Masini Electrice 1 Curs 7

MAŞINI ELECTRICE Curs 7: Maşina asincronă (de inducţie): Schemă electrică echivalentă, Cuplul electromagnetic, Caracteristici de funcţionare Prof.dr.ing. Claudia MARŢIŞ Departamentul de Maşini şi Acṭionări Electrice Facultatea de Inginerie Electrică

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

1

Parametrii înfăşurărilor: rezistenţe şi inductivităţi Schemă electrică echivalentă Regimuri limită de funcţionare Cuplul electromagnetic

Caracteristici de funcţionare Pornirea motorului asincron Reglarea turatiei motorului asincron Regimul de generator al maşinii asincrone

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

2

PARAMETRII ÎNFĂŞURĂRILOR: REZISTENŢE ŞI INDUCTIVITĂŢI Rezistenţe: se pot calcula cunoscând datele constructive ale maşinii sau se pot măsura

Inductivităţi: Inductivitate principală: corespunde câmpului magnetic principal al înfăşurării, repartizat pe pasul polar τ, care traversează întrefierul şi înlănţuie înfăşurarea din ambele părţi. Inductivitatea de dispersie: corespunde câmpului magnetic de dispersie al înfăşurării ce înlănţuie înfăşurarea considerată sau parţial şi alte înfăşurări.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

3

w1: numarul de spire al une faze statorice

A

w2: numarul de spire al une faze rotorice kw1: factor de bobinaj statoric

Y

kw2: factor de bobinaj rotoric

Z

B

C

X Masina trifazata 12 crestaturi statorice O pereche de poli Fazorii tensiunilor electromotoare induse in laturile active din fiecare crestatura 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

4

A

X

A

X

Moduri de realizare a bobinei fazei A EA

EA

U 1  U 8  U 2  U7 kw  1 U 1  U 8  U 2  U7

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

5

SCHEMĂ ELECTRICĂ ECHIVALENTĂ În sarcină, cu rotorul în rotaţie la turaţia n şi înfăşurarea rotorică închisă

În gol cu rotorul în repaus şi înfăşurarea rotorică deschisă

E 1   2 f 1 w1 k w 1 u

E 1   2 f 1 w 1 k w 1 u E 2   2 f 1 w 2 k w 2 u 

ke 

E' 2 E 1  ke ke

kw 1 w1 kw 2 w2

E 2 s   2 f 2 w 2 k w 2 u ,

f 2  sf 1

Factor de transformare echivalent

ANALOGIA/DIFERENŢA CU/FAŢĂ DE TRANSFORMATOR: Energia electrică primită de stator este transmisă rotorului prin intermediul câmpului magnetic Energia transmisă rotorului, cu excepţia energiei consumate prin efect Joule-Lenz în circuitul rotoric, este energie mecanică Frecvenţa t.e.m. şi a curentului din circuitul rotoric variază cu alunecarea, deci depinde de sarcina motorului. 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

6

Pentru înfăşurarea statorică:

d 1 u1  R1 i 1  dt  1   u 1   1

d 1 u1  R1i1   R1i1  e1  e 1 dt t.e.m. indusă de către fluxul util învârtitor rezultant

t.e.m. indusă de către fluxul de scăpări

In complex: U 1  R1 I 1  jX  1 I 1  E 1 Reactanta de scapari

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

7

Pentru înfăşurarea rotorică, la funcţionarea în sarcină:

u2  R2 i 2  u2  0 Înfăşurarea rotorică conectată în scurtcircuit la masina cu rotorul in colivie

d 2  R2 i 2  e 2 s  e 2 s dt e 2 s  se2

e2 este t.e.m. indusă în înfăşurarea rotorică de fluxul util, la mers în gol cu rotorul în repaus

e 2 s  se 2 eσ2 este t.e.m. indusă în înfăşurarea rotorică de fluxul de scăpări, la mers în gol cu rotorul în repaus

In complex:

0  R2 I 2  jsX  2 I 2  s E 2

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

8

kw1w1 I 1  kw 2 w2 I 2  kw1w1 I 0 Solenatia statorica

Solenatia rotorica

Solenatia statorica la mersul in gol

La functionarea in sarcina Daca aplicam principiul raportarii infasurarii rotorice la cea statorica (similar transformatorului):

R Rk

X 2  X k

E  E2 ke

1 I  I2 ke

' 2

' 2

2013-2014

2 2 e

'

2 2 e

' 2

Masini electrice 1 - Curs 7

9

Ecuaţiile în complex pot fi scrise astfel:

U1

U 1  R1 I 1  jX  1 I 1  E 1

jXσ1I1 R1I1

1 s 0  R' 2 I' 2  jX ' 2 I' 2  R' 2 I' 2  E' 2 s I 1  I' 2  I 0

 E1

I1 -I’2 I0

R1

Xσ1

I1

I2’

Xσ2’



R2’

I’2R’2 /s I0

U1

E2’

E1 Xm

Rm

R' 2

1 s s

jX’σ2I’2

E1  E2

Observatie: Schema este similara schemei unui transformator avand la bornele secundare o sarcina rezistiva, variabila cu sarcina la arborele masinii. 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

10

Z1

U1

I2 ’

I1

Z2’

Z 1  R 1  jX 1 R' 2 Z'2   jX' 2 s R m jX m Z0  R m  jX m

I0 Z0

Z1 c  1 , c  1.02...1.05 Z0 I1  U1

Z 0  Z' 2 Z 0  Z 1  c Z' 2 

1 I' 2  U 1 Z 1  c Z' 2 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

11

REGIMURI LIMITĂ DE FUNCŢIONARE

Regimul de mers în gol: maşina este conectată la reţea cu rotorul în scurtcircuit şi fără a fi cuplată cu sarcina, deci nu cedează putere la ax.

2 P0  3R1I 01  p Fe  p mec

Curentul de mers în gol: variabil cu puterea maşinii, (20-60)%IN. Factorul de putere este foarte mic, cosυ0=0.05…0.15. Se pot determina parametrii de mers în gol ai maşinii, asemănător cu regimul de mers în gol al transformatorului.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

12

Regimul de mers în scurtcircuit: maşina este conectată la reţea, la tensiune redusă (0.2…0.3U1N) cu rotorul blocat.

Z1sc  Z1 

Z 0 Z'2 Z 0  Z'2

 R 1sc  jX 1sc

Curentul de mers în scurtcircuit: la tensiune nominală este (4…7)IN. Factorul de putere are valori cuprinse în intervalul 0.25…0.5.

La încercarea în laborator, maşina se alimentează la tensiune redusă, (0.2…0.3)U1N. Se pot determina parametrii de mers în scurtcircuit ai maşinii, asemănător cu regimul de mers în scurtcircuit al transformatorului.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

13

P1  3U1I1 cos 1

Puterea electrică absorbită:

P  P1  pCu1  p Fe1 

Puterea electromagnetică transmisă rotorului:

Puterea mecanică: Puterea utilă:

P M  P  pCu 2



P 2  PM  pmec  psuplimentare



Randamentul



2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

P2 P2  P1 P2   Pierderi

14

CUPLUL ELECTROMAGNETIC

P  PM  M 1     M

2n1 n1  n  sM 1 60 n1

M

Cuplul electromagnetic

Viteza unghiulară a rotorului Viteza unghiulară a P  PM câmpului învârtitor

M

2013-2014

3U 12

p Cu 2 s 1

 pCu 2

R' 2 s

p 2 2f1   R' 2  2  R 1  c 1   X 1  c1 X' 2   s   

Masini electrice 1 - Curs 7

15

Curba M=f(s) pentru U1=cst, f1=cst, R2=cst.

Alunecarea critică, corespunzătoare cuplului maxim al maşinii asincrone:

sm  

R 12  X 1  c1 X' 2 2

R 12  X 1  c1 X' 2 2

2013-2014

sm  

c 1 R' 2 Mm

Masini electrice 1 - Curs 7

c1 R'2 X1  c1 X' 2 

3U12 p  2f1  R 1  X 1  c1 X' 2 

16

CARACTERISTICA MECANICĂ NATURALĂ

M B

Mm MN – cuplul nominal, pt s=1…5% Mm MN

Capacitatea de supraîncărcare a maşinii, definită prin standarde MN

C A

Formula lui Kloss

2M m M sm s  sm s

Caracteristica unei sarcini la arbore (o macara, de exemplu)

O sN

sm

1

s

Zona OB este o zonă de funcţionare stabilă a maşinii asincrone: în cazul apariţiei unei perturbaţii, după îndepartarea acesteia, sistemul tinde să se întoarcă la starea iniţială Zona BA este o zonă de funcţionare labilă a maşinii asincrone: în cazul apariţiei unei perturbaţii, după îndepartarea acesteia, sistemul tinde să se desprindă

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

17

MP – cuplul de pornire, pt s=1.

MP MN

3U12 R'2 p MP  2f1 R 1  c1 R'2 2  X 1  c1 X' 2 2



IP IN

s

2013-2014



s

Masini electrice 1 - Curs 7

18

Aplicatii de uz general

Cuplu de pornire mare

Cuplu de pornire foarte mare

Cuplu de pornire

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

19

CARACTERISTICI MECANICE ARTIFICIALE

M R’2

Mm

MN

R’2+R’a1

R’2+R’a2

Mp2

Mp1

Variaţia cuplului maşinii asincrone cu rezistenţa rotorică

Mp

O sN

sm

1

s

Variaţia R’2 este utilizată în instalaţii industriale cu acţionări electrice cu maşini asincrone cu rotor bobinat pentru pornire sau la care este necesară reglarea turaţiei, utilizând modificarea rezistenţei rotorice.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

20

La modificarea tensiunii de alimentare

La modificarea frecventei de alimentare

Variaţia cuplului maşinii asincrone cu raportul U/f=cst

Variaţia U/f=cst este utilizată în instalaţii industriale cu acţionări electrice cu maşini asincrone cu rotor în colivie la care este necesară reglarea turaţiei prin intermediul frecvenţei. 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

21

CARACTERISTICILE DE FUNCŢIONARE ALE MOTORULUI ASINCRON

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

22

PORNIREA MOTORULUI ASINCRON

R1

Xσ1

I1

I2’

Xσ2’

Curentul absorbit de la retea in momentul pornirii depaseste de 6-8 ori curentul nominal

R2’

I0

U1

E2’

E1 Xm

Rm

R' 2

1 s s

Rezistenta echivalenta rotorica are valoarea cea mai mica la pornire.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

Masina are nevoie de un curent mare la pornire pentru a reusi sa “treaca” peste punctul de functionare corespunzator cuplului maxim.

23

La motorul cu rotor in colivie

Utilizarea unor inductivitati inseriate cu infasurarile statorice 2013-2014

Utilizarea unor autotransformatoare inseriate cu infasurarile statorice

Pornirea stea triunghi

Masini electrice 1 - Curs 7

24

UA

UB

Ub

La motorul cu rotorul bobinat

UC

Uc

Ua

Se inseriaza cu infasurarile rotorice rezistente variabile, a caror valoare se reduce in trepte pana la atingerea caracteristicii naturale 2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

25

REGLAREA TURATIEI MOTORULUI ASINCRON

Prin modificarea frecventei de alimentare pastrand constant raportul U/f, solutie care necesita utilizarea convertoarelor de putere (reglare scalara) Prin modificarea numarului de perechi de poli ai masinii

Observatie. Prin control vectorial, utilizand convertoare de putere masina asincrona se transforma virtual intr-o masina de curent continuu.

Prin modificarea alunecarii, numai la masinile cu rotorul bobinat, cu introducerea unor rezistenta variabile in rotor.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

26

REGIMUL DE GENERATOR AL MAŞINII ASINCRONE

n1

 s  0

Câmpul magnetic învârtitor

Fem

Conductor rotoric

Este necesară o sursă de putere reactivă, capabilă să furnizeze energia reactivă sub forma unui sistem trifazat simetric de curenţi şi se antrenează rotorul din exterior la o turaţie n mai mare decât turaţia n1 în acelaşi sens cu câmpul învârtitor. 2013-2014

n>n1 Rotorul maşinii asincrone

Baterie de condensatoare

Reţeaua de alimentare

Masini electrice 1 - Curs 7

27

Generator asincron autonom

UC =f(I) C0

C1

E=f(I0S)

IS Sistem de antrenare a rotorului maşinii de inducţie

n

IC Baterie de condensatoare

Câmp remanent

Tensiuni electromotoare induse în înfăşurări

n

n E  Emax  sin2    f , f  p 60

C0- capacitatea minimă pentru care are loc fenomenul de autoexcitaţie

Se stabileşte un curent IS în circuitul format din bateria de condensatoare şi înfăşurări. Dacă:

I S  I0 S maşina se autoexcită.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

28

Sistem de antrenare a rotorului maşinii de inducţie

Tensiunea generată depinde de viteza de antrenare, de parametrii maşinii, de natura şi nivelul sarcinii.

f 

pn 1  60 1  s

Baterie de condensatoare

Sarcina

Schema echivalentă a maşinii în regim de generator

Sarcina

Bateria de condensatoare

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

29

CARACTERISTICILE DE FUNCŢIONARE ALE GENERATORULUI ASINCRON (considerând viteza de antrenare constantă)

Natura sarcinii are o influenţă importantă asupra amplitudinii tensiunii generate, în timp ce influenţa ei asupra frecvenţei este mai redusă.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

30

Generator asincron conectat la reţea Reţea

Sistem de antrenare a rotorului maşinii de inducţie

Energia reactivă necesară magnetizării este absorbită din reţea. Indiferent de turaţia de antrenare, frecvenţa statorică şi tensiunea la borne sunt constante.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

31

Generator asincron cu rotorul bobinat conectat la reţea

Se asigură un flux permanent bidirecţional de energie între maşină şi reţea, atât prin stator cât şi prin rotor, utilizând convertoare statice de frecvenţă între rotor şi reţea.

2013-2014

Masini electrice 1 - Curs 7

32