ME_Introducere [Compatibility Mode]

Inginerie Electrica 2014 1

CONVERTOARE ELECTROMECANICE

Conf. dr. ing. Leonard Marius MELCESCU

Universitatea POLITEHNICA din BucureştiDepartamentul Maşini, Materiale şi Acţionări Electrice


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVE

II. TRANSFORMATORUL ELECTRIC

III. MAŞINA DE CURENT CONTINUU

IV. MAŞINA SINCRONĂ

V. MAŞINA ASINCRONĂ



1. Bălă C., Maşini electrice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1982;

2. Moraru A., Masini electrice - Teorie, Incercari si Exploatare, Editura Agir, 2010;

3. Galan N., Maşini Electrice, Editura Academiei Romane, Bucureşti 2011;

4. Boldea I., Transformatoare si Maşini electrice, Editura Politehnica, Timisoara, 2009.

5. Pyrhonen, J., Jokinen T., Hrabovcova V., DESIGN OF ROTATING ELECTRICAL MACHINES, John Wiley & Sons, Ltd, 2008.

6. Boldea I., Synchronous Generators (The Electric Generators Handbook), CRC Taylor&Francisc Group, 2006.

7. Boldea I., Nasar S., The Induction Machine Handbook (Electric Power Engineering Series), CRC Taylor&Francisc Group, 2001.



Toate fenomenele din natură se desfăşoară conform primului principiu altermotehnicii (legea transformării şi conservării energiei):

“Energia nu apare şi nici nu dispare, ea se transformă dintr-o formă în alta, încantităţi echivalente”

sau formulat matematic:

“Variaţia energiei interne ΔWi a unui sistem fizic, la trecerea de la starea W1 lastarea W2 este egală cu suma dintre variaţia lucrului mecanic ΔL şi variaţiacantităţii de căldură ΔQ schimbată de sistem cu exteriorul”:

QWWWi Δ+Δ=−=Δ L12


Convertoarele electromecanice transforma energia electromagnetica inenergie mecanica sau lucru mecanic si invers.

Variaţia energiei electromagnetice:

( ) meV

meV

emem WWdvwwdvwW Δ+Δ=Δ+Δ=Δ=Δ ∫∫


2

2

0020

2

0

e

m

με1

ε21μ1

21

2121

EB

E

B

DE

BH

ww

===

2mBHw =

2eDEw =

HB 0μ=

Densitatea de energie înmagazinată în câmp electric:

Densitatea de energie înmagazinată în câmp magnetic:

Raportul dintre densitatea de energie a câmpului magnetic şi cea a câmpului electric in vid:

ED 0ε=





În condiţii tehnice normale, in vid (aer) se poate obţine:

o inducţie magnetică: ;T1=Bo intensitate maximă a câmpului electric: ;kV/cm30=E

487

49

2

2

37

9

2

2

00e

m 1010910

10109

10103010π4

109π41

1με1

=⋅⋅

⋅⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅⋅

== −

−

−−

EB

ww




.104

e

m =ww

Valoarea densităţii de volum a energiei din aer localizate în câmp magnetic este de 104 ori mare decât valoarea densităţii de energie localizate in câmp electric.

Un sistem de conversie electromecanică a energiei care funcţionează prin intermediul câmpului electric are un volum cu patru ordine de mărime mai mare decât un sistem similar care funcţionează pe baza câmpului magnetic.

De aceea sunt mai convenabile sistemele de conversie electromagnetică a energiei în care conversia se face prin intermediul câmpului magnetic.



Prin maşină electrica (convertor electromecanic) se înţelege orice dispozitiv capabil sa transforme puterea electrica in putere mecanica si invers sau care transforma parametrii energiei electrice (tensiune, curent electric, frecventa, număr de faze) prin intermediul unor dispozitive a căror funcţionare se bazează pe fenomenului inducţiei electromagnetice.



După tipul mişcării:- rotative; - liniare.

I.1. Definiţii. Clasificări



După tipul energiei electrice:• de curent continuu;• de curent alternativ:

- monofazate;- trifazate;- polifazate.

• universale: curent continuu & curent alternativ .




După nivelul tensiunii de funcţionare: • de joasa tensiune U < 500 V;• de medie tensiune U< 35 kV;• de inalta tensiune U> 35 kV;

După criteriul puterii:• micromasini P < 100 W;• mici P< 5 kW;• de putere medie P< 100….200 kW;• mari P< 10…50MW; (Vidraru 4 X 55 MW)• de puteri foarte mari < 1200 MW; (Cernavoda 2 x 700 MW )




După gradul de protecţie asupra pătrunderii corpurilor străine si a umezelii: • deschise;• protejate;• închise;

După viteza nominala de rotaţie: • lente n < 250 rot/min;• viteza mijlocie n < 1000 rot/min; • rapide n [1000, 6000] rot/min;• ultrarapide n > 6000 rot/min;


∈


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.2. Principiul de funcţionare al maşinilor electrice si transformatoarelor

Legea inducţiei electromagnetice:

rBvsBrE dddtd

tde

S

⋅×+⋅−=Φ

−=⋅= ∫∫∫ΓΓ

Γ

Γd

d S

( ) rBv ded ⋅×= ∫Γ

T.E.M. de statica sau de pulsaţie:

T.E.M. dinamica sau de mişcare:

∫Γ

⋅−=S

s ddtde sB


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.2. Principiul de funcţionare al maşinilor electrice si transformatoarelor Teorema Kirchhoff II

Riueee ds +=+= i⋅/

2Riuiieieei ds +=+=

Puterea electromagnetica asociata conturului Γ : ei

Puterea primita prin inducţie statica sau de transformare:

Puterea corespunzătoare conversiei puterii mecanice a forţelor exterioare (egale si de sens contrar forţei Laplace ) exercitate asupra conturului Γ:

.extemd dddidiie FvFvBrvrBv ∫∫∫∫ΓΓΓΓ

⋅=⋅−=×⋅⋅−=⋅×⋅=⋅

emext FF −=

∫Γ

⋅∂∂

−=S

s dt

iie sΒ




2Riuiieieei ds +=+=

Puterea electrica de la bornele circuitului:

uipe =

Fluxul de căldura dezvoltat prin efect Joule in rezistenta electrica a conductorului:

2RipJ =




2Riuiieieei ds +=+=

Puterea electromagnetica asociata conturului Γ, precum si componentele sale pot fi negative sau pozitive, după cum sensul curentului i coincide sau nu cu sensul tensiuni electromotoare e sau al componentelor sale es si ed.

Transformarea sau conversia energiei electromagnetice poate avea loc in ambele sensuri = principiul reversibilităţii maşinilor electrice.




2Riuiieieei ds +=+=

Daca conturul Γ este generator (ei > 0) iar circuitul exterior receptor (ui > 0)puterea electrica utila:

.2Rieipppp Jemue −=−==

Daca conturul Γ este receptor (ei < 0) iar circuitul exterior generator (ui < 0)puterea electromagnetica utila:

.2Riuipppp Jeuem −=−==


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.3. Elemente constructive de baza ale maşinilor electrice

Din punct de vedere al fenomenelor electromagnetice asociate conversiei electromecanice a energiei o maşina electrica are doua componente: inductorul si indusul.

Din punct de vedere cinematic o maşina electrica are doua componente: stator si rotor.

Din punct de vedere funcţional o maşina electrica este alcătuita din următoarele sisteme:

- Sistemul magnetic;- Sistemul electric;- Sistemul mecanic;- Sistemul de răcire;- Sistemul de măsurare, reglare si protecţie;



Sistemul magnetic – miez feromagnetic continuu realizat din cadre in cazul transformatoarelor si din doua componente de forma mai complexa (armături) separate de un întrefier in cazul maşinilor rotative. Miezurile se realizează din tole de otel electrotehnic de 0,35 ... 0,5 sau 1 mm grosime.



Sistemul electric – una sau mai multe înfăşurări izolate intre ele, unele fata de altele si fata de celelalte sisteme ale maşinii. Înfăşurările sunt poziţionate astfel încât sa îmbrăţişeze miezul magnetic al transformatoarelor, respectiv introduse in crestaturi, dispuse la periferia dinspre întrefier a armăturilor.



Sistemul mecanic – cuprinde toate componentele maşinii care trebuie sa asigure rigiditatea acesteia, posibilităţile de transport si de ridicare. La maşinile rotative sistemul mecanic este alcătuit dintr-un arbore (ax) pe care este dispus rotorul, lagăre, scuturi (port-lagăre) si carcasa.



Sistemul de răcire – este alcătuit dintr-un sistem de canale prin care circula agentul de răcire (apa, aer, ulei, hidrogen) forţat prin presiunea creata de ventilatoare sau prin convecţie libera.


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.4. Materiale folosite in construcţia maşinilor electrice si transformatoarelor

Materiale constructive – folosite pentru preluarea si transmiterea eforturilor mecanice, respectiv la consolidarea întregii construcţii: fonta, otel, aluminiu, alte aliaje neferoase, plastic.

Materiale active – folosite pentru crearea condiţiilor de desfăşurare a a proceselor electromagnetice: materiale magnetice si materiale conductoare.

Materiale izolante – pentru izolarea parţilor electroconductoare ale maşinilor si transformatoarelor intre ele si fata de celelalte componente.



a. materiale magnetice moi;b. materiale magnetice dure.

Liniarizarea caracteristicii de magnetizare:a) în punctul de funcţionare; b) caracteristica ideală.

Materiale magnetice: otel electrotehnic, otelul forjat sau laminat, oteluri speciale (aliate cu Ni).




a. circuit magnetic masiv; b. circuit magnetic lamelar.

HFFe PPP +=

,

,

2 fBp

dpP

feHH

HH

α=

= ∫V

V

22

,

fBp

dpP

feFF

TF

α=

= ∫V

V




Utilizare Tip Grosime Pierderi specifice la 1 T si 50 Hz

Pierderi specifice la 1.5 T si 50 Hz

[mm] [W/kg] [W/kg]

Transformatoare de puteri mici Laminate la cald 0,35 ... 0,50 1,2...1,5 2,8 ... 3,4

Transformatoare de puteri mijlocii si mari

Laminate la rece (texturate) 0,30 ... 0,35 1,1 ... 1,2

Maşini electrice de puteri mici

Laminate la cald slab aliate cu Si (0,4...0,8 %)

0,50 3...3,6

Maşini electrice de puteri medii si mari

Laminate la cald, mediu aliate cu Si (1,8...2,3%)

0,50 2...2,4



Materiale electroconductoare: - conductoare filiforme din cupru, aluminiu izolate cu bumbac, hârtie, fibra de

sticla sau email.- conductoare masive din aliaje ale aluminiului sau cuprului (alama, bronz

fosforos) pentru coliviile maşinilor asincrone;- sub forma de perii din grafit natural, grafit artificial (electrografit) sau pulberi

metalo-grafitice sinterizate.



Materiale electroizolante – determina in cea mai mare măsura siguranţa in funcţionare a maşinii electrice respective. Materialele izolante trebuie sa aibă o rigiditate dielectrica ridicata, conductivitate termica mare, stabilitate chimica, rezistenta la umiditate si rezistenta mecanica.

Materialele electroizolante se împart in 7 clase de stabilitate termica:- 90°C; - 105°C; - 120°C; - 130°C; - 155°C; - 180°C; - > 180°C.


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.5. Regimuri de funcţionare. Mărimi nominale

Regimul de funcţionare pentru care este destinata (proiectata) maşina electrica sau transformatorul se numeşte regim nominal de funcţionare, care este caracterizat prin mărimile înscrise de producător pe plăcuta indicatoare (eticheta) maşinii. Acestea se numesc mărimi nominale.

Mărimile nominale pot fi: puteri, tensiuni, curenţi electrici, viteza de rotaţie.

Puterea nominala este definita astfel:- reprezintă puterea electrica la borne in regimul nominal al generatorului;- reprezintă puterea mecanica la arbore in regimul nominal al motorului;- reprezintă puterea aparenta la bornele primare in regimul nominal al

transformatorului.


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.6. Încălzirea si răcirea maşinilor si transformatoarelor

Transformarea sau conversia electromecanica a energiei este însoţita de apariţia unor pierderi. Acestea sunt prin efect Joule in conductoare si prin curenţi turbionari (curenţi Foucault) si histerezis in miezurile magnetice.

Nivelul pierderilor este relativ mic in comparaţie cu puterea nominala si acestea determina randamentul maşinii electrice cat si dimensiunile constructive ale acesteia.

Suprafaţa exterioara a maşinii trebuie sa asigure evacuarea căldurii degajata de către pierderi astfel încât temperatura maxima din interior sa nu depăşească temperatura admisă, corespunzătoare clasei de izolaţie a materialelor izolatoare folosite.


În practică se utilizează o relaţie empirică pentru aprecierea duratei de viaţă a unei maşini electrice, în cazul funcţionării pe o perioadă îndelungată cu supratemperatura Δθ faţă de temperatura impusă de clasa de izolaţie:

unde Cv reprezintă durata de viaţă la funcţionarea în limitele impuse de clasa de izolaţie.

În cazul utilizării timp îndelungat a unei maşini electrice la o sarcină care determină o supratemperatură de Δθ = 9° faţă de temperatura admisă de clasa de izolaţie, durata de viaţă a acesteia se reduce la jumătate din durata normală de viaţă.

I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.6. Încălzirea si răcirea maşinilor si transformatoarelor

θΔ⋅−= 077,0eCc vv


I. NOŢIUNI INTRODUCTIVEI.7. Convenţii de asociere a sensurilor de referinţa

i

u

i

u

Generatoare Motoare Transformatoare

Viteze unghiulare Succesiunea directa a unui sistem polifazat

1

2

3

Documents

ME_Introducere [Compatibility Mode]