare sunt
folosite la acţionarea benzilor magnetice de memorie a calculatoarelor, cu
viteză mică şi cuplu mare rezistent în sensul de citire, cu viteză mare şi cuplu
rezistent mic la derulare.
Pentru reducerea momentului de inerţie, geometria rotorului acestor
servomotoare este diferită de cea a maşinilor clasice, raportul D/L (diametru /lungime)
ajungând la valori de sub 0,3.
Rotorul este realizat din tole de oţel electrotehnic, înfăşurarea fiind de tip
ondulat plasată în crestături deschise pentru reducerea efectelor comutaţiei, motiv
pentru care se utilizează un număr redus de spire pe secţie (N=1 – uneori).
Valorile tipice ale rezistenţei rotorului şi ale inductivităţilor se încadrează în
domeniul 0,2-1,5 Ω şi 0,7-4mH, rezultând astfel constante de timp electrice sub 10 ms.
Servomotoarele de dimensiuni mici se construiesc pentru viteze ridicate de
până la 500 rad/s cu o pereche de poli, cele medii până la 300 rad/s cu 4 sau 6 poli şi
cele mari sub 100 rad/s având în jur de 12 poli.
1.2. Servomotoare cu rotor disc
Sunt realizate prin dispunerea unei înfăşurări de tip ondulat pe un disc din fibre
de sticlă, disc care se roteşte între nişte magneţi permanenţi plasaţi axial.
Masini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig.SRD- servomotor cu rotor disc
Înfăşurarea se execută prin ştanţare din tablă de Cu de 0,2 mm, apoi este lipită
cu o răşină epoxidică pe discul amintit. Părţile centrale şi exterioare se îndepărtează
printr-o nouă ştanţare, conductoarele de pe cele două feţe fiind sudate la capete prin
scântei sau fascicol de electroni în mod automat. Colectorul poate fi constituit din
însăşi conductoarele plate ale indusului pe care alunecă periile maşinii. La puteri mai
mari înfăşurarea este astfel proiectată încât numărul de spire pe secţie să fie mai mare
de 1 (2,3) ceea ce permite să se realizeze pe disc prin aceeaşi stanţare un colector de
tip radial (brevet românesc), crescând astfel durata de viaţă a maşinii.
Masini electrice speciale
10 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Rezistenţele şi inductivităţile tipice ale acestor maşini sunt între 0,15...1Ω,
respectiv 25...75μH, rezultând constante electrice de timp sub 0,1 ms.
Întrucât rotorul maşinii nu conţine materiale feromagnetice, el este mult mai
uşor decăt rotorul cilindric, dar momentul de inerţie este comparabil datorită razei de
giraţie mult mai mare, astfel că au constante electromecanice de timp de acelaşi ordin
de mărime (<10ms). Deoarece rotorul nu are material feromagnetic, pierderile prin
histerezis sunt nule, nu apare saturaţia magnetică, nu apar înţepeniri magnetice.
Avantajul cel mai important al acestor servomotoare constă în faptul că având
conductoarele în aer, densitatea de curent poate fi mult crescută – până la 45 A/mm2
pentru funcţionarea în regim continuu şi 100 A/mm2 pentru regimuri de scurtă durată –
ceea ce are ca efect economia de Cu şi de asemenea posibilitatea folosirii tablei de
Cu şi nu a sârmei ( tabla de Cu este mai ieftină ca sârma) reduce în continuare preţul
de cost al acestor maşini. Pretul de cost este pozitiv influenţat şi de posibilitatea
automatizării procesului de producţie în cazul seriilor mari.
Geometria specială greutatea redusă, fac acest tip de servomotoare ideale
pentru aplicaţii de putere mică, la maşini unelte, la acţionarea servovalvelor, în
industria uşoară, chimică etc.
Principalele lor dezavantaje sunt numărul limitat de conductoare care se pot
plasa pe suprafaţa unui disc şi viteza relativ redusă a lor, ceea ce duce la o tensiune
mică pe un disc (30-60V).
1.3. Servomotoare cu rotor pahar
Sunt realizate prin dispunerea unei înfăşurări din Cu sau Al pe un pahar din
fibre de sticlă sau direct într-o răşină epoxidică. Au raportul D/L=0.3...0,5 ceea ce face
să aibă un moment de inerţie foarte scăzut, în jur de 10% din cel al celorlalte tipuri de
servomotoare de c.c. Au o constantă electromecanică şi electrică de timp foarte
reduse( sub 0,5ms respectiv sub 0,1 ms).
Masini electrice speciale
11 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Colectoarele servomotoarelor de c.c. se execută din lamele de Cuelectrotehnic
presate pe butuci din materiale plastice, lamelele fiind izolate între ele cu mică sau
răsini polimerice.
Periile sunt susţinute în portperii de construcţie simplă, în formă de tub cu
secţiune dreptunghiulară fixat într-o piesă de material electroizolant prinsă pe scut.
Periile sunt presate fie de un arc elicoidal fie de un arc spiral
Periile se execută din bronz sau argint grafitat, au în general un conţinut ridicat
de metal pentru a reduce căderea de tensiune la trecerea curentului electric
Uzura unei perii este în funcţie de presiunea care se exercită asupra ei, zona
optimă de utilizare fiind între zona de uzură maximă de natură electrică şi zona de
uzură maximă de natură mecanică.
Masini electrice speciale
12 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
4.3 Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor de c.c. comandate pe indus
În acest caz curentul de excitaţie este constant, sau excitatia se realizează cu
magneti permanenti, schema electrica fiind prezentată în figura de mai jos:
Se pot scrie atunci ecuaţiile de funcţionare astfel:
UE=REIE ;(1)
UA=RAIA+cUEΩ ;(2)
M=cUEIA ;(3)
unde c este o constantă pentru o maşină dată. În sistemul precedent s-a
înlocuit tensiunea electromotoare indusă Ue=kΨΩ=cUEΩ, deoarece fluxul este
dependent de IE, deci de tensiunea de alimentare a circuitului de excitaţie UE.
Întrucât la servomotoare se folosesc caracteristicile în unităţi relative se vor face
urătoarele notaţii: - λ=UA/UE – numit coeficient de semnal;
- 0ΩΩ=ν
-viteza unghiulară relativă, unde Ω0 este viteza unghiulara de mers în
gol p0
0ω
=Ω, p - fiind numărul de perechi de poli;
- μ=M/Msc – cuplul relativ unde Msc este cuplul de scurtcircuit (rotor blocat).
Masini electrice speciale
13 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Înlocuind în ecuaţiile precedente se obţine:
A
EEA R
cUUI Ω−=
λ
;(4)
)(2222
Ω−=Ω−
= cRcU
RUccUM
A
E
A
EE λλ
;(5)
Cuplul la scurtcircuit nominal se obţine pentru λ=1 şi Ω=0, rezulta deci
A
Esc R
cUM2
= (6), acesta fiind şi cuplul de pornire, şi înlocuind în (5) rezultă μ=λ –
cΩ (7). Dar viteza nominală de mers în gol se atinge când M=0 şi λ=1 , deci ec. (7)
devine 0=1- cΩ0 (8) deci c=1/Ω0. înlocuim acum în (7) şi ne rezulta ecuaţia
caracteristicii mecanice (Ω=f(M)) în unităţi relative ( )(µν f= ): ν =λ -μ. (9). Aceste
caracteristici se ridică pentru diferite valori a coeficientului de semnal λ.
Spre exemplu pentru λ=1 avem ν =1 –μ, din care rezulta la: 1) μ=0 ν =1; 2)μ=1 ν =0; dependenţa fiind teoretic liniară. În figura de mai jos se pot observa
caracteristicile pentru diferite valori ale lui λ.
ν
μ
( )µν f= Ecuaţia caracteristicii de reglaj este reprezentata de dependenta ν =f(λ) şi se
ridica pentru diferite valori a cuplului relativ μ, şpre exemplu pentru μ=0, mers în gol
ideal avem ν =λ .
În figura următoare sunt prezentate caracteristicile de reglaj pentru diferite valori
ale cuplului relativ.
Masini electrice speciale
14 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
( )λν f=
O altă caracteristică importantă este reprezentată de curba de variaţie a puterii
în funcţie de viteza relativă.
Puterea mecanică Pm=Pabs -RAIA2, unde primul termen reprezintă puterea
absorbită, iar cel de-al doilea pierderile în înfăşurări. Pabs=UAIA=λUEUE(λ - ν )/RA.
Rezultă deci
( ) ( ) 222
222
22
22
22
2 νλνλλνλνλνλλA
E
A
E
A
E
A
E
A
E
A
EA
A
Em R
URU
RU
RU
RU
RUR
RUP −+−−=−−−=
( )22
νλν −=A
Em R
UP.
Si aceasta putere se raporteaza la o putere de baza A
Eb R
UP2
= şi obţinem relaţia
în unităţi relative 2νλν −=mp . Şe observă că puterea relativă în funcţie de viteza
relativă reprezintă ecuaţia unei parabole pm=f(ν ). Aceasta dependenţă se reprezintă
grafic pentru diferite valori a coeficientului de semnal λ, rezultând o familie de
caracteristici de forma celor din figura de mai jos:
Se observă că puterea este zero atât la mers în gol ideal (ν =1) cât şi la
scurtcircuit (ν =0).
Masini electrice speciale
15 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
( )µfpm =
De reţinut!
Servomotorul electric are rolul de a transforma un semnal electric de
comanda într-un cuplu electromagnetic, respectiv într-o mişcare de
rotaţie a arborelui său prin care este antrenat mecanismul care
realizează operaţia dorită
Principalele calităţi pe care trebuie să le aibă servomotoarele sunt:
- să permită reglarea vitezei în limite foarte largi prin variaţia
parametrilor tensiunii de comandă (uneori până la
1:10000);
- cuplu electromagnetic mare de pornire;
- putere de comandă mică;
- viteză de răspuns mare;
- stabilitate şi siguranţă în funcţionare pentru întreaga gamă de
viteze;
- liniaritatea caracteristicilor mecanice şi de reglaj;
- absenţa autopornirii;
- gabarit şi greutate mică, preţ de cost cât mai scăzut.
Masini electrice speciale
16 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
17 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 5 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 5
5.1 Comanda servomotoarelor de curent continuu
5.2 Surse de c.c. de tensiune reglabilă
5.3 Motorul asincron monofazat
5.4 Servomotoare asincrone
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 5
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 5
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 5
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 5 sunt:
• Familiarizarea cu schema de alimentare la curent constant şi comandă pe excitaţie se aplică doar în cazul servomotoarelor de mare putere
5.1 Comanda servomotoarelor de curent continuu
Comanda pe excitatie a servomotoarelor de c.c. nu se foloseşte decât în cazul
servomotoarelor de mare putere dar şi atunci doar dacă se folosesc scheme de
alimentare a servomotorului la curent constant. Caracteristicile mecanice ale
servomotoarelor comandate pe excitaţie sunt incompatibile cu un sistem de reglare
automat şi se demonstrează acest lucru plecând de la ecuaţiile de funcţionare a
servomotorului :
AE
EEE
AAEAAmA
IIkMIRU
IRIkIRkU
1
10
==
+Ω=+Ω= φ
din care rezultă Ω−=
+Ω=
2
2211
1
1
EA
E
EA
EA
E
AE
E
EA
RRUk
RRUUkM
MUkRR
RUkU
Din ultimul sistem putem obţine expresia cuplului de pornire şi a pantei
caracteristice astfel
22
21
0
1
EEA
p
EEA
Ap
URRkM
URRUkM
=
Ω
=
. Se observă astfel că dependenţa cuplului de
pornire de tensiune de excitaţie este liniară, în timp ce panta caracteristică depinde de
pătratul tensiunii de excitaţie. In figura următoare se pot observa caracteristicile
mecanice pentru două valori ale tensiunii de comandă : nominală - UEn respectiv
jumătate - (1/2)UEn.
Se observă deci incompatibilitatea amintită la început.
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
In cazul alimentării cu curent constant, IA=ct., problema se schimbă şi atunci obţinem :
EE
EAAE Uk
RUIkIIkM 2
11 ===
, pentru partea liniară a caracteristiciii de magnetizare. In
acest caz caracteristica de reglaj este conform figurii de mai jos.
Caracteristica de reglaj a servomotoarelor de c.c.comandate pe excitaţie
In figura următoare este prezentata o schema de alimentare la curent constant
a servomotorului de c.c.
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Aşa cum aminteam la început, schema de alimentare la curent constant şi
comandă pe excitaţie se aplică doar în cazul servomotoarelor de mare putere, un alt
motiv fiind şi acela că acest tip de comandă prezintă performanţe dinamice inferioare
comenzii pe indus. Pe de altă parte sursa de curent constant este echivalentă cu un
sistem de comandă pe indus astfel că se preferă aceasta din urmă.
5.2 Surse de c.c. de tensiune reglabilă
Aceste surse pot fi :
- redresoare semicomandate sau complet comandate cu tiristoare sau tranzistoare de
putere ;
- variatoare statice de tensiune continuă (VSTC) cu tranzistoare de putere sau tiristoare
(se mai numesc şi choppere).
Redresor monofazat reversibil cu funcţionare în 4 cadrane pentru comanda
servomotorului de c.c.
Modificarea tensiunii redresate se realizează prin modificarea unghiului de
aprindere a tiristoarelor. Funcţionarea în toate cele patru cadrane este posibilă folosind
două redresoare complet comandate conectate în opoziţie. Cele două redresoare pot
funcţiona separat, câte unul pentru fiecare sens de rotaţie, sau concomitent, în care caz
un grup funcţionează ca redresor iar celălalt ca invertor.
Este preferată în practică comanda cocncomitentă a celor două redresoare datorită
uşurinţei cu care se trece curentul de pe un grup de tiristoare pe altul. In acest caz apare
un curent de circulaţie între redresor şi invertor pentru a cărui limitare se conectează
bobinele cu miez de fier K1 şi K2. Fiecare grup de tiristoare V1, V2 respectiv V3, V4 este
comandat cu un unghi care să asigure aceeasi tensiune medie redresată, de exemplu
αA=600, αB=1200, respectîndu-se conditia αA+αB=1800. Curentul de circulaţie icir, apare
din cauza diferenţei ucir dintre valorile momentane ale celor două tensiuni redresate, de
valori medii egale (fig.1). Această diferentă, de formă alternativă, creează un curent
pulsatoriu, a cărui amplitudine depinde de unghiul de comandă, fiind maximă la αA=900.
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Pentru un anumit sens de rotaţie a servomotorului (de exemplu, dreapta) grupul
de tiristoare V1—V2 funcţionează ca redresor activ, cu un unghi de comandă 90<Aα
(fig.2); tensiunea medie redresată fiind mai mare decit tensiunea electromotoare,
masina funcţionează în regim de motor. Prin acest redresor circulă suma dintre
curentul motorului im şi curentul de circulaţie icir .Grupul de tiristoare V3 – V4 este
comandat cu αB>90', deci lucrează în regim de invertor, dar pasiv, căci este parcurs
doar de curentul de circulaţie. Dacă turaţia servomotorului are tendinţa să crească, ca
urmare a scăderii sarcinii, sau dacă se dă comandă de micşorare a turaţiei sau de
oprire, tensiunea electromotoare devine mai mare ca tensiunea redresată medie,
curentul rotoric se anulează şi schimbîndu-şi sensul, trece prin grupul invertor B (V3,
V4), care devine activ, iar redresorul A (V1, V2) devine pasiv, fiind parcurs doar de
curentul de circulaţie.
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig.2 Funcţionarea în primele două cadrane
La functionarea cu alt sens de rotaţie, printr-o cornandă adecvată, grupul de
tiristoare care fusese redresor (αA<900) devine invertor (αB>900) şi invers. Trecerea
grupului de tiristoare din stare activă (parcurse de curentul motorului) în stare pasivă
(parcurse doar de curentul de circulaţie), ca şi regimul energetic al maşinii de
acţionare (motor sau generator), depinde deci de jocul valorilor absolute UA=-UB ale
tensiunilor redresate de cele două grupuri (valori medii) şi a tensiunii electromotoare
induse în motor Ue =kΦΩ.
Curentul de circulaţie produce pierderi suplimentare în înfăşurările bobinelor de
limitare şi în tiristoare, lar bobinele maresc costul instalaţiei, deşi au şi un rol de
netezire a curentului servomotorului. Cu toate acestea schema reversibilă cu curent de
circulaţie este mai avantajoasă decât schema cu grupuri independente de tiristoare
(fără curent de circulaţie), prin simplitatea comenzii, care nu mai trebuie să blocheze
grupul de tiristoare in concordanţă cu sensul de circulaţie a energiei şi prin asigurarea
unui curent neîntrerupt prin motor. Pentru limitarea curenţilor de circulatie, este
recomandabil să nu se lucreze cu unghiuri de comandă mai mari de300 (respectiv
150').
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
5.3 Motorul asincron monofazat Acest tip de motor are exact aceeaşi construcţie ca şi motorul trifazat, cu singura
deosebire ca statorul posedă o înfăşurare monofazată, conectată la o reţea monofazată.
Rotorul este de obicei în scurtcircuit (colivie de veveriţă)
Infasurarea monofazata statorica parcursa de un curent monofazat produce un cimp
sinusoidal in timp si spatiu care se poate descompune in doua cimpuri invirtitoare ce se
rotesc in sensuri opuse, cu acceasi viteza si cu amplitudini egale cu jumatate din
amplitudinea cimpului sinusoidal in timp si patiu. Intr-adevar
( ) ( ) ( ).cos21cos
21coscos, αωαωαωα ptBptBptBtB mmm ++−==
B
In acest mod, motorul asincron monofazat este echivalent cu doua motoare asincrone
trifazate, identice, ale caror infasurari statorice produc cimpuri invirtitoare identice, dar cu
sensuri de rotatie diferite si care au rotoarele solidare cu acelasi arbore (fig.1b). La rindul lor,
aceste doua motoare asincrone trifazate sint echivalente cu un singur motor asincron trifazat
cu doua infasurari statorice A si B legate in serie, dar cu succesiune diferita a fazelor la
periferia interioara a statorului (fig.1 c), astfel având în vedere schema electrică echivalentă a
motorului asincron trifazat, putem realiza şi schema electrică echivalentă a motorului
monofazat (fig.2)
La fel ca la motorul asincron monofazat, in motorul trifazat din figura 1c conductoarele
infasuraru rotorice parcurse de curentii indusi de catre cele doua cimpuri invirtitoare statorice
BA si BB (care se rotesc in sensuri opuse) si aflate in aceste cimpuri vor fi solicitate de forte
electrodinamice.
Fig. 1. Motorul asincron monofazat:
a — schema de principiu; b,c — scheme echivalente.
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig.2.Schema electrică echivalentă a motorului asincron monofazat
Asupra rotorului vor actiona doua cupluri electromagnetice MA si MB, egale, dar
de sensuri contrare. Cuplul rezultant asupra rotorului va fi evident nul si rotorul nu se
poate pune in miscare. Daca insa dam un impuls rotorului intr-un anumit sens, de
exeinplu, in sensul cimpului invirtitor BA si rotorul se invirteste cu o viteza de rotatie Ω2,
atunci cimpul magnetic invirtitor BA are o viteza relativa fata de rotor Ω1-Ω2, si
frecvenţa curentilor indusi in infasurarea rotorului va fi:
( )1
1
211212 22
fsppf A=
ΩΩ−ΩΩ
=Ω−Ω
=ππ
Cîmpul învîrtitor BB va avea faţă de rotor o viteză relarivă Ω1+Ω2 iar
frecvenţa curenţilor în rotor va fi
( ) ( ) 11
211212 22
22fsppf B
−=
Ω
Ω−Ω−
Ω=
Ω+Ω=
ππ in care 2—s este alunecarea rotorului faţă de cîmpul învîrtitor BB.
Să reprezentăm în figura 3 cuplul electromagnetic MA funcţie de
alunecarea s. Acest cuplu este produs de înfăşurarea A şi are acelaşi sens cu
sensul de rotaţie al rotorului. Cuplul electromagnetic MB, produs de cîmpul
învîrtitor invers al înfăşurării B, va avea sens invers. Cuplul MA=f(s) va avea în
domeniul 10 ≤< s un caracter activ, curba MA=f(s) prezentînd aceeaşi alură ca
şi la motorul asincron trifazat. Cuplul MA creşte pînă la valoare maximă odată
cu viteza de rotaţie, iar apoi scade la zero pentru s = 0. In domeniul 10 ≤< s ,
alunecarea rotorului în raport cu cîmpul învîrtitor invers BB va fi 2-s ≥ 1, deci
cuplul electromagnetic produs de acest cîmp învîrtitor este cuplu de frînare. În
domeniul 1 2≤≤ s , cuplul MB reprezintă cuplu de frînare, iar alunecarea în
raport cu cîmpul invers fiind 0 < 2 — s ≤ 1, cuplul MB devine cuplu activ.
Masini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Considerind cuplul ca fiind pozitiv dacă acţionează în sensul de rotaţie, curbele
MA=f(s) şi MB =f(s) se prezintâ ca în figura 2.
Cuplul rezultant BA MMM += este reprezentat în aceeaşi figură.
Se remarcă imediat că pentru s=1, cuplul rezultant este nul, adică
motorul are cuplu de pornire nul. In schimb, dacă se dă un impuls motorului într-un
anumit sens, iar cuplul rezistent este considerat pentru moment redus, motorul
dezvoltă un cuplu activ în acelaşi sens şi motorul se accelerează până ajunge la o
viteză apropiată de viteza de sincronism, cînd motorul poate fi încărcat cu un cuplu
rezistent la arbore, evident mai mic decât cel maxim.
Fig. 3. Caracteristica M = f(s) a motorului asincron monofazat.
Faptul că motorul asincron monofazat nu dezvoltă cuplu la pornire constituie un
mare dezavantaj. De aceea, motorul asincron monofazat trebuie să fie prevăzut cu un
mijloc convenabil pentru asigurarea unui cuplu de pornire, necesar atît învingerii
frecărilor proprii în paliere, cît şi învingerii unui cuplu rezistent oarecare la arbore.
Problema se poate rezolva simplu dacă în momentul pornirii s-ar produce în locul
cîmpului sinusoidal în timp şi spaţiu un cîmp învîrtitor.
Se poate arăta uşor că, dacă statorul motorului asincron este prevăzut
cu o înfâşurare monofazată suplimentară - denumită înfăşurare de pornire sau
înfăşurare, auxiliară - decalată la periferia statorului cu unghiul p2π
faţă de
înfăşurarea monofazată de bază, avînd acelaşi număr de spire şi fiind parcursă
de un curent de acceasi valoare efectivă, dar defazat în timp cu 2π
faţă de
Masini electrice speciale
10 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
curentul din înfăşurarea principală, se produce un cîmp magnetic invîrtitor în
locul cîmpului sinusoidal în timp şi spaţiu.
Întradevăr fie: ,
2cos2
,cos2
2
1
−=
=πω
ω
tIi
tIi
curenţii din cele două înfăşurări. Câmpurile
produse de fiecare înfăşurare vor fi:
( )
( )
−
−=
=
pptBtB
ptBtB
m
m
2cos
2cos,
;coscos,
2
1
παπωα
αωα
, care se
pot scrie
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ).cos21cos
21,
;cos21cos
21,
2
1
παωαωα
αωαωα
−++−=
++−=
ptBptBtB
ptBptBtB
mm
mm
şi adunându-le obţinem:
( ) ( ) ( ) ( ),cos,,, 21 αωααα ptBtBtBtB m −=+= care reprezintă un câmp învârtitor ce
asigură un cuplu de pornire.
Dat fiind caracterul auxiliar al înfăşurării de pornire (in mers nu mai este nevoie
de această înfăşurare), ea nu îndeplineşte în practică exact condiţiile impuse mai sus.
O înfăşurare monofazată, decalată la periferia interioară a statorului în raport cu
înfâşurarea principală, cu un număr mai redus de spire, parcursă de un curent (chiar
mai mic) defazat faţă de curentul din înfăşurarea principală, produce o slăbire relativă
a cîmpului învîrtitor invers si o întărire relativă a cîmpului învîrtitor direct. În practică, în
unele cazuri, aceasta poate fi suficient pentru ca motorul să pornească singur.
În maşinile asincrone monofazate, înfăşurarea principală ocupă de obicei 32
din
crestăturile care revin unui pas polar, iar restul sînt ocupate de înfăşurarea auxiliară.
Ambele înfâşurări se conectează la aceeaşi reţea electrică monofazată. Spre a
asigura defazarea celor doi curenţi, se conectează în serie în înfăşurarea auxiliară fie
o rezistenţă, fie un condensator (fig. 4).
Atunci cînd se utilizează o rezistenţă conectată în faza auxiliară, nu se poate
obţine defazajul de 90° între curenţi, şi de aceea cuplul de pomire va fi relativ mic.
Rezultate mult mai bune se obţin în cazul utilizării condensatorului, a cărui capacitate
poate fi aleasă astfel încît la s = 1 să se obţină numai cîmp învîrtitor direct, iar motorul
să dezvolte un cuplu de pornire relativ mare.
Masini electrice speciale
11 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Infăşurarea auxiliară cu condensator poate fi menţinută, şi în mers, obţinîndu-se o
îmbunătăţire a factorului de putere. Totuşi valoarea optimă a condensatorului pentru pornire
se dovedeşte a fi prea mare în regimul normal de funcţionare. De aceea, adeseori se
deconectează o parte din capacitatea legată în serie în faza auxiliară, după ce motorul a
pornit. Caracteristicile mecanice a motoarelor monofazate cu condensator pot fi văzute în
figura 5.
Fig.4.Condensator sau rezistenţa pentru defazarea
curentului înfăşurării auxiliare
Un defazor de tensiune (fara a modifica valoarea efectiva )se poate obtine dupa
urmatoarea schema:
Masini electrice speciale
12 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Deseori se întrebuinţează în practică o variantă constructivă a motorului
asincron monofazat cu fază auxiliară - aşa-numitul motor cu spiră în scurtcircuit
(fig.6). Statorul acestui motor are poli aparenţi pe miezul cărora se află
înfăşurarea monofazată. 0 anumită parte din deschiderea piesei polare este
cuprinsă de o spiră în scurtcircuit. Această spiră împreună cu înfăşurarea
corespunzătoare de pe pol formează un transformator. Cimpul polilor B1 induce
în spira in scurtcircuit un anumit curent Is, care produce la rîndul său cîmpul Bs.
Cele două cîmpuri B1 şi Bs se suprapun pe deschiderea polilor cuprinsă
de spirele în scurtcircuit. Ele vor fi defazate in timp (fig.6) şi vor da un
cîmp rezultant B2 defazat faţă de cîmpul B1. Prin urmare, rotorul se află sub
influenţa a două cîmpuri: pe deschiderea spirelor în scurtcircuit - cîmpul B2, iar
pe restul deschiderii piesei polare - cîmpul B1. Dacă se iau în consideraţie doar
armonicele spaţiale fundamentale ale celor două cîmpuri, se constată că rotorul
este supus influenţei a două cîmpuri sinusoidale în timp şi spaţiu, decalate în
spaţiu şi cu fază diferită, exact ca si in motorul asincron cu fază auxiliară.
Fig.5. Motorul asincron monofazat cu spira în scurtcircuit
Masini electrice speciale
13 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Dat fiind cuplul mic de pornire, randamentul slab şi factorul de putere mic, desi
este foarte simplu, motorul cu spira în scc. nu se realizează decât pentru puteri foarte mici
5…25W, care se utilizează la ventilatoare mici etc.
Motoarele cu rezistenţă se construiesc în limitele 30…200W şi se utilizează la
frigidere, aparate medicale,etc.
Motoarele cu condensatoare se construiesc pentru puteri de la 50 W şi au o
largă răspândire în acţionări de putere relativ mică.
5.4 Servomotoare asincrone
Servomotoarele de c.a. asincrone au într-un sistem automat aceeasi funcţie ca şi cele
de c.c., de a antrena la o turaţie dorită diverse sarcini mecanice.
Faţă de cele de c.c., cele de c. alternativ au următoarele avantaje : sunt mai simple,
mai robuste, au cuplu de frecări mai mic, mai silenţioase, mai sigure în exploatare şi mai
ieftine.
Dezavantaje : randament mai scăzut, factorul de putere mic, gabarit mai mare, gama
de reglaj a vitezei mult mai mică.
Uzual se întâlnesc servomotoare bifazate şi cele trifazate.
2.1.Servomotoare asincrone trifazate
Din punct de vedere constructiv sunt asemănătoare motoarelor asincrone clasice, iar
principiul de funcţionare este la fel. Ceea ce diferă este domeniul de aplicaţie,
servomotoarele fiind utilizate ca element de execuţie cu viteză reglabilă, fiind astfel
importante performanţele maşinii în regim dinamic.
Schema de principiu a acestui servomotor poate fi văzută în figura de mai jos:
Masini electrice speciale
14 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Schema de principiu a servomotorului asincron trifazat
In această schemă sunt figurate cele trei înfăşurări ale statorului şi ale rotorului
concentrate în axele lor magnetice.
Sistemul de ecuaţii care caracterizează funcţionarea servomotorului se poate
scrie pentru o fază a acestuia în mărimi reale raportate la stator sub forma:
( )( ) '
2'
2'2
'2'
21
'2111111
0 IXIs
RIIjX
IIjXIjXIRU
m
m
σ
σ
+++=
+++=
Se observă că acest sistem de ecuaţii sunt cele care descriu masina asincrona
trifazata, astfel ca şi schema electrică echivalentă, cuplul şi caracteristicile mecanice
vor fi asemănătoare
Masini electrice speciale
15 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Comanda acestor servomotoare se face cu convertizoare de frecvenţă, care pentru a
se păstra constant fluxul prin maşină, lucrează îndeplinind condiţia U1/f1=cst. ceea ce
înseamnă M=cst.
În general la frecvenÎn general la frecvenţe peste cea nominală, tensiunea rămâne
constantă, funcţionarea având loc la putere constantă. La frecvenţe scăzute de alimentare,
rezistenţa înfăşurării statorice devine de acelaşi ordin cu reactanţa de magnetizare, ea nu
mai poate fi neglijată. Datorită acestui fapt, pentru a menţine constant fluxul în întrefier,
variaţia tensiunii nu este liniară cu frecvenţa, astfel ca pentru frecvenţe mai mici de 15 Hz,
tensiune a se menţine constantă
Masini electrice speciale
16 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
De reţinut! Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor comandate pe excitaţie
sunt incompatibile cu un sistem de reglare automat
Surse de c.c. de tensiune reglabilă pot fi :
- redresoare semicomandate sau complet comandate cu tiristoare
sau tranzistoare de putere ;
- variatoare statice de tensiune continuă (VSTC) cu tranzistoare de
putere sau tiristoare (se mai numesc şi choppere).
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 6 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 6
6.1 Servomotorul asincron bifazat
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 6
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 6
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 6
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 6 sunt:
• Familiarizarea cu functionarea servomecanismelor de curent alternativ
6.1 Servomotorul asincron bifazat
In imensa majoritate a servomecanismelor de curent alternativ se utilizează
drept servomotor motorul asincron bifazat (de fapt monofazat cu fază auxiliară) cu
rotor în formă de colivie de veveriţă (fig. 1).
Servomotorul asincron bifazat are statorul realizat din tole de oţel electrotehnic.
cu simetrie cilindricâ, la a cărui periferie interioară sînt prevăzute crestături. In
crestături sînt plasate două infăşurări decalate in spaţiu la 90 grade electrice. Una din
ele este denumită înfăşurare- de excitaţie şi rămâne în permanenţă conectată la o
reţea monofazată de alimentare, iar cealaltă
este denumită înăaşurare de comandă şi la bornele ei se aplică semnalul de
comandă.
Sunt posibile trei moduri diferite de a comanda acest servomotor:
a) - variaţia amplitudinii tensiuniide comandă, tensiunea de excitaţie fiind constantă ca
valoare efectivă şi permanent defazată cu 90 grade faţă de tensiunea de comandă
(fig.2a);
b) - variaţia fazei tensiunii de comandă, a cărei valoare efectivă este în permanenţă
constantă, - fel ca şi valoarea efectivă a tensiunii de excitaţie (fig.2b);
c) - variaţia amplitudinii tensiunii de comandă şi intercalarea în circuitul de excitaţie a
unui condensator C, tcnsiunea aplicată circuitului de excitaţie fiind preluată de la
aceeaşi sursă ca şi tensiunea de alimentare a amplificatorului de putere A care
comandă servomotorul (fig.2c).
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Fig. 1. Schema de principiu
a servomotorului asincron
Ultimul mod de comandă a servomotorului conduce la o instalaţie mai
simplă şi prezintă, în general, performanţe superioare, ceea ce a impus larga sa
răspîndire.
Principiul de funcţionare al servomotorului asincron bifazat este relativ simplu.
Să presupunem că înfăşurarea de excitaţie este alimentată de la o reţea monofazată
şi tensiunea la bornele sale este Ue, iar înfăşurarea de comandă are tensiune nulă la
borne. In acest caz avem a face cu un motor monofazat clasic. Infăşurarea
monofazată de excitaţie produce un cîmp fix, pulsatoriu, cu repartiţie sinusoidală în
spaţiu (dacă ne referim numai la armonica fundamentală spaţială) şi variaţie
sinusoidală în timp. Acest cîmp fix se poate descompune în două cîmpuri învîrtitoare,
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
de aceeaşi amplitudine şi viteză, dar cu sensuri diferite de rotaţie. Sub influenţa
acestor doua cîmpuri
învîrtitoare, rotorul în colivie de veveriţă este supus acţiunii a două cupluri egale şi de
sens contrar. In consecinţă, cînd nu există semnal de comandă, servomotornl stă în
repaus.
Atunci cînd amplificatorul A produce o anumită tensiune Uc la bornele
înfâşurării de comandă a servomotorului, situaţia se schimbă. întocmai ca la motorul
asincron monofazat cu fază auxiliară, de data aceasta la periferia interioară a
statorului acţionează două solenaţii decalate în spaţiu şi defazate în timp (defazajul în
timp este cauzat de exemplu de condensatorul C). In
acest caz, se produc tot două cimpuri rotitoare de aceeaşi viteză, de sensuri diferite,
dar de amplitudini diferite. Asupra rotorului se exercită două cupluri de sensuri diferite,
dar şi de valori diferite ceea ce inseamna un cuplu rezultant diferit de zero. Dacă acest
cuplu rezultant depăşeşte cuplul rezistent, atunci servomotorul se pune în mişcare.
Acest cuplu rezultant este cu atît mai mare cu cît tensiunea Uc de comandă este mai
mare, iar defazajul dintre fazorii cU şi eU este mai apropiat de 90 grade.
Spre deosebire de motorul asincron monofazat utilizat în acţionarile curente,
care, odată pornit, continuă să se rotească şi după deconectarea fazei auxiliare,
servomotorul prezentat mai sus trebuie să se autofrîneze la dispariţia semnalului de
comanda.
Aceasta este o condiţie impusă de faptul că servomotorul este încadrat ca
element component într-un servomecanism. Dacă servomotorul ar continua să se
rotească şi după anularea tensiunii Uc atunci servomecanismul nu ar mai avea rost,
funcţionarea sa fiind complet instabilă.
Se ştie că un motor asincron monofazat poate fi echivalet cu un motor asincron
trifazat avînd două înfăşurări trifazate statorice în serie şi un singur rotor. Cele două
înfăşurări statorice produc cîmpuri învîrtitoare de aceeaşi amplitudine şi viteză, dar de
sensuri contrarii. Sub acţiunea unuia din câmpurile învîrtitoare, fie el numit cîmp direct,
rotorul este solicitat de un cuplu direct Md,de acelaşi sens cu cîmpul inductor. Acest
cuplu variază în funcţie de viteza Ω a rotorului, conform curbei din figura 3a. In acelaşi
timp, sub acţiunea celuilalt cîmp învîrtitor, denumit invers, rotorul este solicitat de un
cuplu invers Mi, a cărui variaţie în funcţie de viteză este redată tot în figura 3a.
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
In cazul motoarelor utilizate în acţionările curente, cuplurile Md,Mi prezintă un
maxim pentru viteze unghiulare apropiate de vitezele respective de sincronism
(alunecări critice subunitare). In această situaţie, cuplul rezultant M variază în funcţie
de viteza unghiulară Ω,
conform curbei îngroşate din figura 3a. Această curbă evidenţiază faptul că, dacă
motorul a funcţionat sub acţiunea fazei auxiliare la o anumită viteză Ω în sens direct, la
deconectarea bruscă a fazei auxiliare, motorul continuă să dezvolte un cuplu rezultant
direct, continuînd să se rotească cu o viteză unghiulară apropiată de Ω.
Dacă curbele Md=f(Ω) şi Mi=f(Ω) prezintă maxime la viteze critice unghiulare
negative faţă de vitezele respective de sincronism (la alunecări critice supraunitare),
situaţia se schimbă cu totul, aşa cum se arată în figura 3b. Dc data aceasta, dacă la
un moment dat motorul se rotea în sens direct cu viteza unghiulară Ω şi se
deconectează brusc faza auxiliară, motorul rămînînd numai sub acţiunea unci singure
înfâşurări, el va dezvolta un cuplu rezultant de sens invers, adică de frînare. In cele din
urmă, în acest caz motorul se opreşte.
Deplasarea cuplului maxim a unui motor asincron spre valori critice de valoare
ridicată se realizează mărind rezistenţa echivalentă a înfăşurării rotorice, adică a
barelor coliviei. Prin mărirea acestei rezistenţe cuplul maxim nu se scliimba.
Aşadar, spre deosebire de motorul asincron monofazat cu fază auxiliară, utilizat
în acţionări electrice, servomotorul asincron utilizat într-un sistem de reglare automată
are rezistenţe echivalente rotorice relativ mari, ceea ce asigură autofrânarea la
dispariţia semnalului de comandă. Datorită acestor rezistenţe mărite se utilizează doar
pentru puteri mici, unde problema randamentului nu se pune în discuţie.
Pentru a se deduce caracteristica mecanica a acestui servomotor se apeleaza
la metoda componentelor simetrice, deorece sistemul de fazori Ue si Uc in general nu
reprezinta un sistem echilibrat, intrucat condensatorul C se alege astfel incat la pornire
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
sub tensiunea de comanda maxima realizabila sa avem un sistem simetric echilibrat
deci un cuplu maxim. Astfel pentru orice alt regim sistemul este nesimetric si se poate
descompune in doua sisteme simetrice de succesiune directa Ud -jUd si de succesiune
inversa Ui si jUi
Avem astfel:
Ue=Ud+Ui Ud=(1/2)(Ue+jUc)
Uc=-jUd+jUi rezulta Ui=(1/2)(Ue-jUc)
Astfel se poate scrieUd2=(1/4)[(Ue+Uc cosα)2+Uc
2sin2α]
Ui2=(1/4)[(Ue-Uc cosα)2+Uc
2sin2α]
Cuplul de pornire este diferenta cuplurilor direct si indirect fiecare depinzand de
patratul tensiunii (directe respectiv indirecte), coeficientul de proportionalitate k0
depinzand de parametrii infasurarilor.
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Constructia servomotoarelor asincrone bifazate
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
De reţinut!
posibile trei moduri diferite de a comanda acest servomotor:
a) - variaţia amplitudinii tensiuniide comandă, tensiunea de
excitaţie fiind constantă ca valoare efectivă şi permanent
defazată cu 90 grade faţă de tensiunea de comandă ;
b) - variaţia fazei tensiunii de comandă, a cărei valoare efectivă
este în permanenţă constantă, - fel ca şi valoarea efectivă a
tensiunii de excitaţie ;
c) - variaţia amplitudinii tensiunii de comandă şi intercalarea în
circuitul de excitaţie a unui condensator C, tcnsiunea aplicată circuitului
de excitaţie fiind preluată de la aceeaşi sursă ca şi tensiunea de
alimentare a amplificatorului de putere A care comandă servomotorul
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 7 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 7
7.1 Motoare speciale sincrone
7.2 Motoare sincrone cu magneti permanenti
7.3 Motoare sincrone cu reluctanta variabila
7.4 Motoare autoreductoare
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 7
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 7
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 7
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 7 sunt:
• Familiarizarea cu caracteristica motoarelor sincrone
7.1 Motoare speciale sincrone Cea mai importantă caracteristică a motoarelor sincrone este acea ca viteza lor
de rotatie este direct proportionala cu frecventa tensiunii de alimentare conform
relatiei pfn 60
=, unde p reprezinta numarul perechilor de poli, f este frecventa in
Hz, iar n turatia in rot/min.
Putem avea urmatoarele tipuri de motoare sincrone:
1.Dupa principiul de conversie a energiei:
- cu excitatie electromagnetica;
- cu magneti permanenti;
- cu reluctanta variabila;
- cu histerezis.
2.Dupa caracterul alimentarii:
- cu alimentare continua;
- motoare pas cu pas.
3.Dupa caracterul comenzii:
- cu comanda din exterior;
- autocomandate (cu comutator electronic).
4.Dupa relatia intre viteza de rotatie si cea de sincronism:
- normale;
- reductoare.
Motoarele sincrone speciale se construiesc intr-o gama foarte larga de puteri, de
la zecimi de watt pana la zeci de kilowati, cu turatii de la 1/luna la 300000 rot/min.
Avantajul acestor motoare fata de cele sincrone clasice consta in lipsa contactelor
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
alunecatoare, a uzurii periilor si inelelor, a intretinerii usoare, posibilitatea
functionarii in medii explozive.
7.2 Motoare sincrone cu magneti permanenti
Magnetii permanenti permit realizarea unor masini sincrone de constructie
foarte simpla, fara contacte alunecatoare si fara infasurari de excitatie, de fiabilitate
crescuta, dimensiuni si greutate reduse, pret de cost scazut si randament ridicat.
Aceste motoare cu MP pot fi proiectate sa functioneze pentru sarcina nominala
la cosφ=1 sau chiar capacitiv. Se utilizeaza in actionari de viteza variabila, in industria
chimica, textila, in sisteme de urmarire de viteza, in aparatura medicala si de
inregistrare, etc.
Constructia lor este asemanatoare cu a motoarelor asincrone, prezentand in
crestaturile statorului un sistem bi, tri sau polifazat de infasurari. Pentru masinile de
putere mica aceste infasurari pot fi concentrate si aranjate in diverse geometrii functie
de solutia constructiva aleasa.
Motor sincron trifazat cu MP
Rotorul se realizeaza in doua variante constructive:
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
o cu poli aparenti si colivie de pornire, constructie clasica;
o cu poli gheara, solutie utilizata in general la putere mai mica si pentru un
numar mare de poli.
Rotorul cu poli in forma de gheara este constituit dintr-un magnet cilindric
magnetizat in sens axial si doua saibe din material feromagnetic, de o parte si alta
saibele prezentand o serie de armaturi polare care se intrepatrund alternativ la
periferia exterioara a magnetului, formand un sistem magnetic multipolar. Aceste
gheare fiind masive joaca si rolul unei colivii de amortizare si pornire, pornire care
pentru puteri mici si momente de inertie reduse poate fi asigurata chiar si de cuplul
sincron tranzitoriu dezvoltat de masina.
Ecuatiile de functionare
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Asa cum se observa in figura, colivia a fost inlocuita prin doua infasurari echivalente
dispuse la 90 de grade dupa axele D si Q (ale rotorului). Magnetul permanent este inlocuit cu
o infasurare supraconductoare E caracterizata doar de campul produs de curentul echivalent
Ie, constant pentru orice regim de functionare. Daca se inlocuieste infasurarea trifazata
statorica cu una bifazata dispusa dupa axele d si q ale infasurarii statorice atunci ecuatiile se
pot scrie astfel:
dtd
iR
dtdiR
dtd
iRdttd
iRu
dtd
iRtt
iRdttd
iRu
QQQ
DDD
dbq
qsqs
qsq
qbd
dsdd
dsds
dsd
Ψ+=
Ψ+=
Ψ+Ψ
+=Ψ
+=
Ψ−Ψ
+=∂∂
∂Ψ∂
+∂Ψ∂
+=Ψ
+=
0
0
),(
),(
ωθ
ωθθ
θ
q uq
d ud
E D
Q
Fig. 2.1. Maşina sincronă: a) Schema electrică, b) Schema modelului ortogonal
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Daca prima ec. o inmultim cu id iar pe a doua cu iq si le adunam obtinem:
)()( 22dqqdb
ddqdsqqdd ii
dtd
idtd
iiiRiuiu Ψ−Ψ+Ψ
+Ψ
++=+ ω
Se observa astfel ca puterea absorbita la borne se regaseste o parte ca pierderi
in infasurarile statorice(primii doi termeni), o parte ca energie magnetica in infasurarile
statorice(urmatorii doi termeni), ceea ce inseamna ca ultimul termen reprezinta
puterea transmisa prin intrefier rotorului si anume )( dqqdbbee iiMP Ψ−Ψ=Ω= ω din
care rezulta cuplul electromagnetic )( dqqde iipM Ψ−Ψ= , unde p reprezinta numarul
perechilor de poli.
Intre tensiunile ud,uq, curentii id,iq si tensiunile uA, uB,uC respectiv curentii iA,iB,iC exista
relatiile:
Sistemul de referinta a fost astfel ales incat axa longitudinala d sa corespunda cu axa
longitudinala a masinii, iar cea transversala q sa corespunda cu cea transversala a masinii.
Daca se alimenteaza masina cu un sistem trifazat simetric de tensiuni, atunci avem:
)34cos(2
),32cos(2
,cos2
πω
πω
ω
−=
−=
=
tUu
tUu
tUu
C
B
A
si in acest caz ne rezulta qq
dd
UtUu
UtUu
=−−=
=−=
)sin(2
,)cos(2
ωθ
ωθ
In regim sincron curentii din colivia de amortizare sunt zero, deci ID=0, IQ=0. De
asemenea daca consideram cazul particular de mers in gol ideal cand Id=0, Iq=0,
)].34sin()
32sin(sin[
32
)]34cos()
32cos(cos[
32
)],34sin()
32cos(sin[
32
)],34cos()
32cos(cos[
32
πθπθθ
πθπθθ
πθπθθ
πθπθθ
−+−+−=
−+−+=
−+−+−=
−+−+=
CBAq
CBAd
cBAq
CBAd
iiii
iiii
uuuu
uuuu
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
atunci vom avea doar un flux ( )dΨ produs de curentul echivalent Ie, ceea ce inseamna ca
vom avea doar tensiunea Uq diferita de zero. Generalizand, pentru un regim diferit de cel de
mers in gol ideal aceasta inseamna ca in regim de motor masina ramane in urma cu un unghi
intern δ>0.
Daca se considera un coeficient de suprasarcina de 1,5...2 (la fel ca la masinile
sincrone clasice), functionarea normala are loc la un unghi intern in plaja de 0...30-400, in
acest domeniu functionarea fiind stabila.
Pornirea motoarelor sincrone cu MP se face in asincron, colivia de amortizare avand si
rol de pornire.
La fel ca la orice masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit, curentul de pornire poate
fi foarte mare(5...8In), ceea ce poate duce la demagnetizarea MP si deci la scaderea
performnatelor masinii.
Pentru evitarea acestui lucru trebuie asigurata o colivie puternica, care sa
ecraneze magnetul permanent.
Un al doilea fenomen particular ce apare la pornirea masinilor sincrone cu MP
este aparitia unei „sei” in caracteristica sa de pornire, la alunecari apropiate de 1.
Daca cuplul de sarcina este mai mare decat acest minim, motorul nu mai intra in
sincronism si ramane blocat la o viteza foarte mica de rotatie.
Cauza poate fi explicata prin faptul ca odata ce incepe sa se invarta rotorul cu
MP, va induce t.e.m. de rotatie de frecventa scazuta 12 )1( fsf −= cu valoarea efectiva
1102 )1()1( EssfkE −=−= φ care la randul lor dau nastere la curenti care se inchid prin
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
sursa de alimentare. In cazul in care sistemul are putere mare, impedanta sa proprie
este foarte mica si are caracter puternic inductiv (rezistenta este mica).La frecvente
scazute, cum sunt acesti curenti, reactanta este foarte mica, doar rezistenta sistemului
care si aceasta este mica limiteaza acesti curenti, care desi sunt produsi de o tensiune
em. mica, au amplitudine ridicata si sunt pur activi, putand ajunge la valori de (1...2)In.
Acesti curenti dau nastere la un cuplu de franare, care daca se neglijeaza pierderile in
infasurarea statorica se poate scrie ca:
nn MIE
sIEsIEM )2...1()2..1(
)1()1(cos
1
1
1
21
2
2222 =
Ω=
Ω−−
=Ω
=ϕ
Deci acest cuplu trebuie scazut din cel asincron si in cazul in care motorul este
necorespunzator proiectat, cuplul rezultant poate deveni negativ si masina nu mai
functioneaza. Pentru a evita acest fenomen, in general se scade fluxul dat de magnet,
masina functionand subexcitata in perioada de pornire.
Daca cuplul rezultant este pozitiv, pe masura ce turatia creste, creste si
frecventa acestor curenti, deci va creste si reactanta sistemului si cu toate ca t.e.m.
creste curentul scade, caracterul sau devine inductiv si factorul de putere se reduce.
Ca urmare a acestor efecte cuplul rezistent se reduce si efectul sau nu mai este
sesizabil.
Un fenomen asemanator apare si la masinile sincrone cu excitatie statica.
7.3 Motoare sincrone cu reluctanta variabila
Constructia acestor motoare este asemanatoare cu cea a motoarelor asincrone,
prezentand insa un intrefier ma mare. Statorul are o infasurare bi sau trifazata in stea
dispusa in crestaturi.Rotorul prezinta o anizotropie magnetica realizata fie printr-o
constructie cu poli aparenti, fie printr-un rotor segmentat, fie folosind bariere
nemagnetice, sau combinat.
Masini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Cuplul de pornire apare ca urmare a diferentei intre reactanta sincona
longitudinala si cea transversala, urmarindu-se ca aceasta sa fie cat mai mare. De
asemenea factorul de putere este cu atat mai bun ca cat raportul q
d
xx
=α este mai
mare. In general un raport α=0,2 se poate atinge destul de usor, tinzandu-se spre un
α=0,1.
Pornirea acestor motoare se face in asincron, colivia de amortizare avand si rol
de pornire, sau bariarele nemagnetice avand acest rol.
Pentru un moment de inertie mai mare sau un cuplu de sarcina mai mare,
intrarea in sincronism este mai anevoioasa, necesitand un timp mai lung. Daca cuplul
de sarcina depaseste cuplul de intrare in sincronism, motorul nu mai sincronizeaza
penduland permanent in apropierea turatiei de sincronism.
Performante superioare se obtin facand o combinatie intre un motor cu MP
(performante energetice mai bune) si unul cu reluctanta variabila(pret de cost mai
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
10 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
scazut), rezultand o solutie hibrida, la care magnetii permanenti (ferite de bariu) sunt
plasati intre poli si protejati de socul de curent la pornire de barierele nemagnetice.
7.4 Motoare autoreductoare
Se folosesc acolo unde sunt necesare turatii foarte mici si riguros constante,
fiind mai avantajoase decat un motor obisnuit cuplat cu un reductor.
Atat statorul cat si rotorul sunt realizate din tole cu crestaturi deschise. Pe stator
se amplaseaza o infasurare bi sau trifazata. Rotorul nu are infasurari. Numerele de
dinti statorici si rotorici sunt diferite, diferenta lor fiind un numar par.
Principiul de functionare este urmatorul: la un moment dat t, axa campului
invartitor statoric ocupa pozitia A(coincide cu axa dintilor 1 si 9, statorul avand in acest
caz 16 dinti). Datorita unui cuplun de anizotropie, rotorul se rotste si ocupa pozitia de
minima reluctanta(campul se inchide prin dintii 1’ si 10’(rotorul are 19 dinti).Dupa un
timp t=T/Z1, unde T este perioada curentului statoric, axa campului statoric ocupa
pozitia B, trecand prin dintii 2 si 10 ai statorului.Campul s-a rotit cu 22,5 grade. Ca
urmare a acestei noi pozitii, rotorul se va invarti in aceslasi sens pana ocupa o noua
pozitie de minima reluctanta, adica campul se inchide prin dintii rotorici 2’ si 11’. In
acest timp t, rotorul s-a invartit cu un unghi grade
ZZ5,222
21
=−= ππα, avand deci o
viteza de 9 ori mai mica decat campul statoric.
Pentru un caz general, viteza unghiulara este:
Masini electrice speciale
11 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
2
12
2
)121
21
(2)22(
ZZZ
ZZZf
TZ
ZZt−
=−
=−=∆∆=Ω ω
πππα
Exemplu, ptr Z2=400, Z1=398, f=50Hz, vom avea o turatie srotn /
41
40039840050 =−=
Pentru cresterea performantelor se poate utiliza o excitatie prin MP,
functionarea fiind identica cu cea anterioara.
De reţinut! Cea mai importantă caracteristică a motoarelor sincrone este acea ca
viteza lor de rotatie este direct proportionala cu frecventa tensiunii de
alimentare conform relatiei pfn 60
=, unde p reprezinta numarul
perechilor de poli, f este frecventa in Hz, iar n turatia in rot/min.
Teoremele lui Kirchhoff– Aspecte generale
12 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 8 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 8
8.1 Motoare sincrone pas cu pas
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 8
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 8
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 8
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 8 sunt:
• Familiarizarea cu constructia si comanda motoarelor pas cu pas
8.1 Motoare sincrone pas cu pas
Transforma impulsurile electrice de tensiune in deplasari unghiulare discrete,
astfel ca la primirea unui impuls, rotorul isi schimba pozitia cu un unghi bine precizat.
Ca urmare ele se comporta ca niste convertoare electromecanice numeric-analogice.
Au o larga aplicare in sistemele de comanda automata pe baza de program a
ctionarilor masinilor-unelte, a unor mecanisme si dispozitive din comanda perifericilor
calculatoarelor. Aceste masini permit realizarea unor sisteme automate de tip discret
care nu au nevoie de legaturi inverse, deoarece stabilesc o corespondenta directa
riguros univoca intre informatia primita si deplasarea unghiulara realizata.
Constructia si comanda motoarelor pas cu pas
Se construiesc in mai multe variante putand avea unul sau mai multe statoare,
infasurari de comanda distribuite sau concentrate, rotor cu poli aparenti sau magneti
permanenti.Pentru intelegerea principiului de functionare se considera motorul din
figura de mai jos, care are un rotor cu reluctanta variabila cu o pereche de poli,
statorul avand trei perechi de poli aparenti.
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Pe fiecare pol se gaseste o infasurare de comanda concentrata, si se
alimenteaza inseriindu-se infasurarile unei perechi de poli( poli opusi) cu tensiune
continua. La trecerea unui curent prin infasurarea 1-1’, rotorul este supus unui cuplu
electromagnetic sub actiunea caruia se deplaseaza pana cand axa sa se suprapune
peste axa polilor statorici.Daca se intrerupa alimentarea fazei 1-1’ si se alimenteaza 2-
2’, rotorul va lua o noua pozitie corespunzatoare axei acestor poli, deplasandu-se cu
un unghi 60
132360
2360
===
rsp pp
γgrade (1). Pentru a micsora unghiul corespunzator
unui pas se creste numarul de poli rotorici, folosindu-se un rotor multipolar.
Asa cum se poate observa din relatia 1, micsorarea unghiului de pas se poate
realiza in continuare prin marirea numarului de poli pe rotor sau stator, sau prin
folosirea masinilor cu mai multe rotoare si statoare.
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
O alta solutie, dezvoltata din motorul sincron autoreductor este motorul pas cu
pas reductor.
La suprafata rotorului si a pieselor polare statorice se gasesc o serie de
crestaturi deschise formand un numar de dinti cu acelasi pas pentru stator si rotor.
Dintii rotorului sunt la un moment dat pe aceeasi axa cu dintii polilor 1-1’, dar decalati
cu o treime de pas in urma fata de polii 2-2’ si cu o treime de pas inainte fata de polii
3-3’. La alimentarea succesiva a polilor statorici, rotorul se deplaseaza cu cate o
treime de pas, cautand in fiecare caz sa-si gaseasca o pozitie de reluctanta minima.
Pentru un ciclu complet in care sunt alimentati pe rand toti polii statorici, rotorul se va
deplasa cu un dinte, respectiv cu un unghi de 360/Zr. In cazul general pentru un motor
cu 2ps poli statorici, pasul de deplasare este rsp Zp2
360=γ
.
Daca miscarea directa este liniara se poate utiliza un motor pas cu pas liniar,
realizat dintr-un MP si doi electromagneti EMB si EMA si o suprafata danturata
feromagnetica. Ansamblul este mentinut suspendat cu ajutorul unei perne de aer.
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
In absenta curentului prin electromagnet, el se aseaza astfel incat reluctanta circuitului
sau magnetic pentru liniile de camp ale magnetului permanent sa fie minima (EMA a).
Alimentarea unui electromagnet este astfel realizata incat sa anuleze campul produs
de MP sub un capat al electromagnetului si sa-l majoreze sub celalalt (a EMB). Daca
in tactul urmator se alimenteaza EMA si se decupleaza EMB (b), se vede ca pentru a
avea reluctanta minima ansamblul se deplaseaza un sfert de pas dentar. La o noua
modificare a alimentarii avem o noua deplasare (c), respectiv la un ciclu avem o
deplasare de un pas.
Utilizand doua astfel de motoare cu directii de deplasare perpendiculare se poate
obtine un sistem cu deplasare pe doua axe.
Schema de principiu a alimentarii motoarelor pas cu pas este prezentata in figura de
mai jos, cele m faze fiind alimentate prin m tranzistoare de putere fiecare functionand un timp
de T/m.
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Pentru frecvente reduse de alimentare, curentul are practic forma tensiunii de
puls dreptunghiular, deoarece perioada acestor pulsuri este mult mai mare decat
constanta de timp a infasurarilor(apros10ms) (b). La frecvente mai ridicate perioada de
repetitie a pulsurilor de tensiune devine de acelasi ordin de marime sau chiar mai mica
decat constanta de timp a infasurarii, iar in infasurare incep sa se induca t.e.m. de
rotatie de valoare importanta si ca urmare, curentul nu mai poate atinge valoarea sa
initiala, ceea ce are ca efect o scadere a cuplului electromagnetic produs de masina.
Pentru imbunatatirea performantelot motoarelor pas cu pas se pot utiliza diferite
metode cum ar fi: introducerea de rezistente in serie cu fazele motorului, alimentarea
de la o sursa de curent constant. O alta solutie este utilizarea unei a doua surse de
tensiune mai mare, sursa care sa asigure pentru un timp scurt un puls de tensiune
care sa produca o crestere accelerata a curentului din infasurare.
Motoare sincrone pas cu pas cu 2 infasurari de comanda respectiv cu una
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
In figura a se poate vedea schematic un astfel de motor, iar in b este prezentata
variatia cuplului cu unghiul dintre axa infasurarii alimentate si axa rotorului.
Caracteristicile unghiulare ale mpp cu MP
M=-kmΨ0I sinθ – reprezinta ecuatia cuplului electromagnetic produs asupra unui MP
sau a unei armaturi cu excitatie electromagnetica, si in care: Ψ0 este fluxul produs de MP sau
infasurarea de excitatie, I curentul din infasurarea de comanda,iar θ unghiul dintre axele celor
doua sisteme.
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Cuplul de sarcina limita pentru care motorul poate functiona este dat de relatia:
Ml=Msmaxcos(π/m), unde m- numarul de faze ale masinii. Se poate observa astfel ca
un astfel de motor trebuie sa aiba minim doua faze pentru a demara.
Este posibila functionarea cu doua sau chiar o singura faza, daca dantura
statorica este asimetrica si ca urmare caracteristica mecanica este deformata (fig b de
la mot cu 2 infasurari).
De reţinut! Motoare sincrone pas cu pas transforma impulsurile electrice de
tensiune in deplasari unghiulare discrete, astfel ca la primirea unui
impuls, rotorul isi schimba pozitia cu un unghi bine precizat. Ca urmare
ele se comporta ca niste convertoare electromecanice numeric-
analogice.
Au o larga aplicare in sistemele de comanda automata pe baza de
program a ctionarilor masinilor-unelte, a unor mecanisme si dispozitive
din comanda perifericilor calculatoarelor. Aceste masini permit
realizarea unor sisteme automate de tip discret care nu au nevoie de
Masini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
legaturi inverse, deoarece stabilesc o corespondenta directa riguros
univoca intre informatia primita si deplasarea unghiulara realizata.
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 9 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 9
9.1 Motoare asincrone liniare
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 9
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 9
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 9
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 9 sunt:
• Familiarizarea cu Motoare asincrone liniare
9.1 Motoare asincrone liniare
Masina liniara provine din cea rotativa prin sectionarea acesteia dupa o raza si
desfasurarea acesteia in plan, putandu-se realiza in principiu masini liniare de toate
tipurile de masini electrice rotative clasice.
Motorul asincron liniar consta dintr-un miez feromagnetic prevazut cu crestaturi
în care se plaseaza infasurarea trifazata, alimentata de la un sistem trifazat de
tensiuni, aceasta fiind inductorul masinii.
In vecinatatea inductorului pe partea cu crestaturile, se plaseaza indusul masinii
care de obicei are o forma simpla, fiind format din doua placi, una de aluminiu sau
cupru prin care se inchid curentii determinati de tensiunile electromotoare induse si o
placa de fier care ajuta la inchiderea fluxului magnetic.
Prin punerea sub tensiune a infasurarii primare in spirele acesteia vor lua
nastere curenti care datorita dispunerii infasurarii primare si faptului ca sistemul de
tensiuni este trifazat echilibrat, vor da nastere unui camp magnetic alunecator similar
campului de la masinile electrice rotative.
Campul magnetic creat de inductor va produce in indus tensiuni electromotoare
care vor da nastere la curenti de forma celor din figura de mai jos:
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Din interactiunea campului magnetic B si a curentilor din indus I, rezulta forta de
propulsie f care va deplasa inductorul fata de indus. Componentele laterale ale
curentului din indus determina fortele neutile transversale (efectul transversal) f1 si f2.
Un alt fenomen specific masinilor liniare este efectul longitudinal sau de capat, care
consta in satbilirea curentilor electrici în indus atunci cand placa intra in campul
magnetic al inductorului şi in stingerea lor atunci cand placa iese din camp.
Daca indusul este simetric fata de inductor, atunci fortele f1 si f2 sunt egale si de
sens opus si deci nu apare componenta transversala a fortei rezultante.
De asemenea existenta campului magnetic B in intrefierul motorului da nastere
si la o forta normala de atractie intre inductor si indus. Aceasta forta este micsorata de
componenta de levitatie a fortei curentilor din indus si in unele situatii forta rezultanta
poate fi de levitatie, tinzand sa mareasca intrefierul.
Viteza de deplasare rezulta din relatia omoloaga de la masina rotativa: n1=f1/p
deci 11111 222 fnpRnRv ττπ ===Ω=
1
1
vvvs −
=
si frecventa curentilor rotorici este f2=sf1.
Valoarea alunecarii motorului este cu atat mai mica cu cat materialul indusului
are conductibilitatea mai mare, de asemenea randamentul masinii creste odata cu
scaderea alunecarii.
In figura urmatoare sunt date caracteristicile mecanice ale unui motor liniar
pentru trei tipuri de indusuri:
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Caracteristicile de functionare )()(),(cos),( 1 vfrespectivFvfIvfvf ==== ϕη
pentru un motor cu indusul din aluminiu pe fier masiv, avand o viteza de 6m/s la
f1=50Hz, sunt date in figura urmatoare:
Din punct de vedere constructiv indusul motorului liniar poate fi sub forma plana
sau tubulara.
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Din punct de vedere a lungimii inductorului fata de indus, masinile liniare pot fi:
cu indus lung si inductor scurt si masini cu indus scurt si inductor lung. Varianta cu
indus scurt si inductor lung se foloseste in actionarile pe distante reduse si nu pune
probleme la captarea curentului, inductorul fiind fix.
Regimul de generator se obtine la v>v1, iar regimul de frana pentru v<0.
Masina sincrona liniara se foloseste ca motor in special la transportul de mare
viteza, la vehiculele magnetice cu suspensie pe perna magnetica sau pe perne de aer.
In transportul de mica viteza, unde motorul liniar are performante mai mici, se
foloseste la actionarea podurilor rulante, a transportoarelor, a usilor glisante, etc.
Regulatorul de inductie
-trifazat ;
-monofazat.
Tensiunea U2 estte rezultatul sumei vectorilor U1 si Us :
U2=U1+Us putand avea valorile extreme U2=U1+Us respectiv U2=U1-Us.
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
De reţinut! Motorul asincron liniar consta dintr-un miez feromagnetic prevazut cu
crestaturi în care se plaseaza infasurarea trifazata, alimentata de la un
sistem trifazat de tensiuni, aceasta fiind inductorul masinii.
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 10 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 10
10.1 Selsine
10.2 Motoare sincrone pas cu pas
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 10
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 10
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 10
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 10 sunt:
• Familiarizarea cu functionarea selsinelor
10.1 Selsine
Selsinele sunt micromasini speciale, asemanatoare masinilor sincrone sau
asincrone cu inele, care semnalizeaza o eroare de unghi. Au legatura cu masinile
electrice doar prin elementele constructive, caci in sistemele de pozitionare
indeplinesc rolul de comparator si traductor de pozitie.
Din punct de vedere constructiv : -stator
-rotor
Ca regim de functionare, selsinele se pot gasi in urmatorele situatii:
- in regim indicator;
- in regim transformator;
- in regim diferential.
1.In regim indicator, rotorul selsinului receptor – care urmareste rotorul
selsinului emitator - este cuplat cu un aparat indicator, putandu-se urmari astfel
miscarea elementului care ne intereseaza.
Schema de conexiuni a selsinelor in regim indicator.
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Ae Ar iA θe θr Be Ce iC Br Cr iB ~u
Cele doua infasurari monofazate rotorice sunt alimentate de la aceeasi retea de curent
alternativ,iar infăşurarile statorice trifazate au legate intre ele fazele omoloage. Daca la un
moment dat unghiul făcut de infaşurarea rotorică a selsinului emiţător, diferă de unghiul făcut
de infăşurarea rotorică a selsinului receptor, atunci tensiunile induse in infăşurările statorice
omoloage sunt diferite , ceea ce duce la apariţia curenţilor între acestea. Curenţii din
înfăşurarea statorică a selsinului receptor (dar şi a celui emiţător) vor interacţiona cu curentul
din infăşurarea rotorică si vor produce un cuplu, care va face ca rotorul sa se rotească până
când curenţii se anulează, moment in care cele două rotoare au aceeasi poziţie faţă de
stator.
Valoarea cuplului care actioneaza asupra rotorului este dependenta de unghiul de
defazaj dintre cele doua rotoare:
M=Mmaxsinθ, unde θ=θe-θr – defazajul.
Explicaţiile de mai sus sunt descrise matematic astfel:
Curentul prin înfăşurarea monofazată a fiecărui selsiniu (ele fiind identice şi alimentate
de la aceeaşi sursă este i=Im * sinωt fluxul produs de aceste înfăşurări este
Ψ=Ψm * sinωt ceea ce va produce la apariţia în înfăşurările trifazate la tensiunile
electromotoare
eAe= -Em * cosωt * cosΘe;
eBe= -Em * cosωt * cos(Θe-2π/3); -tensiunile induse în înfăşurările selsinului
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
eCe= -Em * cosωt * cos(Θe-4π/3); emiţător.
respectiv eAr= Em * cosωt * cosΘr;
eBr= Em * cosωt * cos(Θr-2π/3); -tensiunile induse în înfăşurările
selsinului
eCr= Em * cosωt * cos(Θr-4π/3); receptor.
Ca urmare a diferenţelor tensiunilor electromotore induse pe fazele omoloage a
celor două selsine eA= eAr- eAe=2Emcosωt sin[(Θr-Θe)/2]sin[(Θr+Θe)/2];
eB= eBr- eBe=2Emcosωt sin[(Θr-Θe)/2]sin[(Θr+Θe)/2-2π/3];
eC= eCr- eCe=2Emcosωt sin[(Θr-Θe)/2]sin[(Θr+Θe)/2-4π/3];
vor rezulta curenţii care circulă prin înfăşurările de sincronizare, de forma:
iA= Im * cos(ωt-φ) * sinΘ/2*sin(Θe-Θ/2) ;
iB= Im * cos(ωt-φ) * sinΘ/2*sin(Θe-Θ/2-2π/3) ;
iC= Im * cos(ωt-φ) * sinΘ/2*sin(Θe-Θ/2-4π/3) ;
Aceşti curenţi interacţionează cu fluxul produs de înfăşurarea monofazată
producând cuplul util. Se observă că, curenţii se anulează când unghiul de defazaj Θ,
devine zero.
2.In regim de transformator, rotorul selsinului receptor este ca secundarul
unui transformator de unde se preia un semnal ce este transmis unui amplificator, care
va comanda un servomotor pentru a actiona un element de executie . Rotorul
selsinului receptor este cuplat mecanic cu axul sevomotorului si pe masura ce se
executa miscarea semnalul scade pana cand se va anula complet, moment in care
pozitiile rotoarelor celor doua selsine sunt identice.
Schema bloc a unui sistem de pozitionare unghiulara cu selsine
Θe Θr
PC SE SR A SM R S
Masini electrice speciale
5 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Schema de conexiuni in regim de transformator Ae Ar θe θr α Be Ce Br Cr i ~u i=Im * sinωt Ψ=Ψm * sinωt eAe= -Em * cosωt * cosΘe; iA= -Im * cos(ωt-φ) * cosΘe ; eBe= -Em * cosωt * cos(Θe-2π/3); (1) iB=-Im*cos(ωt-φ) cos(Θe-2π/3); (2) eCe= -Em * cosωt * cos(Θe-4π/3); iC=-Im*cos(ωt-φ) * cos(Θe-4π/3); Sistemul de curenti (2) care strabate infasurarile selsinului receptor in sens invers vor
produce urmatoarele campuri magnetice corespunzatoare:
BAr=B * cos(ωt-φ) * cosΘe * cos(α+Θr)
BBr=B * cos(ωt-φ) * cos(Θe-2π/3) * cos(α+Θr-2π/3) (3)
BCr=B * cos(ωt-φ) * cos(Θe-4π/3) * cos(α+Θr-4π/3)
Rezultanta :
Br=3/2 * B * cos(ωt-φ) * cos(α-Θ) unde Θ=Θe-Θr;
Componenta longitudinala a acestui camp este :
A
S
Masini electrice speciale
6 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Brd=3/2 * Bcos(ωt-φ) * cosΘ * cosα ,
si aceasta induce un flux fascicular in infasurarea rotorica a selsinului receptor:
Ψd=Ψm * cos(ωt-φ) * cosΘ er= -Er * sin(ωt-φ) * cosΘ.
Datorită faptului că se obţine o tensiune cosinusoidală care nu se anulează
când defazajul Θ devine zero, se modifică unghiul iniţial Θr Θr-π/2
Cativa parametrii care caracterizeaza functionarea selsinelor in regim
transformator:
- (dEr/dΘ)Θ=0 –tensiune specifică de iesire sau tensiune unitară, care
reprezintă panta tangentei în origine a funcţiei Er=f(Θ), Er fiind valoarea efectiva. Cu
cat aceasta tensiune este mai mare cu atat sistemul functioneaza mai precis. (
0.5….1.5 V/grad);
- tensiunea remanenta= tensiune la bornele de iesire a selsinului receptor cand
Θ=0, care pentru selsinele de bună fabricaţie este de 0.2…0.5 V. Această tensiune de
ieşire este o sursă de erori a sistemului, putând provoca intrarea în funcţiune a
amplificatorului de putere, fără ca sistemul să fi primit vreo comandă;
- puterea specifică sau unitară de ieşire, care reprezintă puterea
corespunzătoare unui unghi de dezacord de un grad dintre selsinuri;
- mai intereseaza si caracteristicile: P0=f(Θ), I0=f(Θ), une P0 este puterea
activă, I0 curentul, absorbite de selsinul emiţător din reţea.
3.In regim diferential, intre selsinul emitator si cel receptor se mai interpune
unul care pe langa comanda de la selsinul emitator mai poate primi o comanda din
exterior, el la randul sau transmitand selsinului receptor suma celor doua semnale.
Schema bloc a unui sistem de pozitionare cu selsine diferenţiale
Θc Θe Θr Θr
PC SE SD SR A M R S
Masini electrice speciale
7 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Schema de conexiuni a selsinului diferential
Ae AD Ar ΘC Θr Θe Cr Be CE BD Br CD ~U
In practica sunt cazuri care necesita functionarea in paralel a doua sau mai multe
selsine receptoare.
Conditii de buna functionare:
- acelasi tip;
- aceeasi clasa de precizie;
- identic incarcate.
Selsine fara contacte alunecatoare
A
Masini electrice speciale
8 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Erori care apar in functionare, de diferite origini:
- electromagnetice;
- mecanice;
- de exploatare.
Electromagnetice: acestea pot fi atat pozitive (rotorul selsinului receptor
ramane in urma celui emitator), cat si negative (invers).
Cauze:
anizotropia proprietatilor magnetice ale otelului electrotehnic utilizat;
rezistente diferite ale infasurarilor;
scurtcircuite locale intre spire.
Mecanice: sunt intotdeauna pozitive si pot fi cauzate de:
- frecarile in paliere si la perii;
- neuniformitatea intrefierului;
- imprecizia echilibrarii rotorului.
Erori de exploatare:
- variatia tensiunii retelei de alimentare;
- variatia frecventei, a temperaturii etc.
Media erorilor maxime pentru cele doua sensuri de deplasare unghiulara se
numeste eroare maxima a selsinului si dicteaza clasa sa de precizie
Clase de precizie I II III
Emitator 0.25% 0.5% 1%
Masini electrice speciale
9 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Receptor 0.75% 1.5% 2.5%
10.2 Motoare sincrone pas cu pas
Transforma impulsurile electrice de tensiune in deplasari unghiulare discrete, astfel ca
la primirea unui impuls, rotorul isi schimba pozitia cu un unghi bine precizat. Ca urmare ele
se comporta ca niste convertoare electromecanice numeric-analogice.
Au o larga aplicare in sistemele de comanda automata pe baza de program a
ctionarilor masinilor-unelte, a unor mecanisme si dispozitive din comanda perifericilor
calculatoarelor. Aceste masini permit realizarea unor sisteme automate de tip discret care nu
au nevoie de legaturi inverse, deoarece stabilesc o corespondenta directa riguros univoca
intre informatia primita si deplasarea unghiulara realizata.
Constructia si comanda motoarelor pas cu pas
Se construiesc in mai multe variante putand avea unul sau mai multe statoare,
infasurari de comanda distribuite sau concentrate, rotor cu poli aparenti sau magneti
permanenti.Pentru intelegerea principiului de functionare se considera motorul din figura de
mai jos, care are un rotor cu reluctanta variabila cu o pereche de poli, statorul avand trei
perechi de poli aparenti.
Pe fiecare pol se gaseste o infasurare de comanda concentrata, si se alimenteaza
inseriindu-se infasurarile unei perechi de poli( poli opusi) cu tensiune continua. La
trecerea unui curent prin infasurarea 1-1’, rotorul este supus unui cuplu
electromagnetic sub actiunea caruia se deplaseaza pana cand axa sa se suprapune
peste axa polilor statorici.Daca se intrerupa alimentarea fazei 1-1’ si se alimenteaza 2-
2’, rotorul va lua o noua pozitie corespunzatoare axei acestor poli, deplasandu-se cu
un unghi 60
132360
2360
===
rsp pp
γgrade (1). Pentru a micsora unghiul corespunzator
unui pas se creste numarul de poli rotorici, folosindu-se un rotor multipolar.
Masini electrice speciale
10 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Asa cum se poate observa din relatia 1, micsorarea unghiului de pas se poate
realiza in continuare prin marirea numarului de poli pe rotor sau stator, sau prin
folosirea masinilor cu mai multe rotoare si statoare.
O alta solutie, dezvoltata din motorul sincron autoreductor este motorul pas cu
pas reductor.
La suprafata rotorului si a pieselor polare statorice se gasesc o serie de
crestaturi deschise formand un numar de dinti cu acelasi pas pentru stator si rotor.
Dintii rotorului sunt la un moment dat pe aceeasi axa cu dintii polilor 1-1’, dar decalati
cu o treime de pas in urma fata de polii 2-2’ si cu o treime de pas inainte fata de polii
3-3’. La alimentarea succesiva a polilor statorici, rotorul se deplaseaza cu cate o
treime de pas, cautand in fiecare caz sa-si gaseasca o pozitie de reluctanta minima.
Pentru un ciclu complet in care sunt alimentati pe rand toti polii statorici, rotorul se va
deplasa cu un dinte, respectiv cu un unghi de 360/Zr. In cazul general pentru un motor
cu 2ps poli statorici, pasul de deplasare este rsp Zp2
360=γ
.
Daca miscarea directa este liniara se poate utiliza un motor pas cu pas liniar,
realizat dintr-un MP si doi electromagneti EMB si EMA si o suprafata danturata
feromagnetica. Ansamblul este mentinut suspendat cu ajutorul unei perne de aer.
In absenta curentului prin electromagnet, el se aseaza astfel incat reluctanta
circuitului sau magnetic pentru liniile de camp ale magnetului permanent sa fie minima
(EMA a). Alimentarea unui electromagnet este astfel realizata incat sa anuleze campul
produs de MP sub un capat al electromagnetului si sa-l majoreze sub celalalt (a EMB).
Daca in tactul urmator se alimenteaza EMA si se decupleaza EMB (b), se vede ca
pentru a avea reluctanta minima ansamblul se deplaseaza un sfert de pas dentar. La o
noua modificare a alimentarii avem o noua deplasare (c), respectiv la un ciclu avem o
deplasare de un pas.
Utilizand doua astfel de motoare cu directii de deplasare perpendiculare se
poate obtine un sistem cu deplasare pe doua axe.
Schema de principiu a alimentarii motoarelor pas cu pas este prezentata in
figura de mai jos, cele m faze fiind alimentate prin m tranzistoare de putere fiecare
functionand un timp de T/m.
Pentru frecvente reduse de alimentare, curentul are practic forma tensiunii de
puls dreptunghiular, deoarece perioada acestor pulsuri este mult mai mare decat
Masini electrice speciale
11 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
constanta de timp a infasurarilor(apros10ms) (b). La frecvente mai ridicate perioada de
repetitie a pulsurilor de tensiune devine de acelasi ordin de marime sau chiar mai mica
decat constanta de timp a infasurarii, iar in infasurare incep sa se induca t.e.m. de
rotatie de valoare importanta si ca urmare, curentul nu mai poate atinge valoarea sa
initiala, ceea ce are ca efect o scadere a cuplului electromagnetic produs de masina.
Pentru imbunatatirea performantelot motoarelor pas cu pas se pot utiliza diferite
metode cum ar fi: introducerea de rezistente in serie cu fazele motorului, alimentarea
de la o sursa de curent constant. O alta solutie este utilizarea unei a doua surse de
tensiune mai mare, sursa care sa asigure pentru un timp scurt un puls de tensiune
care sa produca o crestere accelerata a curentului din infasurare.
De reţinut! Conditii de buna functionare in paralel a doua sau mai multe selsine
receptoare:
- acelasi tip;
- aceeasi clasa de precizie;
- identic incarcate.
Motoarele sincrone pas cu pas transforma impulsurile electrice de
tensiune in deplasari unghiulare discrete, astfel ca la primirea unui
impuls, rotorul isi schimba pozitia cu un unghi bine precizat. Ca urmare
ele se comporta ca niste convertoare electromecanice numeric-
analogice
Masini electrice speciale
12 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Masini electrice speciale
1 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Unitatea de învăţare nr. 11 Masini electrice speciale Cuprins Pagina
Obiectivele unităţii de învăţare nr. 11
11.1 Transformatoare de curent
11.2 Transformatoare de tensiune
Lucrare de verificare – unitatea de învăţare nr. 11
Răspunsuri şi comentarii la întrebările din testele de autoevaluare
Bibliografie – unitatea de învăţare nr. 11
Masini electrice speciale
2 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
OBIECTIVELE unităţii de învăţare nr. 11
Principalele obiective ale Unităţii de învăţare nr. 11 sunt:
• Familiarizarea cu functionarea si utilizarea Transformatoarelor de masura
11.1 Transformatoare de curent
Puterile pentru care se construiesc transformatoarele de masura sunt de la 5VA
la cateva sute de VA.
Transformatoare de curent
Au infasurarea primara conectata in circuitul al carui curent trebuie masurat, iar
la bornele secundare este conectat un consumator cu impedanta mica - un
ampermetru, sau bobinele de curent a releelor.
Schema de conectare a unui transformator de curent
Pornind de la schema electrica echivalenta, se poate scrie urmatoarea relaţie
conform teoremei a II-a a lui Kirchhoff:
Z1 I1 I2’ Z2’
Z1m Z’
Masini electrice speciale
3 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
Z1m(I1+I2’)+Z’ I2’+Z2’I2’=0 de unde se obţine curentul
1''21
1'2 I
ZZZZI
m
m
++−=
.
Astfel eroarea de curent este data de raportul:
( ) ( )1001
2''21
2''21
21
21
1
1'2
−
+++++
+=
−=
XXXRRR
XRIIIf
mm
mmi
% , iar eroarea de unghi
( ) ( )( ) ( ).''
211''
211
''21
''21
XXXXRRRR
XXRRRXtg
mmmm
mmii
+++++
+−+=≈ δδ
Aceste erori depind atat de frecventa prin reactante cat si de sarcina
transformatorului prin impedanta acesteia. Aceste abateri au valori cu atat mai mici cu
cat impedantele Z2’ si Z’ sunt mai mici si cu cat R1m si X1m sunt mai mari.
Mijlocul cel mai utilizat pentru compensarea erorii de curent este acela de a
realiza infasurarea secundara cu una sau mai multe spire mai putin decat corespunde
raportul nominal. In afara de aceasta metoda sunt si altele in care se cauta marirea
impedantei Z1m sau reducerea impedantei Z2’ odata cu cresterea curentului I1. In raport
cu valoarea erorii de curent, transformatoarele pot avea urmatoarele clase de precizie:
0.2;0.5;1;3;10. Aceste numere reprezinta eroarea in procente din curentul nominal.
Eroarea de unghi se da in grade sexagesimale si este de 10,40 si 80 de minute
pentru primele trei clase, pentru celelalte nu se limiteaza.
Aceste transformatoare se construiesc pentru curenti secundari de 1 si 5A si
tensiuni de lucru de la 0,5 pana la 400 kV. Pana la 3kV se construiesc ca
transformatoare uscate, iar pentru tensiuni mai mari, ca transformatoare in ulei.
Aceste transformatoare lucreaza intr-un regim apropiat de cel in scurtcircuit,
solicitarea magnetica a miezului fiind cu valori intre 0,05…0,2T. Daca un transformator
de curent ramane in gol, atunci are loc o magnetizare puternica a circuitului magnetic
de catre curentul primar, ceea ce duce la o crestere mare a tensiunii secundare
putandu-se astfel avaria transformatorul si accidenta personalul. De asemenea
datorita acestui flux mare, circuitul magnetic se incalzeste puternic. Transformatoarele
obisnuite au un dispozitiv de scurtcircuitare, cu care se scurtcircuiteaza mai intai
barele secundare, numai apoi se deconecteaza aparatul de masura.
Ca o regula generala pentru protectia personalului care lucreaza cu aceste
transformatoare, totdeauna secundarul va fi legat la pamant.
Masini electrice speciale
4 Convertoare electromecanice – Curs şi aplicaţii
11.2 Transformatoare de tensiune
Infasurarea primara este conectata la tensiunea care trebuie masurata, iar la
bornele secundare este conectat un voltmetru sau circuitele de tensiune ale releelor.
Sarcina unui transformator de tensiune are practic numai rezistenta electrica,
inductivitatea fiind neglijabila.
Pornind de la schema si ecuatiile generale ale transformatorului se obtine
tensiunea secundara raportata la primar
( ) 1''211
''2 U
ZZCZZU
++−=
unde m
m
ZZZC1
111
+=
Eroarea de unghi este fu=%100
1
1'2
UUU −
Clasele transformatoarelor de tensiune sunt 0,2;0,5;1;3, aceste cifre
reprezentand erorile in procente pentru clasa respectiva. Erorile de unghi sunt de
10,20 si 40 minutesexagesimale. De obicei aceste transformatoare au o inductie
magnetica in jug de 0,7..0,8 T, se recomanda ca pierderile in fier sa fie cat mai mici,
circuitul magnetic se realizeaza din tole de foarte buna calitate.Pentru tensiuni de
pana la 1kV se executa uscate, pentru tensiuni mai mari se executa cu infasurari
ingropate in diferite rasini sau in ulei
De reţinut! Transformatoare de curent au infasurarea primara conectata in
circuitul al carui curent trebuie masurat, iar la bornele secundare este
conectat un consumator cu impedanta mica - un ampermetru, sau
bobinele de curent a releelor.
Transformatoare de tensiune au infasurarea primara conectata la
tensiunea care trebuie masurata, iar la bornele secundare este conectat
un voltmetru sau circuitele de tensiune ale releelor. Sarcina unui
transformator de tensiune are practic numai rezistenta electrica,
inductivitatea fiind neglijabila.
Top Related