ELEMENTE CONSTRUCTIVE LA MASINA ASINCRONA

ELEMENTE CONSTRUCTIVE LA MASINA ASINCRONA

1. Generalitati privind masina asincrona

Masina asincrona este o masina electrica ce functioneaza in curent alternativ, la care viteza unghiulara a partii mobile W este diferita de viteza unghiulara a campului magnetic invartitor (statoric) W W ¹ W ) - de aici denumirea de asincrona. Infasurarile statorului si rotorului nu sunt conectate electric intre ele (nu au legaturi galvanice), intre stator si rotor existand un spatiu de aer denumit intrefier; intre infasurarile statorica si rotorica exista un cuplaj magnetic si de aceea masina asincrona este denumita masina de inductie. Masina asincrona poate fi monofazata sau polifazata (in general trifazata).

Din motivele ce vor fi prezentate ulterior masina asincrona este utilizata cel mai adesea sub forma de motor asincron.

Avand in vedere faptul ca in toate regimurile de functionare ale masinii asincrone avem W₂ ¹ W₁ (pentru W₂ = W₁ nu apar interactiuni intre stator si rotor), se defineste asa-numita alunecare a rotorului fata de viteza de sincronism (viteza campului magnetic invartitor produs in general de infasurarea statorica a masinii) exprimata in valori relative.

(4.1)

Daca raportul vitezelor (turatiilor) se inmulteste cu 100, atunci alunecarea se exprima in procente. La masini asincrone obisnuite alunecarea este de 15%, dar exista si masini asincrone cu alunecare marita (1050%) care insa se utilizeaza mai rar. In regimul de motor al masinii asincrone avem 0 < s < 1, iar in regimul de generator: 0 > s > -¥ (adica alunecarea este negativa); in regimul de frana electromagnetica avem 1 < s < +¥. Daca se tine seama de (4.1), atunci cele trei regimuri de functionare ale masinii asincrone se pot reprezenta ca in figura 1.

Semnele conventionale pentru masinile asincrone sunt date in fig. 2; fig.2a reprezinta semnul general pentru un motor asincron trifazat cu rotor in scurtcircuit; fig.2b reprezinta semnul

general pentru un motor asincron trifazat cu rotorul bobinat, iar in cadrul figurilor 2c si d sunt date simbolurile pentru aceleasi doua tipuri de motoare asincrone, dar care cuprind deja si unele detalii: in fig. 2c se mentioneaza deja ca infasurarea statorica este legata in triunghi (rotorul este in scurtcircuit), respectiv simbolul din fig.4.2d se refera la un motor asincron cu rotorul bobinat de 500 V, 20 kW si 50 Hz.

Marcarea bornelor (extremitatilor) infasurarilor statorice ale motorului asincron se fac conform STAS 3530-71:

-inceputul infasurarii se noteaza cu cifra 1, iar sfarsitul cu cifra 2 adaugate la litera care defineste infasurarea (faza) respectiva: U, V, W; daca infasurarea poseda prize intermediare (scoase ca borne la exteriorul

masinii) atunci aceasta se noteaza cu alte cifre atasate aceleiasi litere - fig.3a;

daca o infasurare se executa din sectiuni ce se pot lega fie in serie, fie in paralel, atunci notatiile apar ca in fig.4.3b, inceputurile si sfarsiturile fiind afectate de numere crescatoare cu ratia 4;

daca sunt mai multe infasurari pe o faza, dar care nu se preteaza conectarilor serie-paralel, atunci ele se deosebesc intre ele printr-un prefix cifric ca in fig.3c.

Fazelor statorice sunt afectate literele U, V, W, iar pentru nul litera N; pentru fazele rotorice sunt afectate literele K, L, M, iar pentru nul litera Q.

Asezarea bornelor pe placa de borne a masinii asincrone se face astfel incat sa se poata executa conexiunea stea sau triunghi. Astfel, in fig.4a si b este dat un exemplu de asezare a bornelor pentru infasurarea statorica a masinii asincrone.

Bornele sunt echidistante pe 'orizontala' si 'verticala' (in desen) - distanta a, astfel incat au aceleasi lamele (eclise) de conectare, realizate in mod obisnuit din cupru, sa se poata realiza conexiunea 'stea' (fig.4a), respectiv conexiunea 'triunghi' (fig.4b) pentru infasurarea statorica. Se poate observa ca inceputul si sfarsitul unei infasurari (de exemplu U1, U2) nu 'stau fata in fata' in cutia de borne, tocmai pentru a fi posibila realizarea celor doua tipuri de conexiuni specifice sistemelor trifazate.

Placuta indicatoare (de fabricatie) pentru motorul asincron contine urmatoarele date:

-puterea nominala, care reprezinta puterea mecanica (utila) la arborele motorului, in kW;

-curentul nominal de linie, in A;

-turatia nominala, in ture/min;

-frecventa nominala de lucru, in Hz;

-factorul de putere;

-tensiunea nominala (in V) intre doua inele colectoare (cazul motorului asincron bobinat): cand infasurarea statorica este alimentata cu tensiunea nominala, rotorul este in repaus iar infasurarea sa este deschisa;

-curentul nominal (la sarcina nominala) rotoric, in A.

Placuta de fabricatie mai cuprinde tipul motorului, serviciul tip de lucru, anul fabricatiei, greutatea motorului si intreprinderea producatoare.

2. Constructia masinii asincrone

Masina asincrona clasica este formata dintr-o parte fixa denumita statorul masinii si o parte mobila, care in mod obisnuit se roteste, denumita rotorul masinii. Intre ele se gaseste un spatiu de aer denumit intrefier, care in principiu, trebuie sa fie cat mai mic (0 .2 mm) pentru ca curentul de magnetizare sa fie cat mai mic.

Ansamblul masinii asincrone este prezentat in fig.5.

a) Statorul masinii este format dintr-un miez feromagnetic in cadrul caruia se monteaza infasurarea polifazata (in general trifazata) sau monofazata si care se monteaza    intr-o carcasa.

Miezul feromagnetic (notat cu 2 in fig.5) are o forma cilindrica cu peretii de o anumita grosime, gol in interior; se executa din tole de tabla silicioasa de 0 (0,35) mm grosime, stantata dupa o anumita configuratie. Tolele statorice se izoleaza intre ele (cu lacuri speciale sau prin oxidare ca in cazul transformatoarelor electrice) pentru a micsora pierderile prin curenti turbionari (Foucault). Pe partea dinspre rotor, in lungul generatoarelor cilindrului miezului, sunt prevazute crestaturi (ancore) in care se amplaseaza infasurarea statorica. La partea exterioara a cilindrului miezului statoric (deci dinspre carcasa) se executa 1-2 sau chiar mai multe (depinde de diametrul miezului) crestaturi de ghidare - de obicei in profil de coada de randunica (vezi detaliul din fig.4.6) - cu ajutorul carora se realizeaza si fixarea pachetului de tole statorice de carcasa masinii. Tolele se impacheteaza in pachete de 57 cm grosime si intre pachete se prevad canale de circa 1 cm, care apar sub forma unor canale radiale de racire; la masinile la care miezul feromagnetic are o lungime £ 20 cm nu se mai prevad canale de racire. Strangerea intregului miez feromagnetic se face cu unele tole speciale denumite tole marginale de 13 mm grosime si cu ajutorul unor placi frontale din otel masiv. Miezul se preseaza cu o presiune de circa 50100 N/cm² pentru evitarea vibratiilor in timpul functionarii, care produc un zgomot neplacut dar in acelasi timp pot duce la distrugerea izolatiei dintre tole si pot provoca deteriorarea izolatiei infasurarii.

Cand diametrul masinii este mai mare, atunci tolele statorice nu se executa 'dintr-o bucata', ci din segmente de tola a caror imbinre prin diverse starturi de tole se realizeaza 'petrecut' (ca si in cazul transformatoarelor) in vederea micsorarii intrefierului de imbinare.

Infasurarea statorului (vezi capitolul 2 privind infasurarile masinilor de c.a.) este o infasurare repartizata la care, in mod obisnuit, q > 1. Infasurarea se executa din conductoare de cupru (mai rar de aluminiu) cu izolatia de email, bumbac, hartie, fibre de sticla, micantina si unele produse izolatoare speciale. Conductorul poate fi de sectiune circulara (in cazul masinilor de puteri mai mici)

sau de sectiune dreptunghiulara. Infasurarea poate fi monofazata sau polifazata (in general trifazata) si in acest din urma caz se poate conecta in triunghi sau in stea (vezi paragraful anterior). Fiecare infasurare de faza este executata pentru acelasi numar de perechi de poli.

De asemenea, din punctul de vedere al executiei infasurarea statorica poate fi 'intr-un strat', dar cel mai adesea ea este 'in doua straturi'. In mod obisnuit, in cazul infasurarii in doua straturi, q se ia fractionar pentru ca infasurarea se executa mai usor, dar este necesar sa se aiba in vedere faptul ca in acest caz curba t.m.m. in intrefierul masinii asincrone este mai inrautatita (in raport cu o alura sinusoidala).

La unele masini asincrone este necesar un reglaj in trepte a turatiei, care depinde de numarul perechilor de poli a masinii. Montarea in statorul masinii a doua (trei) infasurari cu ajutorul carora sa se formeze numarul de perechi de poli p necesar, corespunzator treptei propuse de turatie, este in general neeconomica pentru ca gradul de utilizare al materialului activ din masina este scazut. De aceea 'comutarea' numarului perechilor de poli (deci si a turatiei) in raportul 1:2 se poate realiza cu o singura infasurare statorica prin modificarea directiei de circulatie a curentului prin anumite portiuni ale infasurarii respective; desigur ca in acest caz la cutia de borne a masinii trebuie scoase legaturi suplimentare ale infasurarii statorice.

Infasurarea statorica a masinii este notata cu 3 in figura 5.

Carcasa masinii are rol de protectie mecanica a masinii si ea nu face parte din circuitul magnetic al masinii; se executa prin turnare din fonta sau aluminiu si ea sustine miezul feromagnetic al statorului. Ea este notata cu 1 in figura 5.

In cazul masinilor mari carcasa se executa prin sudare din tabla de otel.

La suprafata sa exterioara carcasa poseda niste nervuri, dispuse in lungul generatoarelor (numarul 21) care au rolul de a mari suprafata de racire a masinii. Carcasa mai poseda cutia cu borne a masinii (numarul 13), carligul de ridicare (numarul 17), iar la partea inferioara a acesteia sunt dispuse talpile masinii (numarul 16) cu ajutorul carora se face fixarea masinii de fundatie. Intr-o pozitie convenabila este fixata pe carcasa placuta de fabricatie a masinii.

Lateral, se fixeaza de carcasa scuturile frontale: pe partea de cuplare a motorului (numarul 9), respectiv pe partea ventilatorului (numarul 10); in aceste scuturi sunt prevazuti rulmentii (numarul 14) si capacele rulmentilor (numarul 15), care sustin de fapt arborele masinii (numarul 8). Cu ajutorul carcasei si a scuturilor se asigura de fapt centrarea partii rotorice a masinii in statorul acesteia, astfel incat pe intreaga periferie exterioara a rotorului sa existe un intrefier constant(scutul lateral poseda un prag, iar carcasa poseda o adancitura -ambele prelucrate cu precizie- pentru a realiza o centrare perfecta a rotorului in campul statorului).

In cazul masinii asincrone cu rotorul bobinat, unul din scuturile frontale sustine portperiile (numarul 8 in fig. 5), impreuna cu periile (numarul 19 in fig. 5) ce calca pe inelele colectoare (numarul 20 in fig. 5). In figura 5 se mai reprezinta (tot ca parte fixa a masinii): cutia de borne rotorica - numarul 18 (separata de cutia de borne statorica) ce se monteaza in dreptul sistemului de portperii - perii si placa de borne rotorica - numarul 17.

b) Rotorul masinii cuprinde toate elementele constructive ale masinii care se afla in miscare de rotatie (in cazul masinilor rotative).

Miezul feromagnetic al rotorului este corespondentul mobil al miezului statoric si el face parte din conturul magnetic principal al masinii. El se executa din tole de tabla electrotehnica de 0 mm grosime, dar tolele nu se izoleaza intre ele. In general miezul rotoric apare sub forma unui corp cilindric cu un diametru ceva mai mic decat golul cilindric al statorului masinii, astfel incat intre ele se formeaza un spatiu mic de aer - intrefierul.

La periferia cilindrului rotoric, in lungul generatoarelor acestuia, se executa crestaturi (ancose) rotorice in care se monteaza infasurarea rotorica.

Ca si la stator, cand diametrul masinii este mare, tolele rotorice nu se executa 'dintr-o bucata', ci din segmente de tole care se fixeaza de butucul rotorului printr-un sistem de crestaturi de ghidare (similare cu cele statorice); butucul rotoric se fixeaza de arborele masinii prin pana. In cazul masinilor asincrone de diametre mici, desigur ca tolele rotorice se executa 'dintr-o bucata' si se fixeaza direct de arborele masinii (deci fara intermediul butucului rotoric) prin pana.

Infasurarea rotorica se realizeaza in doua variante constructive:

b1) Similara cu infasurarea trifazata statorica, ea fiind astfel montata in crestaturile statorice; in acest caz ea se executa din conductoare de cupru sau aluminiu etc.; conexiunea infasurarii rotorice este, in mod obisnuit, 'in stea' (poate si in triunghi), iar cele trei capete ce raman de la conexiunea in stea se leaga la inelele colectoare ale masinii (ajung prin interiorul arborelui masinii pana la inelele colectoare - unul din aceste capete este notat cu 21 in figura 5).

Inelele se executa cel mai adesea din bronz - sunt izolate intre ele si izolate fata de masa; pe suprafata lor exterrioara culiseaza periile de carbune.

Masinile asincrone cu o astfel de infasurare rotorica se numesc masini asincrone cu rotorul bobinat sau cu inele.

Prin intermediul periilor si inelelor colectoare se face legatura dintre partea mobila a masinii si exteriorul acesteia (cutia de borne rotorica poseda numai trei borne) astfel incat la circuitul rotoric al masinii se poate racorda o impedanta trifazata exterioara. Schema infasurarii rotorice in acest caz apare ca in fig. 7. Din aceasta schema se observa ca de fapt circuitul rotoric al masinii asincrone este legat in dubla stea (cu nulurile N-N') formandu-se contururi inchise pentru curentii rotorici care, in acest fel, pot interactiona cu campul magnetic statoric, respectiv se poate produce cuplul de rotire.

Impedantele exterioare sunt in general reglabile (continuu sau in trepte) si ele se racordeaza la rotor pentru o perioada mai indelungata (in cazul reglajului de viteza, de exemplu) sau doar pentru perioada pornirii, dupa care inelele colectoare se scurtcircuiteaza (adica nulul N se muta la inele) cu ajutorul unui dispozitiv special ce ridica in acelasi timp si periile de pe inele pentru a micsora astfel uzura acestor elemente constructive.

b2) Cea de a doua varianta constructiva a infasurarii rotorice se realizeaza prin montarea unor bare de cupru sau aluminiu (neizolate) in crestaturile rotorice care se scurtcircuiteaza la ambele capete cu ajutorul unor inele executate din aceleasi materiale, formandu-se o colivie ('de veverita'), ceea ce determina denumirea acestor masini: masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit sau in colivie. In figura 8 este reprezentata o infasurare rotorica simpla.

In figura 9 sunt date diferite forme de crestaturi rotorice pentru o infasurare rotorica in dubla colivie, iar in figura 9 pentru o colivie tripla (multipla). In figura 9 se prezinta o dubla colivie scurtcircuitata la capete, la care fiecare colivie are inelul sau de scurtcircuitare. Infasurarea rotorica in colivie produce totdeauna in rotor acelasi numar de perechi de poli rotoric p₂ ca si in stator p₁.

La motoare asincrone mai mici colivia se toarna, sub presiune, in intregime din aluminiu, la cele doua inele de scurtcircuitare fiind atasate direct, prin turnare, si aripioarele ventilatorului. In figura 9e este data o astfel de varianta de colivie, in care A_r este aripioara ventilatorului de racire.

Rotorul in scurtcircuit este notat cu numarul 5 in figura 5; tot in aceasta figura paletele ventilatorului (11) apar ca elemente constructive separate si ele sunt protejate de capota metalica a ventilatorului (12), care dirijeaza si curentul de aer in lungul nervurilor carcasei.

Celelalte notatii din figura 5 sunt: (6) este crestatura statorului; (7) - crestatura rotorului; (4) - pachet de tole rotorice; (8) - arborele masinii; (18) - surub de punere la pamant; (19) - tola marginala; (20) - garnitura de etansare.

Intrebari de testare.

1.- Care este scopul acestei lucrari ?

2.- De ce masina asincrona este denumita masina de inductie ?

3.- Ce se intelege prin alunecarea masinii asincrone si cam ce valori poseda acest parametru ?

4.- De ce carcasa masinii asincrone se excuta din fonta, aluminiu sau otel sudat ?

5.- Ce deosebire este intre pachetul de tole rotorice si cele statorice la masina asincrona? Justificati raspunsul.

6.- Cum se explica : cutia de borne statorica are de regula 6 borne, iar cutia de borne rotorica numai 3 borne ?

7.- Ce se intelege prin campul magnetic de reactie si cand apare acest camp la masina asincrona ?

8.- Care sunt regimurile de functionare ale masinii asincrone si domeniile corespunzatoare ale alunecarilor sale ?

9.- Cum se realizeaza centrarea rotorului masinii asincrone in campul sau statoric ?

10.- Cum se fixeaza pachetul de tole statorice de carcasa, respechiv pachetul de tole rotorice de arbore la masina asincrona ?

11.- Care sunt variantele constructive pentru rotorul masinii asincrone ? Detaliati elementele constructive pentru fiecare varianta.

12.- Ce asemanare se poate stabili intre masina asincrona si dispozitivul cu 6 bobine pentru punerea in evidenta a campului magnetic invartitor ?

13.- Raportat la viteza de sincronism, corespunzatoare unei masini asincrone, cu ce viteze se poate roti acea masina asincrona ? Justificati raspunsul.

14.- De ce impedantele exterioare ce se conecteaza in circutul rotoric al masinii asincrone cu rotorul bobinat, trebuie sa fie legate in stea (sau triunghi) ?

15.- Detaliati elementele constructive pentru rotorul masinii asincrone in simpla, respectiv dubla colivie.