Pornirea motoarelor asincrone trifazate cu rotor in scurtcircuit

Principalele metode de pornire ale motorului asincron trifazat cu rotorul in scurtcircuit sunt:

• pornirea prin cuplarea directa la retea;
• pornirea cu rezistente in circuitul statoric;
• pornirea cu reactante in circuitul statoric;
• pornirea cu autotransformator;
• pornirea stea - triunghi;
• pornirea prin conectarea partiala a infasurarilor statorice.

In fig. nr. 5. sunt date reprezentarile unifilare ale circuitului de forta pentru cele sase meotde de pornire diferite.

In afara de prima metoda, toate celelalte au la baza reducerea tensiunii de alimentare. Aceasta reducere are drept scop micsorarea curentului de pornire si a cuplului de pornire. In unele situatii reducerea cuplului de pornire este impusa de faptul ca, aplicarea dintr-o data a unui cuplu mare prin conectarea directa la retea ar putea cauza deteriorarea lagarelor, cuplajelor sau a altor elemente ale ansamblului. De asemenea, poate fi deteriorat materialul care este prelucrat sau transportat prin intermediul masinii de lucru actionate de motorul respectiv.

Fig. nr. 5. Reprezentarea unifilara a schemelor de pornire pentru motoarele asincrone trifazate cu rotor in scurtcircuit

1. Pornirea directa de la retea

Conectarea directa la retea este metoda de pornire cea mai simpla. Ea se realizeaza prin cuplarea  infasurarilor statorului direct la retea. Motorul porneste si atinge viteza nominala. In acest caz intensitatea curentului in momentul pornirii este de 7- 8 ori mai mare decat intensitatea nominala, in timp ce cuplul motor este de 0,5 - 1,5 ori mai mare decat cuplul nominal.

Desi aceasta metoda are o serie de avantaje , cum ari fi simplitatea si costul redus, totusi utilizarea ei este limitata la urmatoarele cazuri:

• motorul are putere mica iar reteaua de alimentare este puternica astfel incat curentul absorbit la pornire nu afecteaza alti consu matori alimentati de aceeasi retea;
• sistemul de actionare din care face parte motorul are un reductor sau un alt tip de dispozitiv care este capabil sa atenueeze socul mecanic produs de cuplul mare de pornire;
• motorul trebuie sa poata dezvolta un cuplu mare de pornire.

Metoda de pornire prin cuplare directa la retea nu este recomandata in urmatoarele cazuri:

• curentul absorbit din retea ar putea duce la o cadere mare a tensiunii din retea;
• masina de lucru antrenata de motor nu poate suporta variatia mare a cuplului;
• in momentul pornirii nu sunt asigurate siguranta si confortul celor care utilizeaza echipamentul din care face parte motorul;

In fig. nr. 6a. este data schema de pornire manuala prin cuplare directa la retea iar in fig.  nr. 6b este prezentata schema de pornire folosind aceeasi metoda dar utilizand cantactoare.

Fig. nr. 6. Pornirea prin cuplare directa la retea

1. 1. Schema de comanda cu microcontroller

Fig. nr. 7. Schema de comanda cu microcontroller

Schema de comanda cu microcontroller contine arhitectura tipica din care s-au evidentiat: microcontrolerul, porturile de comunicare PIN, PEN si circuitelea auxiliare, in care aici sunt incluse toate celelalte elemente specifice.

Pentru a trece de la schema de comanda clasica la schema de comanda cu microcontroller se parcurg urmatoarele secvente:

• se identifica elementele de intrare: pentru comanda : S1, S2, S3 ; pentru protectii, interblocare, etc.:K1, K2;
• se identifica elementele de executie: bobinele K1 si K2;
• se ataseaza fiecare grupa de elemente portului corespunzator;
• se intocmeste schema logica prin care se descrie algoritmul de functionare al schemei;
• se elaboreaza programul de comanda in limbaj de asamblare sau alt limbaj de nivel superior;
• se testeaza programul elaborate prin simulare numerica, pe modele si/sau pe schema reala;
• se transfera programul elaborate in memoria echipamentului de comanda.

Fig. nr. 8. Schema logica pentru comanda automata a pornirii directe reversibile

2. Pornirea cu rezistente in circuitul electric

Aceasta metoda consta in legarea in serie cu infasurarile statorului a unor rezistoare. Ca urmare, cresterea de tensiune pe aceste rezistoare va face ca tensiunea aplicata infasurarilor motorului sa fie mai mica decat in cazul cuplarii directe la retea. Odata cu reducerea curentului prin infasurarile motorului, rezulta si o micsorare a cuplului de pornire, ceea ce determina un timp de pornire mai lung. Pe masura ce motorul accelereaza, scade curentul prin rezistoarele de pornire si creste tensiunea aplicata infasurarilor motorului. Se obtine astfel o acceleratie lina cu cresterea treptata a tensiunii aplicate motorului si a cuplului motor.

Pentru a realize o pornire si mai lina se pot utilize mai multe trepte de rezistoare care se scurtcircuiteaza treptat.

Aceasta metoda este utilizata in urmatoarele cazuri:

• reteaua de alimentare este slaba si nu permite pornirea motorului prin cuplare directa la retea;
• pornirea prin cuplarea directa la retea poate duce la caderi mari de tensiune sau cand motorul este departe de reteaua de alimentare.

Avantaje: acceleratie lina; constructie simpla; cost initial redus; intretinere ieftina; reprezinta o metoda de pornire fara intreruperea circuitului; asigura un factor de putere marit fata de celelalte metode de pornire.

Dezavantaje: consum de energie suplimentar care se disipa pe rezistoarele de pornire.

In fig. nr. 9. este prezentata o schema de pornire a unui motor asincron trifazat cu rotor in scurtcircuit cu ajutorul unor rezistoare in circuitul statoric. Sunt utilizate doua trepte de rezistoare R1 si R2 care sunt scurtcircuitate treptat.

Pentru pornirea motorului se apasa butonul S2 ceea ce conduce la alimentarea bobinei contactorului K1. Acesta isi inchide contactele principale normal deschise K1 prin care se alimenteaza motorul. Datorita caderii de tensiune pe rezistentele R1 si R2, motorul va fi alimentat cu tensiune redusa. Contactorul K1 este prevazut si cu doua contacte auxiliare temporizate prin care se alimenteaza bobinele contactoarelor K2 si K3 care realizeaza scurtcircuitarea rezistentelor de pornire. Conform schemei, rezistorul R1 va fi scurtcircuitat dupa doua secunde de la punerea motorului sub tensiune in timp ce rezistorul R3 va fi scurtcircuitat dupa 3 secunde de la punerea sub tensiune. Oprirea motorului se realizeaza prin actionarea butonului de oprire S1.

Fig. nr. 9. Pornirea cu rezistoare in circuitul statoric

3. Pornirea cu bobine de reactanta in circuitul statoric

Pornirea cu bobine de reactanta conectate in circuitul statorului este mai putin utilizata si de fapt ea reprezinta etapa a II - a din perioada de pornire a metodei cu ajutorul autotransformatorului.

4. Pornirea cu autotransformator

Metoda de pornire cu autotransformator seamana cu metodele de pornire cu rezistoare sau bobine in circuitul statoric in sensul realizarii reducerii tensiunii de alimentare. Autotransformatoarele, in constructie speciala, sunt prevazute cu prize ce permit pornirea motorului la diverse tensiuni de alimentare: 50%, 65% sau 80% din tensiunea nominala a retelei de alimentare.

Metoda pornirii cu autotransformatorul se utilizeaza:

• la motoare asincrone cu rotorul in scurtcircuit care nu pot fi pornite prin metoda comutatorului stea - triunghi, adica la motoarele care functioneaza normal in stea;
• la motoarele asincrone cu rotorul in scurtcircuit de putere mare.

Avantaje: poate fi utilizata pentru porniri lungi; nu exista pierderi de energie electrica.

Dezavantaje: inrautateste factorul de putere; mareste costul instalatiei.

In fig. nr. 10 sunt date doua variante de scheme pentru pornirea cu autotransformator:

• prima varianta, cea mai utilizata, foloseste cate un autotransformator pentru fiecare faza;
• a doua varianta, mai rar utilizata, foloseste numai doua autotransformatoare.

Fig. nr. 10 Pornirea cu autotransformator

In continuare ne vom ocupa de schema care utilizeaza 3 autotransformatoare. In procesul tranzitoriu de pornire a motoarelor asincrone - prin aceasta metoda - se disting trei etape: parametrii electrici proprii fiecarei etape vor fi notati cu "prim", "secund" si "tert", numai tensiunea retelei ramane aceeeasi. Configuratiile pe care le capata circuitul de forta in cele trei etape ale pornirii sunt prezentate in fig. nr. 11.

Fig. nr. 11. Configuratia schemei de pornire prin metoda cu autotransformator

Fig. nr. 12. Schema de pornire a unui motor asincron trifazat cu rotor in scurtcircuit prin metoda cu autotransformator

In fig. nr. 12 este data schema de comanda pentru pornirea cu autotransformator, trecerea  de la o etapa la alta realizandu-se folosind contacte auxiliare temporizate ale contactoarelor K2, K3, K4.

Pentru pornirea motorului se inchide intrerupatorul Q1 si se apasa butonul S2. In acest fel se alimenteaza bobina contactorului K4, care realizeaza legarea in stea a infasurarilor autotransformatorului. In acelasi timp, contactorul K4 isi inchide si contactul normal deschis din circuitul bobinei contactorului K2. Aceasta fiind alimentata, duce la inchiderea contactelor principale K2 prin care se alimenteaza autotransformatorul si prin intermediul acestuia infasurarile motorului. La doua secunde dupa pornirea motorului, se deschide contactul temporizat K2 intrerupand alimentarea bobinei contactorului K4. Dupa inca o secunda, se inchide contactul temporizat K4 prin care se alimenteaza bobina contactorului K3 prin care se realizeaza alimentarea motorului direct de la retea.

Fig. nr. 13. Schema monofilara pentru pornirea cu autotransformator cu posibilitatea reversarii si schema de comanda

Pentru ambele sensuri de rotatie, oprirea motorului se realizeaza prin actionarea butonului S1. Pentru pornirea motorului intr-un sens de rotatie se actioneaza butonul S2, iar pentru pornirea motorului in sens opus se actioneaza butonul S3.

5. Pornirea stea - triunghi

Metoda de pornire stea - triunghi are in vedere reducerea tensiunii de alimentare in momentul pornir Aceasta se desfasoara in doua etape:

• motorul este conectat la reteaua de alimentare, infasurarile statorice fiind legate in conexiunea stea; motorul porneste cu tensiunea redusa;
• se desface conexiunea Y a infasurarilor statorice si se realizeaza conexiunea triunghi; motorul este alimentat la tensiunea de linie a retelei.

Principalele aplicatii in care se utilizeaza aceasta metoda sunt: sistemele de racier centrifugale; unitatile de conditionare a aerului centralizate; ventilatoare, masini - unelte si alte aplicatii care nu necesita cuplu de pornire mare.

Deoarece lipsesc elementele care sa limiteze curentul prin infasurari, aceasta metoda este utilizata pentru actionari ale sarcinilor cu inertie mare si cu timp de accelerare mare.

Avantaje: nu necesita investitii prea mari; comanda pornirii poate fi realizata si manual folosind un comutator pachet sau cu came in constructie speciala.

Dezavantaje: numarul treptelor de pornire este limitat la doua; metoda nu poate fi aplicata la motoare de putere mare.

Viteza motorului depinde de numarul de poli si de frecventa tensiunii de alimentare care sunt constante. De aceea motorul va functiona aproximativ in aceeasi viteza pentru amble moduri de conexiune.

Fig. nr. 14. Circuite de forta pentru pornirea prin stea - triunghi

In fig. nr. 14. sunt prezentate doua variante ale circuitului de forta pentru realizarea pornirii prin metoda stea - triunghi.

In ceea ce priveste figura urmatoare, pentru pornirea motorului se actioneaza butonul S2. In acest fel se alimenteaza bobina contactorului K1 care isi inchide contactele principale K1 din circuitul de forta. In acelasi timp este alimentata si bobina contactorului K3  care realizeaza conexiunea Y a infasurarilor statorice ale motorului. Dupa doua secunde de la pornire, se deschide contactul auxiliar temporizat K1 care duce la intreruperea alimentarii bobinei contactorului K3. Ca urmare se desface conexiunea Y. In acelasi timp se inchide si contactul auxiliar temporizat al contactorului K1 prin care se alimenteaza bobina contactorului K2 care realizeaza conexiunea stea. Se observa contactele normal inchise K3 si K2 din circuitele bobinelor K2 respectiv K3 cu rol de interblocare.

Fig. nr. 15 Schema de comanda pentru pornirea prin metoda stea - triunghi

In cazul in care contactorul K1 nu dispune de contacte auxiliare temporizate, se utiizeaza un releu de temporizare conform schemei din fig. nr. 16.

Fig. nr. 16. Schema de comanda pentru pornirea prin metoda stea - triunghi

Conexiunile infasurarilor motorului in etapele de pornire fara intreruperea circuitului de alimentare sunt prezentate in fig. nr. 17. Rezistoarele au rolul de a mentine continuitatea circuitului prin care sunt alimentate infasurarile motorului.

Fig. nr. 17. Configuratiile conexiunilor in cazul pornirii prin metoda stea - triunghi fara intreruperea circuitului de alimentare

Schema circuitului de forta pentru pornirea prin metoda stea - triunghi fara intreruperea circuitului de alimentare este data de fig. nr. 18 iar schema de comanda de fig. nr. 19.

Fig. nr. 18. Schema circuitului de forta pentru pornirea prin metoda stea - triunghi fara intreruperea circuitului de alimentare

Fig. nr. 19. Schema de comanda pentru circuitul din fig. nr. 18

In fig. nr. 20 este prezentata schema monofilara a circuitului de forta pentru pornirea prin metoda stea - triunghi si functionarea motorului asincron trifazat cu rotor in scurtcircuit in ambele sensuri de rotatie.

Contactoarele K1 si K2 asigura alimentarea motorului astfel incat acesta sa functioneze intr-un sens respective in celalalt sens de rotatie.

Fig. nr. 20. Schema monofilara pentru pornirea stea triunghi in ambele sensuri de rotatie

Fig. nr. 21. Schema de comanda pentru circuitul din fig. 20

Pentru pornirea motorului se poate utiliza unul dintre butoanele S2 sau S3 in sensul de rotatie dorit. Se observa si realizarea functiei de interblocare electrica prin introducerea contactelor K2 respectiv K1 pe circuitul de alimentare al bobinei contactorului K1 respectiv K2. Pentru trecerea de la conexiunea Y la conexiunea stea se utilizeaza, fie un contact auxiliar temporizat la 2s al contactorului K1, fie unul al contactorului K2, in functie de sensul de rotatie. Contactele K3 si K4 sunt utilizate pentru realizarea functiei de interblocare, pentru a nu permite alimentarea motorului avand realizata in acelasi timp conexiunea Y si conexiunea stea.

Fig. nr. 22 Scheme de comanda pentru circuitul din fig. nr. 21

In situatia in care contactoarele K3 si K4  dispun de contacte auxiliare temporizate, putem decala cu 0, 5 s realizarea conexiunii stea fata de desfacerea conexiunii Y. Acest lucru este util in cazul motoarelor de puteri mari la care deschiderea circuitului apare un arc electric important. In cazul in care contactoarele K1 si K2 nu dispun de contacte auxiliare temporizate, se utilizeaza un releu de temporizare.

Dupa identificarea elementelor de intrare si a elementelor de executie se intocmeste schema din fig. nr. 23. In plus protectia la suprasarcina este asigurata prin masurarea curentului cu ajutorul unui traductor cu effect Hall.

5. 1 Schema de comanda cu microcontroller

Fig. nr. 23. Schema de comanda cu microcontroller

Schema logica

Schema logica din fig. nr. 24 prezinta succesiunea secventelor asigurate si de schema clasica. Secventa de protectie la suprasarcina sau ramanerea in doua faze este tratata ca o procedura disticta care va fi tratata detaliat ulterior.

Fig. nr. 24 Schema logica pentru pornirea stea - triunghi functie de timp