Masina de curent alternativ

Masina de curent alternativ

Masinile electrice de curent alternativ se impart in functie de principiul de functionare in doua clase principale:

• masini asincrone
• masini sincrone

La baza functionarii masinilor electrice se afla legea inductiei electromagnetice. Pentru a crea conditii de existenta a acestei legi, in masinile electrice trebuie sa existe miezuri magnetice si infasurari.

In general, masinile electrice rotative sunt realizate din doua parti principale numite armaturi, intre care exista o viteza relativa de rotatie. Aceste armaturi sunt realizate din miezuri feromagnetice pe care exista infasurari. Una dintre armaturi este fixa si se numeste stator, iar cealalta aflata in miscare de rotatie se numeste rotor. De asemenea, una dintre armaturi joaca rolul de inductor, iar cealalta de indus, rolurile putand fi inversate in functie de solutia constructiva aleasa. In ambele armaturi circula curenti prin infasurari, care creeaza campuri magnetice printr-un anumit procedeu. Campurile magnetice create in cele doua armaturi se compun intr-un camp unic rezultant pe care il gasim in intrefierul masinii. Campurile magnetice produse sunt variabile in timp (deoarece curentii care le creeaza sunt alternativi, deci variabili in timp), si produc fluxuri magnetice variabile prin intrefier. Aceste fluxuri magnetice strabat infasurarile electrice si induc in acestea tensiuni electromotoare. Totodata, intre fluxul magnetic al unei infasurari si curentul electric din cealalta infasurare apar interactiuni electromagnetice care dau nastere la cupluri electromagnetice intre armaturi.

Campurile magnetice produse in masinile electrice de curent alternativ dupa cum s-a aratat, sunt variabile in timp. La masinile trifazate, prin dispunerea in spatiu a fazelor infasurarilor se obtin campuri magnetice variabile in timp si spatiu. Dupa modul de variatie in timp si spatiu a inductiei magnetice, aceste campuri se impart in doua categorii principale:

• campuri magnetice pulsatorii;
• campuri magnetice rotitoare (invartitoare).

In constructia infasurarilor de c.a. se deosebesc urmatoarele elemente: conductorul, spira, bobina, grupa de bobine

1 Masina asincrona

Masina asincrona este cea mai raspandita masina electrica. Ea se intalneste pe scara larga in actionarile electrice din toate sectoarele industriale si sociale, indeosebi in regimul de motor trifazat, pentru actionarea masinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a morilor cu bile, a macaralelor electrice, a podurilor rulante, a aparaturii medicale, a aparaturii electrocasnice etc.

Masinile asincrone se executa in doua forme constructive:

• masina asincrona cu rotorul bobinat (cu inele)
• masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit (in colivie)

Statoarele in ambele cazuri sunt identice.

Statorul masinii asincrone

Statorul masinii asincrone joaca rolul de inductor. In stator se obtine un camp magnetic invartitor pe cale electrica, cu ajutorul unei infasurari trifazate parcurse de curenti alternativi trifazati, infasurare asezata in crestaturi.

Din punct de vedere constructiv, statorul are forma unui cilindru gol realizat din tole de otel electrotehnic de 0,5 mm grosime, izolate intre ele cu lac izolant sau oxizi ceramici. Crestaturile se obtin prin stantarea tolelor inainte de impachetarea miezului si pot fi semiinchise sau deschise. Crestaturile semiinchise (figura 2.1, a) prezinta avantajul unui flux de dispersie mai redus, dar infasurarea trebuie realizata din conductor rotund si introdusa fir cu fir, neputand fi realizata afara pe sablon. Crestaturile semiinchise se utilizeaza la masini de puteri mici. Crestaturile deschise (figura 2.1, b) permit realizarea infasurarii afara pe sablon dar prezinta un flux de dispersie mai mare. Se utilizeaza la masini de puteri mari.

Figura 2.1 Figura 2.2

Infasurarea statorului se realizeaza de cele mai multe ori in doua straturi si cu pas scurtat. Infasurarile intr-un singur strat se utilizeaza numai la masinile de putere mica.

Rotorul masinii asincrone

Rotorul masinii asincrone joaca rolul de indus avand forma unui cilindru plin realizat din tole din otel electrotehnic de 0,5 mm, izolate sau neizolate. La periferia rotorului se afla crestaturi realizate tot prin stantare, in care se introduce infasurarea rotorica. Daca masina asincrona este cu rotorul bobinat, atunci infasurarea rotorica este de tipul infasurarilor de curent alternativ trifazate, cu pas diametral, intr-un strat sau in doua straturi. Crestaturile in acest caz sunt semiinchise avand de obicei forma de para (figura 2.2).

Daca masina este cu rotorul in scurtcircuit, atunci infasurarea rotorica este de tipul colivie realizata prin turnare din bare de Cu sau Al scurtcircuitate la capete de doua inele din acelasi material (figura 2.4). Turnarea coliviei se face prin injectie direct in crestaturile rotorice, acestea fiind inchise sau semiinchise (figura 2.5, a). La masini de puteri mai mari pentru reducerea curentului de pornire se folosesc colivii cu bare inalte (figura 2.5, b) sau duble colivii (figura 2.5, c). Colivia superioara S are sectiunea mai mica si deci rezistenta ohmica mai mare dar reactanta este mai mica. Ea joaca rolul de infasurare de pornire limitand curentul de pornire care,avand frecventa relativ mare, nu permite fluxului magnetic inductor sa patrunda in adancimea rotorului pana la colivia inferioara. Odata masina pornita, frecventa curentului rotoric scade, fluxul inductor patrunde mai adanc in rotor imbratisand colivia 'I', care avand sectiunea mai mare va avea rezistenta ohmica mai mica, reactanta relativ mare iar curentul va circula preponderent prin ea. Din acest motiv se mai numeste si colivie de lucru.

Figura 2.4 Figura 2.5

In cazul masinii cu rotorul bobinat, capetele infasurarii rotorice sunt scoase in exterior cu ajutorul unor contacte alunecatoare compuse din trei inele de bronz solidare cu rotorul pe care aluneca perii din bronz grafitat fixate si izolate fata de carcasa masinii.

Intrefierul masinii asincrone

Intrefierul este spatiul liber ramas intre miezul feromagnetic al rotorului si miezul statoric. Latimea intrefierului la masina asincrona se considera constanta (se neglijeaza deschiderea crestaturilor) si are o valoare foarte mica (0,1.2mm) in vederea obtinerii unui curent de magnetizare cat mai redus, respectiv a unui factor de putere ridicat

2 Masina sincrona

Masina sincrona este tipul de masina electrica rotativa de curent alternativ care, pentru o tensiune la borne de frecventa data, functioneaza cu o turatie riguros constanta. Regimul de baza in functionarea masinii sincrone este regimul de generator electric, la fel cum regimul de motor este cel de baza pentru masina asincrona. Masina sincrona in regim de generator reprezinta baza economica a producerii energiei electrice in toate centralele electrice actuale. In acest regim de functionare masinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind cele mai mari masini electrice construite de om.

Consideratiile economice pledeaza pentru cresterea neincetata a puterii nominale a generatoarelor sincrone (scad investitiile specifice in lei/kW, creste randamentul). Cele mai mari masini sincrone actuale au atins puteri de 1200MW ca turbogeneratoare si 700MW ca hidrogeneratoare.

Regimul de motor sincron se foloseste mai cu seama datorita avantajelor fata de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergand pana la unitate, cuplu invariabil cu turatia, intrefier mai mare). Lucrul acesta a fost cu putinta numai dupa ce tehnica a putut rezolva cu succes doua deficiente grave ale motorului sincron: absenta cuplului de pornire si posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilitatii). In acest regim de functionare masina sincrona se foloseste in toate actionarile ce necesita o turatie constanta (compresoare, mori cu bile, pompe de irigatii, etc.) inlocuind din ce in ce mai mult motoarele asincrone (in special la puteri mari unde primeaza considerentele economice: randament, factor de putere).

Un alt regim de functionare particular masinii sincrone este compensatorul sincron, regim in care axul masinii se invarte in gol masina servind la imbunatatirea factorului de putere al retelei, compensand energia reactiva consumata in special de motoarele asincrone alimentate din retea.

Elemente constructive ale masinii sincrone

In constructia uzuala, masina sincrona se compune din doua parti principale:

• statorul, reprezentat de partea fixa, exterioara;
• rotorul, asezat concentric in interiorul statorului si care constituie partea mobila.

Statorul la masina sincrona de constructie obisnuita reprezinta indusul masinii si este format dintr-un miez feromagnetic care poarta in crestaturi o infasurare de curent alternativ trifazat fiind foarte asemanator din punct de vedere constructiv cu statorul masinii asincrone trifazate. Miezul feromagnetic se realizeaza din tole sau segmente de tole stantate din otel electrotehnic de 0,5 mm grosime izolate intre ele cu lac izolant sau oxizi ceramici impachetate in pachete de cca. 5 cm grosime, intre pachete prevazandu-se canale radiale de racire.

Miezul se consolideaza cu tole marginale de (1- 3 mm) grosime si se preseaza cu ajutorul unor placi frontale pentru a evita aparitia vibratiilor in timpul functionarii. Infasurarea statorica este repartizata si se conecteaza la reteaua trifazata de curent alternativ. Infasurarea se realizeaza din conductor (bare) de cupru izolat cu fibre de sticla, micanita sau rasini sintetice in functie de clasa de izolatie si de tensiunea nominala.   

La masina sincrona trifazata, infasurarea statorului se conecteaza in stea pentru a se evita inchiderea armonicilor curentului de ordinul 3 si multipli de 3, precum si aparitia unor armonici de acelasi ordin in curba tensiunii de faza. Carcasa masinii se realizeaza din otel turnat (la masinile mici) sau din tabla sudata de otel (la masinile de puteri mari si foarte mari) si poarta dispozitivele de fixare pe fundatie (talpi), inelele de ridicare, cutia de borne a indusului si a inductorului, placuta indicatoare si scuturile frontale.

La masinile mijlocii scuturile pe langa rolul de protectie sunt prevazute si cu lagare, iar unul dintre scuturi sustine port-periile cu periile de contact.

Placuta indicatoare contine de obicei principalele date nominale ale masinii: puterea nominala aparenta (kVA sau MVA) si activa (kW sau MW), factorul de putere nominal cos n, tensiunea si curentul nominal de linie (V,kV,A,kA), tensiunea si curentul nominal de excitatie (V,A), randamentul nominal, n - turatia nominala (rot/min), frecventa nominala (Hz), numarul de faze si conexiunea lor.

Rotorul masinii sincrone cuprinde miezul feromagnetic rotoric, infasurarea rotorica, inelele colectoare, ventilatorul.

Miezul rotoric are doua variante constructive:

• cu poli aparenti
• cu poli inecati