Solutie tehnica pentru actionari electrice

Solutia tehnica pentru actionari electrice se refera la o masina electrica asincrona multifunctionala, capabila sa execute diverse miscari,de la rotatie si translatie, la miscari compuse de tipul celor elicoidale, care este utilizata cu precadere ca motor electric in domeniul actionarilor electrice, dar si ca frana electromagnetica sau chiar ca generator electric.

In prezent este cunoscut motorul electric asincron cu camp magnetic invartitor care, desi are o constructie mai simpla decat cel sincron si permite reglarea turatiei, nu poate executa decat miscari de rotatie , fapt care limiteaza gama de utilizari a acestuia. In brevetul FR2606225 este prezentata o masina electrica cu dublu intrefier, alcatuita, in principal, din stator, rotor si un ecran cilindric intermediar, pe care sunt dispuse , in diverse variante constructive , infasurarile polifazate pentru campuri magnetice de tip invartitor, care, desi are o putere masica imbunatatita, partea mobila nu asigura decat miscari de rotatie. Pentru a executa miscari de translatie, in tehnica actuala a actionarilor electrice sunt utilizate masini asincrone liniare care,la puteri egale, au randamentul si factorul de putere mai mici decat parametrii corespunzatori ai masinilor rotative.Solutia tehnica propusa elimina aceste dezavantaje prin aceea ca masina electrica asincrona multifunctionala este prevazuta cu un rotor intermediar de tip cilindru gol cu ambele fete in scurtcircuit,dispus coaxial intre statorul exterior pe care se afla infasurarea polifazata pentru campul magnetic rotitor si statorul interior pe care se afla infasurarea polifazata care asigura un camp magnetic progresiv de translatie longitudinala pe directia succesiunii fazelor.

Se da in continuare un exemplu de realizare a solutiei tehnice, in legatura cu figura 1, care reprezinta o sectiune printr-o masina electrica asincrona multifunctionala.

Masina electrica asincrona prototip se compune , in principal, dintr-un stator exterior 2, un stator interior 4 si un rotor intermediar 1, care sunt dispuse coaxial. Statorul exterior 2 si rotorul 1 sunt de tip cilindru gol, iar statorul interior 4 este de forma unui cilindru plin. Campul magnetic invartitor este generat de infasurarea electrica trifazata 3, dispusa in crestaturile practicate pe fata interioara a statorului 2, iar campul magnetic progresiv de translatie longitudinala este produs de infasurarea trifazata 5, dispusa in crestaturile practicate pe suprafata laterala a statorului 4. Rotorul intermediar 1 are ambele fete in scurtcircuit, de tip colivie de veverita pentru fata exterioara, respectiv un ansamblu de inele conductoare paralele si echidistante pentru fata interioara. Infasurarile trifazate 3 si 5 -cu rol de circuite electrice- sunt realizate din sarma de cupru izolata cu lac, iar suporturile feromagnetice 2 si 4, care constituie circuitele magnetice, precum si rotorul intermediar 1 sunt realizate din tole de otel electrotehnic laminate la rece si izolate cu lac, pentru a micsora pierderile prin efect histerezis si curenti turbionari.

Din punct de vedere structural si functional, masina asincrona multifunctionala este o combinatie dintre o masina electrica asincrona rotativa (subansamblul 1 si 2) si o noua varianta constructiva de masina asincrona cu actiune liniara (subansamblul 1 si 4) cuplate intre ele prin intermediul partii mobile comune.

In regim de motor, masina asincrona multifunctionala preia puterea electrica de la reteaua de alimentare, pe care o transforma in putere mecanica prin intermediul fortelor de interactiune dintre campurile magnetice produse de curentii trifazati din infasurarile statorice si curentii indusi in conductoarele rotorului.

Mai departe se prezinta doar structura si modul de functionare pentru subansamblul format din rotorul 1 si statorul 4, deoarece masinile electrice asincrone rotative sunt binecunoscute la nivelul tehnicii actuale, din lucrarile de specialitate pentru actionari electrice.

Infasurarea trifazata 5 este formata din bobine circulare, dispuse paralel si echidistant pe statorul 4, in crestaturile practicate pe suprafata laterala a acestuia. Bobinajele pentru fiecare faza a tensiunii de alimentare sunt formate din bobine legate in serie si infasurate alternativ, cand intr-un sens cand in altul. Capetele de inceput ale infasurarilor de faza sunt legate separat la bornele exterioare A, B si C, iar capetele de sfarsit suntlegate impreuna la borna O de nul. Alimentarea cu energie electrica de la reteaua trifazata de curent alternativ se poate face in montaj stea sau in montaj triunghi. Curentii electrici din infasurarea trifazata 5 produc un camp magnetic progresiv de translatie pe directie longitudinala, a carui inductie magnetica in intrefier se poate aproxima prin relatia

, unde simbolurile utilizate au urmatoarele semnificatii :

B_m-valoarea maxima sau amplitudinea inductiei magnetice ,-pulsatia curentului alternativ, x-coordonata punctului curent pe o axa de referinta longitudinala,
d-distanta dintre doua puncte succesive, pe directie longitudinala, in care vectorul inductie magnetica oscileaza in faza.

Inductia magnetica este o marime dublu periodica-in timp cu perioada , in spatiu cu perioada d care, in cazul prezentat , coincide cu distanta pe care sun dispuse sase bobine circulare consecutive, cate doua bobine - cu sens opus de infasurare - pentru fiecare faza.

Punctele in care vectorul inductie magnetica are faza constanta, verifica relatia

constant

Prin derivarea relatiei precedente in raport cu timpul se obtine viteza de translatie a campului magnetic

v

Campul magnetic variabil produs de infasurarea trifazata 5 induce in inelele conductoare ale partii mobile 1 tensiuni electromotoare alternative proportionale cu viteza de variatie a fluxului magnetic prin suprafetele delimitate de inele .

Campurile magnetice, inductor si indus, interactioneaza intre ele prin forte electromagnetice a caror rezultanta are o componenta longitudinala nenula, care asigura miscarea de translatie a partii mobile 1 a masinii asincrone multifunctionale. Miscarea de rotatie a partii mobile 1 este asigurata de cuplul fortelor de interactiune dintre campul magnetic rotitor produs de infasurarea trifazata 3 si campul magnetic produs de curentii indusi in conductoarele circuitului electric de tip colivie de veverita. Este usor de inteles, pe baza legii inductiei electromagnetice si a principiului suprapunerii efectelor, actiunile independente ale campurilor magnetice produse de infasurarilor trifazate 3 si 5 asupra fetelor in scurtcircuit ale rotorului intermediar. Campul magnetic invartitor produs de infasurarea trifazata 3 are liniile de camp dispuse normal pe suprafatele marginite de conductoarele coliviei de veverita din vecinatatea sa, in care induce curenti electrici intensi, fortele de interactiune, care dau nastere cuplului motor, sunt perpendiculare pe axa de rotatie, spre deosebire de campul magnetic de translatie produs de infasurarea trifazata 5, care induce curenti electrici intensi doar in inelele conductoare ale partii mobile 1, suprafata acestora fiind preponderent strabatuta de liniile de camp, fortele de interactiune au, in acest caz, o componenta paralela cu axa de rotatie, care asigura miscarea de translatie. Altfel spus, campul magnetic rotitor si campul magnetic de translatie,avand liniile de camp perpendiculare,vor actiona prin forte perpendiculare asupra partii mobile, care are conductoarele coliviei de veverita dispuse normal pe planele inelelor conductoare. Prin compunerea miscarii de translatie cu cea de rotatie se obtine o miscare rezultanta a partii mobile 1 de tip elicoidal .O alta varianta constructiva a masinii electrice multifunctionale se obtine prin schimbarea reciproca a pozitiilor infasurarilor 3 si 5, caz in care fata laterala exterioara a partii mobile 1este prevazuta cu inele conductoare iar fata interioara este prevazuta cu un circuit electric de tip colivie de veverita. Chiar si partea mobila 1, cu ambele fete in scurtcircuit, se poate inlocui cu un rotor avand montate pe fete magneti permanenti sau piese feromagnetice care asigura o reluctanta variabila, forma acestora fiind adaptata tipului infasurarii polifazate cu care se invecineaza. Pentru evitarea suprasarcinilor electrice si a socurilor mecanice,pornirea motoarelor asincrone cu rotorul in scurtcircuit se poate face prin conectare directa la retea, numai pentru puteri mici, iar la puteri mai mari de 10 kW, pornirea se face prin intermediul unor autotransformatoare, a unor comutatoare stea-triunghi sau a unor bobine legate in serie cu infasurarile trifazate statorice.

Reglarea turatiei si a vitezei de deplasare longitudinala a partii mobile 1 se poate face prin variatia amplitudinii si a frecventei tensiunilor aplicate la bornele infasurarilor 3 si 5, cu ajutorul unor reostate, respectiv a unor convertizoare de frecventa.

Miscarea alternativa a partii mobile 4 se poate obtine cu ajutorul unor comutatoare electronice tripolare - pentru schimbarea ordinii succesiunii fazelor - sau chiar prin utilizarea unor statoare care prezinta sectoare simetrice cu inversiune in ordinea succesiunii fazelor.

Pentru producerea unor turatii mari se poate utiliza o varianta modificata a motorului asincron, in care rotorul intermediar 1 este prevazut pe ambele fete cu circuite electrice de tip colivie de veverita, iar statorul 4 si bobina 5 sunt inlocuite printr-un rotor interior pe care se afla o infasurare trifazata pentru generarea celui de-al doilea camp rotitor. In acest caz, efectul global este cumulativ daca cele doua campuri rotitoare determina acelasi sens de miscare a rotorului interior.
Masinile electrice asincrone multifunctionale sunt reversibile, vitezele de rotatie si de translatie-numite si viteze de sincronism-ale campurilor magnetice rotitoare respectiv progresive reprezinta valori limita pentru trecerea de la regimul de motor la regimul de generator si reciproc. In regim de motor, vitezele de rotatie si de translatie ale partii mobile 1 sunt mai mici decat vitezele corespunzatoare de sincronism, iar prin depasirea acestor valori de prag se trece la regimul de generator electric. Franarea motoarelor asincrone se poate realiza, nu numai prin trecerea in regim de generator cu recuperare de energie cand se induc curenti care creeaza un cuplu rezistent, ci si prin conectare inversa sau chiar prin injectie de curent continuu.

Exista diverse variante constructive pentru masinile electrice asincrone care difera prin numarul fazelor si modul de dispunere al circuitelor electrice, precum si prin dimensiunile si natura materialelor din care sunt fabricate partile componente. Este usor de imaginat un moitor electric multifunctional de tip pas cu pas.

Motoarele asincrone multifunctionale sunt deosebit de utile in robotica, si in general in domeniul automatizarii, ca elemente de executie in sistemele de reglare automata. Prin asociere cu calculatoare de proces, se pot realiza sisteme automate care pot indeplini functii complexe.