duminică, 29 mai 2011

Motoare Electrice

Un motor electric (sau electromotor) este un dispozitiv electromecanic ce transformă energia electrică în energie mecanică. Transformarea în sens invers, a energiei mecanice în energie electrică, este realizată de un generator electric. Nu există diferenţe de principiu semnificative între cele două tipuri de maşini electrice, acelaşi dispozitiv putând îndeplini ambele roluri în situaţii diferite.
Majoritatea motoarelor electrice funcţionează pe baza forţelor electromagnetice ce acţionează asupra unui conductor parcurs de curent electric aflat în câmp magnetic. Există însă şi motoare electrostatice construite pe baza forţei Coulomb şi motoare piezoelectrice.

 Utilizare

Fiind construite într-o gamă extinsă de puteri, motoarele electrice sunt folosite la foarte multe aplicaţii: de la motoare pentru componente electronice (hard disc, imprimantă) până laacţionări electrice de puteri foarte mari (pompe, locomotive, macarale).

 Clasificare

Motoarele electrice pot fi clasificate după tipul curentului electric ce le parcurge: motoare de curent continuu şi motoare de curent alternativ. În funcţie de numărul fazelor curentului cu care funcţionează, motoarele electrice pot fi motoare monofazate sau motoare polifazate (cu mai multe faze).

 Motoare de curent continuu

Funcţionează cu curent ce nu-şi schimbă sensul, curent continuu. În funcţie de tipul de excitaţie se împart în trei categorii:

 Motoare derivaţie

 Motoare serie

 Motoare mixte

 Motoare de curent alternativ

 Motoare asincrone

 Motoare cu inele de contact ( rotorul bobinat)
 Motoare cu rotorul în scurtcircuit
 Motoare de tipuri speciale
 Motoare cu bare înalte
 Motoare cu dublă colivie Dolivo-Dobrovolski

 Motoare sincrone

 Elemente constructive

Indiferent de tipul motorului, acesta este construit din două părţi componente: stator şi rotor.Statorul este partea fixă a motorului, în general exterioară, ce include carcasa, bornele de alimentare, armătura feromagnetică statorică şi înfăşurarea statorică. Rotorul este partea mobilă a motorului, plasată de obicei în interior. Este format dintr-un ax şi o armătură rotorică ce susţine înfăşurarea rotorică. Între stator şi rotor există o porţiune de aer numită întrefier ce permite mişcarea rotorului faţă de stator. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanţelor motorului.

 Motorul de curent continuu

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme prin conectarea unui generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel, a putut observa că maşina se roteşte, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.
Motorul de curent continuu are pe stator polii magnetici şi bobinele polare concentrate care creează câmpul magnetic de excitaţie. Pe axul motorului este situat un colector ce schimbă sensul curentului prin înfăşurarea rotorică astfel încât câmpul magnetic de excitaţie să exercite în permanenţă o forţă faţă de rotor.
În funcţie de modul de conectare a înfăşurării de excitaţie motoarele de curent continuu pot fi clasificate în:
  • motor cu excitaţie independentă – unde înfăşurarea statorică şi înfăşurarea rotorică sunt conectate la două surse separate de tensiune
  • motor cu excitaţie paralelă – unde înfăşurarea statorică şi înfăşurarea rotorică sunt legate în paralel la aceaşi sursă de tensiune
  • motor cu excitaţie serie – unde înfăşurarea statorică şi înfăşurarea rotorică sunt legate în serie
  • motor cu excitaţie mixtă – unde înfăşurarea statorică este divizată în două înfăşurări, una conectată în paralel şi una conectată în serie.
Înfăşurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenţi. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitaţie până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuşi. În acelaşi moment, colectorul schimbă sensul curenţilor rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează şi rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.
Pentru acţionări electrice de puteri mici şi medii, sau pentru acţionări ce nu necesită câmp magnetic de excitaţie variabil, în locul înfăşurărilor statorice se folosesc magneţi permanenţi.
Turaţia motorului este proporţională cu tensiunea aplicată înfăşurării rotorice şi invers proporţională cu câmpul magnetic de excitaţie. Turaţia se reglează prin varierea tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turaţii mai mari se obţin prin slăbirea câmpului de excitaţie. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obţinută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unorrezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Motor universal folosit la râşniţele de cafea
Cuplul dezvoltat de motor este direct proporţional cu curentul electric prin rotor şi cu câmpul magnetic de excitaţie. Reglarea turaţiei prin slăbire de câmp se face, aşadar, cu diminuare a cuplului dezvoltat de motor. La motoarele serie acelaşi curent străbate înfăşurarea de excitaţie şi înfăşurarea rotorică. Din această consideraţie se pot deduce două caracteristici ale motoarelor serie: pentru încărcări reduse ale motorului, cuplul acestuia depinde de pătratul curentului electric absorbit; motorul nu trebuie lăsat să funcţioneze în gol pentru că în acest caz valoarea intensităţii curentului electric absorbit este foarte redusă şi implicit câmpul de excitaţie este redus, ceea ce duce la ambalarea maşinii până la autodistrugere. Motoarele de curent continuu cu excitaţie serie se folosesc în tracţiunea electrică urbană şi feroviară (tramvaie, locomotive).
Schimbarea sensului de rotaţie se face fie prin schimbarea polarităţii tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitaţie. La motorul serie, prin schimbarea polarităţii tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi şi sensul de rotaţie rămâne neschimbat. Aşadar, motorul serie poate fi folosit şi la tensiune alternativă, unde polaritatea tensiunii se inversează o dată în decursul uneiperioade. Un astfel de motor se numeşte motor universal şi se foloseşte în aplicaţii casnice de puteri mici şi viteze mari de rotaţie (aspirator, mixer).

 Motorul de curent alternativ

Motoarele de curent alternativ funcţionează pe baza principiului câmpului magnetic învârtitor. Acest principiu a fost identificat de Nikola Tesla în 1882. În anul următor a proiectat un motor de inducţie bifazat, punând bazele maşinilor electrice ce funcţionează pe baza câmpului magnetic învârtitor. Ulterior, sisteme de transmisie prin curent alternativ au fost folosite la generarea şi transmisia eficientă la distanţă a energiei electrice, marcând cea de-a doua Revoluţie industrială. Un alt punct important în istoria motorului de curent alternativ a fost inventarea de către Michael von Dolivo-Dobrowlsky în anul 1890 a rotorului în colivie de veveriţă.

 Motorul de inducţie trifazat

Motorul de inducţie trifazat (sau motorul asincron trifazat) este cel mai folosit motor electric în acţionările electrice de puteri medii şi mari. Statorul motorului de inducţie este format din armătura feromagnetică statorică pe care este plasată înfăşurarea trifazată statorică necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Rotorul este format din armătura feromagnetică rotorică în care este plasată înfăşurarea rotorică. După tipul înfăşurării rotorice, rotoarele pot fi de tipul:
  • rotor în colivie de veveriţă (în scurtcircuit) – înfăşurarea rotorică este realizată din bare de aluminiu sau -mai rar- cupru scurtcircuitate la capete de două inele transversale.
  • rotor bobinat – capetele înfăşurării trifazate plasate în rotor sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele. Accesul la inele dinspre cutia cu borne se face prin intermediul a 3 perii.
Prin intermediul inducţiei electromagnetice câmpul magnetic învârtitor va induce în înfăşurarea rotorică o tensiune. Această tensiune creează un curent electric prin înfăşurare şi asupra acestei înfăşurări acţionează o forţă electromagnetică ce pune rotorul în mişcare în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numeşte asincron pentru că turaţia rotorului este întotdeauna mai mică decât turaţia câmpului magnetic învârtitor, denumită şi turaţie de sincronism. Dacă turaţia rotorului ar fi egală cu turaţia de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducţie electromagnetică, nu s-ar mai induce curenţi în rotor şi motorul nu ar mai dezvolta cuplu.
Turaţia motorului se calculează în funcţie alunecarea rotorului faţă de turaţia de sincronism, care este cunoscută, fiind determinată de sistemul trifazat de curenţi.
Alunecarea este egală cu: s=\frac{n_1-n_2}{n_1}, unde
n1 este turaţia de sincronism şi
n2 este turaţia rotorului.
n_1=60\cdot \frac{f}{p}, unde
f este frecvenţa tensiunii de alimentare şi
p este numărul de perechi de poli ai înfăşurării statorice.
Turaţia maşinii, în funcţie de turaţia câmpului magnetic învârtitor şi în funcţie de alunecare este: n_2=n_1\cdot (1-s).
Se observă că alunecarea este aproape nulă la mers în gol (când turaţia motorului este aproape egală cu turaţia câmpului magnetic învârtitor) şi este egală cu 1 la pornire, sau când rotorul este blocat. Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curenţii induşi în rotor sunt mai intenşi. Curentul absorbit la pornirea prin conectare directă a unui motor de inducţie de putere medie sau mare poate avea o valoare comparabilă cu curentul de avarie al sistemelor de protecţie, în acest caz sistemul de protecţie deconectează motorul de la reţea. Limitarea curentului de pornire al motorului se face prin creşterea rezistenţei înfăşurării rotorice sau prin diminuarea tensiunii aplicate motorului. Creşterea rezitenţei rotorului se face prin montarea unui reostat la bornele rotorului (doar pentru motoarele cu rotor bobinat). Reducerea tensiunii aplicate se face folosind un autotransformator, folosind un variator de tensiune alternativă (pornirea lină) sau conectând iniţial înfăşurarea statorică în conexiune stea (pornirea stea-triunghi – se foloseşte doar pentru motoarele destinate să funcţioneze în conexiune triunghi) sau prin înserierea de rezistoare la înfăşurarea statorică. La reducerea tensiunii de alimentare trebuie avut în vedere că cuplul motorului este proporţional cu pătratul tensiunii, deci pentru valori prea mici ale tensiunii de alimentare maşina nu poate porni.
Turaţia maşinii de inducţie se modifică prin modificarea alunecării sale sau prin modificarea turaţiei câmpului magnetic învârtitor. Alunecarea se poate modifica din tensiunea de alimentare şi din rezistenţa înfăşurării rotorice astfel: se creşte rezistenţa rotorică (prin folosirea unui reostat la bornele rotorice – doar la motoarele cu rotor bobinat) şi se variază tensiunea de alimentare (folosind autotransformatoare, variatoare de tensiune alternativă, cicloconvertoare) sau se menţine tensiunea de alimentare şi se variază rezistenţa din rotor (printr-un reostat variabil). Odată cu creşterea rezistenţei rotorice cresc şi pierderile din rotor şi implicit scade randamentul motorului. O metodă interesantă de reglare a turaţiei sunt cascadele de recuperare a puterii de alunecare. La bornele rotorice este conectat unredresor, iar la bornele acestuia este conectat un motor de curent continuu aflat pe acelaşi ax cu motorul de inducţie (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale mecanică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată şi aplicată motorului de curent continuu astfel încât cuplul dezvoltat de motorul de curent continuu se însumează cuplului dezvoltat de motorul de inducţie. Reglarea turaţiei motorului de inducţie se face prin reglarea curentului prin înfăşurarea de excitaţie. În locul motorului de curent continuu se poate folosi un invertor cu tiristoare şi un transformator de adaptare (cascadă Krämmer cu recuperare puterii de alunecare pe cale electrică). Tensiunea indusă în rotor este astfel redresată şi prin intermediul invertorului şi a transformatorului este reintrodusă în reţea. Reglarea vitezei se face din unghiul de aprindere al tiristoarelor.
Turaţia câmpului magnetic învârtitor se poate modifica din frecvenţa tensiunii de alimentare şi din numărul de perechi de poli ai maşinii. Numărul de perechi de poli se modifică folosind o înfăşurare specială (înfăşurarea Dahlander) şi unul sau mai multe contactoare. Frecvenţa de alimentare se modifică folosind invertoare. Pentru frecvenţe mai mici decât frecvenţa nominală a motorului (50 Hz pentru Europa, 60 Hz pentru America de Nord) odată cu modificarea frecvenţei se modifică şi tensiunea de alimentare păstrând raportul U/f constant. Pentru frecvenţe mai mari decât frecvenţa nominală la creşterea frecvenţei tensiunea de alimentare rămâne constantă şi reglarea vitezei se face cu slăbire de câmp (ca la motorul de curent continuu).
Sensul de rotaţie al motorului de inducţie se inversează schimbând sensul de rotaţie al câmpului învârtitor. Aceasta se realizează schimbând două faze între ele.
Motorul de inducţie cu rotorul în colivie este mai ieftin şi mai fiabil decât motorul de inducţie cu rotorul bobinat pentru că periile acestuia se uzează şi necesită întreţinere. De asemenea, motorul de inducţie cu rotorul in colivie nu are colector şi toate dezavantajele care vin cu acesta: zgomot, scântei, poluare electromagnetică, fiabilitate redusă şi implicit întreţinere costisitoare. Motoarele de curent continuu au fost folosite de-a lungul timpului în acţionările electrice de viteză variabilă, deoarece turaţia motorului se poate modifica foarte uşor modificând tensiunea de alimentare însă, odată cu dezvoltarea electronicii de putere şi în special cu dezvoltarea surselor de tensiune cu frecvenţă variabilă, tendinţa este de înlocuire a motoarelor de curent continuu cu motoare de inducţie cu rotor în colivie.

 Motorul de inducţie monofazat

În cazul în care sistemul trifazat de tensiuni nu este accesibil, cum este în aplicaţiile casnice, se poate folosi un motor de inducţie monofazat. Curentul electric monofazat nu poate produce câmp magnetic învârtitor ci produce câmp magnetic pulsatoriu (fix în spaţiu şi variabil în timp). Câmpul magnetic pulsatoriu nu poate porni rotorul, însă dacă acesta se roteşte într-un sens, atunci asupra lui va acţiona un cuplu în sensul său de rotaţie. Problema principală o constituie deci, obţinerea unui câmp magnetic învârtitor la pornirea motorului şi aceasta se realizează în mai multe moduri.
Prin ataşarea pe statorul maşinii la un unghi de 90° a unei faze auxiliare înseriată cu un condensator se poate obţine un sistem bifazat de curenţi ce produce un câmp magnetic învârtitor. După pornirea motorului se deconectează faza auxiliară printr-un întrerupător centrifugal. Sensul de rotaţie al motorului se poate schimba prin mutarea condensatorului din faza auxiliară în faza principală.
În locul fazei auxiliare se poate folosi o spiră în scurtcircuit plasată pe o parte din polul statoric pentru obţinerea câmpului învârtitor. Curentul electric indus în spiră se va opune schimbării fluxului magnetic din înfăşurare, astfel încât amplitudinea câmpului magnetic se deplasează pe suprafaţa polului creând câmpul magnetic învârtitor.

 Servomotorul asincron monofazat

Servomotorul asincron monofazat este o maşină de inducţie cu două înfăşurări: o înfăşurare de comandă şi o înfăşurare de excitaţie. Cele două înfăşurări sunt aşezate la un unghi de 90° una faţă de cealaltă pentru a crea un câmp magnetic învârtitor. Rezistenţa rotorului este foarte mare pentru a realiza autofrânarea motorului la anularea tensiunii de pe înfăşurarea de comandă. Datorită rezistenţei rotorice mari, randamentul motorului este scăzut şi motorul se foloseşte în acţionări electrice de puteri mici şi foarte mici.

 Motorul sincron trifazat

Motorul sincron trifazat este o maşină electrică la care turaţia rotorului este egală cu turaţia câmpului magnetic învârtitor indiferent de încărcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la acţionări electrice de puteri mari şi foarte mari de până la zeci de MW.
Statorul motorului sincron este asemănător cu statorul motorului de inducţie (este format dintr-o armătură feromagnetică statorică şi o înfăşurare trifazată statorică). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armătură feromagnetică rotorică şi o înfăşurare rotorică de curent continuu. Pot exista două tipuri constructive de rotoare: cu poli înecaţi şi cu poli aparenţi. Rotorul cu poli înecaţi are armătura feromagnetică crestată spre exterior şi în crestătură este plasată înfăşurarea rotorică. Acest tip de motor are uzual o pereche de poli şi funcţionează la turaţii mari (3000 rpm la 50 Hz). Rotorul cu poli aparenţi are armătura feromagentică sub forma unui butuc poligonal pe care sunt plasate miezurile polilor rotorici şi bobine polare concentrate. În unele situaţii în locul bobinelor polare concentrate se pot folosi magneţi permanenţi. Motorul sincron cu poli aparenţi are un număr mare de poli şi funcţionează la turaţii mai reduse. Accesul la înfăşurarea rotorică se face printr-un sistem inel-perie asemănător motorului de inducţie. Motoarele sincrone cu poli aparenţi pot avea cuplu chiar şi în lipsa curentului de excitaţie, motorul reactiv fiind cel ce funcţionează pe baza acestui cuplu, fără înfăşurare de excitaţie şi fără magneţi permanenţi.
Înfăşurarea rotorică (de excitaţie) a motorului parcursă de curent continuu creează un câmp magnetic fix faţă de rotor. Acest câmp „se lipeşte” de câmpul magnetic învârtitor statoric şi rotorul se roteşte sincron cu acesta. Datorită inerţiei, câmpul magnetic rotoric nu are timp să se lipească de câmpul magnetic învârtitor şi motorul sincron nu poate porni prin conectare directă la reţea. Există trei metode principale de pornire a motoarelor sincrone:
  • pornirea în asincron – pe tălpile polare rotorice este prevăzută o colivie asemănătoare coliviei motorului de inducţie şi motorul porneşte pe acelaşi principiu ca al motorului de inducţie.
  • pornirea la frecvenţă variabilă – este posibilă doar atunci când este disponibilă o sursă de tensiune cu frecvenţă variabilă sau un convertor cu frecvenţă variabilă. Creşterea frecvenţei se face lent, astfel încât câmpul învârtitor să aibă viteze suficient de mici la început pentru a putea permite rotorului să se „lipească” de câmpul magnetic învârtitor.
  • pornirea cu motor auxiliar – necesită un motor auxiliar ce antrenează motorul sincron conectat la reţea. Când motorul ajunge la o turaţie apropiată de turaţia de sincronism motorul auxiliar este decuplat, motorul sincron se mai accelerează puţin până ajunge la turaţia de sincronism şi continuă să se rotească sincron cu câmpul magnetic învârtitor.

 Motorul sincron monofazat

Este realizat uzual ca motor sincron reactiv cu sau fără magneţi permanenţi pe rotor. Asemănător motoarelor de inducţie monofazate, motoarele sincrone monofazate necesită un câmp magnetic învârtitor ce poate fi obţinut fie folosind o fază auxiliară şi condensator fie folosind spiră în scurtcircuit pe polii statorici. Se folosesc în general în acţionări electrice de puteri mici precum sistemele de înregistrare şi redare a sunetului şi imaginii.

 Motorul pas cu pas

Motorul pas cu pas este un tip de motor sincron cu poli aparenţi pe ambele armături. La apariţia unui semnal de comandă pe unul din polii statorici rotorul se va deplasa până când polii săi se vor alinia în dreptul polilor opuşi statorici. Rotirea acestui tip de rotor se va face practic din pol în pol, de unde şi denumirea sa de motor pas cu pas. Comanda motorului se face electronic şi se pot obţine deplasări ale motorului bine cunoscute în funcţie de programul de comandă. Motoarele pas cu pas se folosesc acolo unde este necesară precizie ridicată (hard disc, copiatoare).

Niciun comentariu:

Trimiteţi un comentariu