1Capitolul I

GENERALITI PRIVIND MAINILE ISISTEMELE DE ACIONARE ELECTRIC

La 29 august 1831, Faraday public ntr-o form general calitativ i cantitativ, legea induciei elec-tromagnetice. ncepnd cu aceast dat, pn spre sfritul secolului, istoria mainilor electrice se confrunt cudescoperirea, dezvoltarea i perfecionarea diferitelor variante constructive de transformatoare i maini (de cu-rent continuu, asincrone i sincrone).

Pionier al mainilor electrice, maina de curent continuu a evoluat de la mainile elementare cu mag-nei permaneni i indus n form de inel, la maina cu excitaie independent i indus cilindric, ajungnd n ce-le din urm la maina cu autoexcitaie i colector perfecionat. nsuirea de baz a mainii de curent continuu,funcionnd n regim de motor, const n posibilitatea reglrii comode i n limite largi a turaiei, din care cauzse folosete n acionrile electrice care necesit modificarea vitezei ntr-un domeniu extins.

Regimurile de funcionare, frecvent utilizate la toate tipurile de maini, sunt: de generator, de motor,iar la maina de curent continuu i la maina asincron se utilizeaz i regimul de frn electromagnetic impusde sensul de circulaie a energiei. Maina asincron este larg utilizat ca motor, iar maina sincron se foloseteca generator n centralele electrice, ambele categorii fiind construite pentru diverse puteri, tensiuni i cureni.

Apariia mainilor electrice de curent alternativ, determinat de dezvoltarea producerii, transportului idistribuiei energiei electrice n curent alternativ i n special apariia motoarelor asincrone, a determinat depla-sarea interesului ctre acestea, cunoscut fiind faptul c motoarele asincrone sunt mai uor de construit i de ex-ploatat.

Susinut de dezvoltarea electronicii de putere, utilizarea motoarelor asincrone comandate prin conver-toare de frecven n acionrile cu vitez reglabil, tinde s micoreze interesul acordat mainilor de curentcontinuu n acest domeniu. Motoarele sincrone cu comutaie static au ctigat teren n acionrile cu vitezreglabil. Limita de putere pentru care se construiesc aceste motoare este ridicat ( de exemplu, la mori de ci-ment se utilizeaz motoare de 6,4 MW la 5,5 Hz eliminndu-se reductorul din acionare).

1.1. LEGI DE BAZ I NOIUNI GENERALE N MAINILEELECTRICE

Comportarea mainilor electrice este guvernat de legile generale ale electrotehnicii i mecanicii; cu-noaterea acestor legi permite o nelegere corect a funcionrii mainilor electrice i servete la realizarea unormodele matematice pe baza crora s se determine uor caracteristicile i performanele acestora.

n continuare se prezint cele mai importante legi din electrotehnic utilizate cel mai des n studiul ma-inilor electrice [22].

1.1.1. LEGEA CIRCUITULUI MAGNETIC

Circulaia intensitii cmpului magnetic de-a lungul unui contur nchis poart numele de tensiunemagnetomotoare. Tensiunea magnetomotoare se definete deci prin integrala curbilinie ds ,ds H fiind un e-lement orientat de arc al conturului , conform figurii 1.1.

n situaia n care cmpul electric nu variaz n timp i se consider numai conductoare filiformeparcurse de cureni de conducie i, legea circuitului magnetic se scrie sub forma :

(1.1),idsH

s =

magcuv

esteoare

n cindu

inte

n clitat

F

tens= f(glijerialeconopu2

n care suma se refer la curenii de conducie care intersecteaz o suprafaoarecare S care se sprijin pe conturul . Suma se numete uneori curent total deconducie.

1.1.2. LEGEA FLUXULUI MAGNETIC

Conform legii fluxului magnetic, fluxul magnetic pe orice suprafanchis este nul, adic:

(1.2)

Se numete flux magnetic integrala de suprafa a vectorului inducieinetice B corespunztor unei suprafee oarecare S care se sprijin pe conturul : dA B S . Cu alte

inte, liniile de cmp ale vectorului inducie cmp magnetic sunt totdeauna curbe nchise.

1.1.3. LEGEA INDUCIEI ELECTROMAGNETICE

Conform legii induciei electromagnetice, tensiunea electromotoare indus de-a lungul unui contur egal i de semn contrar cu viteza de variaie n timp a fluxului magnetic care corespunde unei suprafeecare care se sprijin pe conturul .

(1.3)

Dac variaia fluxului magnetic are loc prin variaia n timp a induciei, simultan cu micarea corpurilormp, atunci tensiunea electromotoare indus va conine doi termeni: t.e.m. indus transformatoric i t.e.ms de micare:

(1.4)

1.1.4. LEGEA LEGTURII DINTRE INDUCIE I INTENSITATEA CMPULUIMAGNETIC. CIRCUIT MAGNETIC.

ntr-un mediu liniar i izotrop din punct de vedere magnetic, inducia magnetic este proporional cunsitatea cmpului magnetic i ambele au aceeai orientare. Deci:

(1.5)are coeficientul de proporionalitate denumit permeabilitate magnetic este o mrime scalar. Permeabi-ea magnetic difer de la material la material.

ig. 1.2. Caracteristica de magnetizare la materiale Fig. 1.3. Exemple de circuite magnetice. feromagnetice.

Materialele feromagnetice reprezint o clas de materiale cu permeabilitate dependent de valoarea in-itii cmpului magnetic dup o curb de histerezis (Fig. 1.2.a). Aceste materiale au deci o caracteristic BH) neliniar. Aceast caracteristic poate fi aproximat n unele cazuri printr-o curb (Fig. 1.2.b) care ne-az histerezisul i pune n eviden numai fenomenul de saturaie. n lipsa saturaiei, permeabilitatea mate-lor feromagnetice este de mii i zeci de mii de ori mai mare dect a aerului. Din acest considerent se trage

cluzia c permeabilitatea n circuitul feromagnetic este practic nul. Reluctana unui circuit magnetic care sene la trecerea fluxului este definit prin relaia:

(1.6)

Fig. 1.1. Asociereasensurilor pozitive lalegea circuitului mag- netic.

= .0dAB

.dt

d - = e

.ds)Bv(dAtB- = e

s +

,H = B

.A

= !

3Circuitul magnetic reprezint un ansamblu de corpuri feromagnetice (Fig.1.3, a i b) n contact directsau prin intermediul unor ntrefieruri (spaii de aer) de surse de magnetizare (excitaie). Sursele de magnetizarepot fi magnei permaneni sau bobine [22] strbtute de cureni i plasate pe circuitele feromagnetice.

1.1.5. INDUCTIVITI PROPRII I MUTUALE

Dac se consider o bobin situat pe un circuit feromagnetic i cu w spire (Fig. 1.4, a), bobina fiindparcurs de curentul i, se numete inductivitate proprie L, definit prin relaia:

(1.7)

raportul dintre fluxul magnetic corespunztor unei suprafee S(Fig. 1.4-a) care se sprijin pe curba nchis (urmrind conducto-rul bobinei de-a lungul celor w spire din care este compus) i cu-rentul i care produce acest flux strbtnd bobina. Conturul se n-chide n exterior ntre bornele de acces.

Dac curentul i este variabil, atunci n bobin se induce ot.e.m. numit tensiune electromotoare de autoinducie a crei expre-sie este:

(1.8)

Cnd inductivitatea L este o mrime constant atunci relaia (1.8) devine:

(1.9)

Dac se consider dou bobine apropiate, atunci o parte din fluxul produs de prima bobin se nlnuiecu spirele celeilalte bobine. Se spune c bobinele sunt cuplate magnetic. Notnd cu S12 fluxul magnetic pro-dus de curentul i2 n lungul unui contur 12 ce urmrete conturul din care este confecionat prima bobin i senchide ntre bornele sale de acces (Fig.1.4, b), atunci se numete inductivitate mutual L12 a bobinei 1 n raportcu bobina 2 raportul dintre S12 i i2, deci:

(1.10)

Se constat c o parte din fluxul produs de a doua bobin, parcurs de curentul i2 se nchide n jurulconturului 21 constituind fluxul de dispersie sau de scpri de care nu se ine cont la cuplajul magnetic. n modanalog, inductivitatea mutual L21 a bobinei 2 n raport cu bobina 1 este:

(1.11)

n situaia n care cei doi cureni sunt variabili n timp sau dac se modific n timp poziia celor doubobine, n ambele bobine se induc t.e.m. datorit cuplajului magnetic a cror expresii sunt date de relaiile:

(1.12)

(1.13)

Aceste t.e.m. sunt produse prin inducie mutual ntre bobinele 1 i 2 i se adun algebric cu t.e.m. au-toinduse.

1.1.6. CONVENII DE ASOCIERE A SENSURILOR DE REFERIN

Scrierea ecuaiilor care rezult din aplicarea legilor electromagnetismului implic stabilirea unor regulide asociere a sensurilor de referin pentru anumite mrimi care intervin n ecuaii, scheme echivalente i dia-grame fazoriale. Se adopt convenia de sensuri pozitive pentru regimurile de generator i receptor la circuiteleelectrice din figurile 1.5.a i 1.5.b n care au fost scrise i ecuaiile de tensiuni corespunztoare. Se precizeazc, n prezent, n studiul mainilor electrice i transformatoarelor unii autori adopt frecvent numai conveniapentru regimul de funcionare ca receptor (pentru toate circuitele) conform figurii 1.5.c n care se noteaz cu ui= d/dt tensiunea corespunztoare t.e.m. induse.

,i

= L S

Fig. 1.4. Exemple de bobine. .dt

d(Li) - = dtd

- = e S

.dtdi L - = e

.i

= L

2

S112

.i

= L1

S221

.dt

)i Ld( - = dtd - = e 212S112

.dt

)i Ld( - = dtd - = e 121S221

4Fig. 1.5. Convenia de sensuri pozitive pentru circuite electrice.

O alt convenie este legat de sensul de succesiune al fazorilor ntr-un sistem polifazat direct care estesensul orar sau sensul antiorar pentru care sistemul este considerat de succesiune invers.

1.2. MATERIALE ELECTROTEHNICE UTILIZATE N CONSTRUCIAMAINILOR ELECTRICE

Materialele utilizate n construcia mainilor electrice i transformatoarelor pot fi grupate n trei catego-rii:

- materiale active, compuse din materiale magnetice i conductoare electrice (materialele magneticeservesc la construcia circuitului magnetic prin care se nchid liniile de cmp ale fluxului util iarconductoarele electrice servesc la realizarea nfurrilor prin care se stabilesc curenii electrici);

- materiale electroizolante, folosite pentru asigurarea izolaiei nfurrilor fa de prileconstructive metalice;

- materiale constructive, folosite la susinerea i consolidarea materialelor active i izolante precumi la transmiterea cuplurilor mecanice.

1.2.1. MATERIALE ACTIVE

Materialele active mpreun cu materialele electroizolante constituie grupa materialelor electrotehnicefolosite n construcia mainilor electrice.

Principalele materiale active utilizate n construcia transformatoarelor i mainilor electrice sunt con-ductoarele electrice i materialele magnetice.

Conductoarele electrice sunt materiale de mic rezistivitate, n principal cupru i aluminiu. Pentruconfecionarea bobinelor nfurrilor mainilor i transformatoarelor se folosete cupru de nalt puritate (CuE cupru rafinat electrotehnic cu 99,95 % Cu sau 99,5% Cu). Pentru nfurrile transformatoarelor (cu puteripn la 10 MVA) i pentru nfurrile n colivie ale motoarelor asincrone se utilizeaz aluminiu de naltpuritate ( AlE - aluminiu electrotehnic ) avnd minimum 99,5 % aluminiu. Att conductoarele din cupru ct icele din aluminiu se confecioneaz n profile rotunde i dreptunghiulare cu dimensiuni standardizate. Acestease gsesc n tabele prezentate n literatura de specialitate. Alama este folosit la construcia nfurrilor ncolivie i a bornelor.

Colectoarele i inelele colectoare constituie subansamble ce permit mpreun cu periile accesul la cir-cuitele mobile i racordarea acestora la borne fixe. Periile sunt realizate din material conductor n general pe ba-z de grafit, care asigur frecri i uzuri mai reduse. La trecerea curentului prin contactul alunector perie-co-lector, are loc o cdere de tensiune U, care se repartizeaz n lungul periei i pe suprafaa de contact. Cea maimare parte a cderii de tensiune este repartizat la contactul perie-colector. La maini de c.c. obinuite se utili-zeaz perii din crbune electrografitizat cu U = 1V, iar la cele de cu-rent alternativ perii tari cu U = (1,2 -1,5)V. Cderea de tensiune la contactul perie-colector depinde de calitatea periilor. Periile utilizate n construc-ia mainilor electrice sunt realizate din crbune grafitizat n diferite proporii.

n construcia circuitului magnetic al transformatoarelor i mainilor electrice se folosesc materiale fe-romagnetice: oelul electrotehnic i magneii permaneni. Oelul electrotehnic cu un coninut redus de carbon,sub 0,1%, se folosete sub form masiv sau sub form de tabl de 0,1....2 mm grosime. Oelul masiv prelucratprin forjare sau laminare se folosete n construcia polilor inductori masivi i a jugurilor n care cmpul magne-

5tic principal este constant. n construcia miezului feromagnetic pentru mainile electrice de puteri medii i marise folosesc tole din oel electrotehnic normal aliat de 0,5 mm grosime, laminate la cald sau la rece.

Pentru construcia mainilor electrice mici se folosete tola de 0,5 mm grosime din oel electrotehnicslab aliat cu (0,4....8%), iar pentru construcia mainilor speciale de nalt frecven se folosete tola de 0,2 mmgrosime.

n construcia transformatoarelor electrice se folosete tola din oel electrotehnic puternic aliat(2,9....3,4 % Si ) de 0,35 mm grosime, laminat la rece. Pentru aceste tole se garanteaz valorile pierderilor la50 Hz corespunztoare induciilor de 1T i 1.7T (p10/50 i p17/50 ), iar pentru mainile rotative se garanteaz pier-derile p10/50 i p15/50 corespunztoare induciilor de 1T i 1,5T.

Pentru realizarea polilor inductori de la mainile de curent continuu i mainile sincrone cu poli apa-reni se utilizeaz, din considerente tehnologice, tabl silicioas de 1-2 mm grosime slab aliat.

La miezurile confecionate din tole se folosete ca element caracteristic factorul de umplere kFe< 1, ca-re reprezint raportul dintre lungimea total efectiv a fierului din pachetul de tole i lungimea total geometri-c a pachetului de tole i a crui valoare depinde de grosimea tolelor.

Pentru construcia polilor din magnei permaneni se folosesc materiale magnetice dure, caracterizateprintr-o valoare mare a cmpului coercitiv, sau materiale cu ciclu de histererezis cu suprafaa mrit pentruconstrucia motoarelor cu histerezis.

Caracteristicile fizice ale materialelor active influeneaz pierderile electrice, nclzirea i randamentulunei maini. n plus aceste materiale sunt solicitate din punct de vedere mecanic, deci trebuie s aib proprieticorespunztoare.

1.2.2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE

Materialele electroizolante folosite n construcia mainilor i transformatoarelor trebuie s ndeplineas-c mai multe condiii: conductivitate termic ridicat, rigiditate dielectric mare, bune proprieti mecanice ide prelucrare, s fie stabile din punct de vedere chimic i s corespund condiiilor de funcionare. Acest lucruse datoreaz faptului c materialele electroizolante utilizate n construcia transformatoarelor i mainilor elec-trice sunt solicitate electric, termic i mecanic. n cazul nfurrilor realizate din conductoare, este necesarizolaie ntre conductoare i fa de miezul feromagnetic.

O caracteristic a materialului electroizolant o constituie temperatura la care maina poate funcionatimp ndelungat fr a se produce modificarea caracteristicilor electrice i mecanice, numit temperatur admi-sibil, funcie de care se definesc clasele de izolaie:

- Clasa Y cuprinde: bumbac, hrtie, cauciuc natural, fire de celuloz, carton electrotehnic, clorur depolivinil i are limita de temperatur 90o C.

- Clasa A cuprinde materiale din clasa Y impregnate ntr-un lac pe baz de rini naturale, n uleiurisau lacuri poliamidice i are limita de temperatur 105o C.

- Clasa E cuprinde emailuri, rini de turnare epoxidice, poliesterice, mase bituminoase, altemateriale sintetice i are temperatura limit 120o C.

- Clasa B cuprinde: materiale electroizolante fabricate pe baz de mic, aspect, mtase de sticl,folosindu-se ca liani i mase de compundare, lacuri organice, rini termostabile, mase plastice curini sintetice i are temperatura limit 130o C.

- Clasa F cuprinde materiale confecionate pe baz de mic, asbest, rini sintetice, liani i mase decompundare pe baz de siliconi. Nu se pot folosi materiale pe baz de celuloz sau mtase. Limitade temperatur admis este 155o C.

- Clasa H cuprinde materiale neorganice (mic, asbest, sticl, avnd ca mas de legtur substanepe baz de siliconi, rini sintetice i are limita de temperatur 180o C.

- Clasa C cuprinde materiale din mic, mtase din sticl, ceramic cu liani i mase de umplere idurificare sintetic cu limita de temperatur de 180o C.

Prin materialele electroizolante se transmite cldura de la prile active ale mainii la agentul de rcire;dac sunt supuse la nclziri peste limita admis de clasa de izolaie, materialele electroizolante i modific ntimp caracteristicile electrice i mecanice prin fenomenul de mbtrnire termic. O mrire a temperaturii defuncionare cu 8o C la clasa de izolaie A, cu 10 oC la clasa B i cu 12o C la clasa H reduce durata de via la ju-mtate.

Caracteristicile fizice ale materialelor electroizolante determin fiabilitatea i durata de via a transfor-matoarelor i mainilor.

La mainile electrice moderne se realizeaz utilizarea maxim a materialelor din toate punctele de ve-dere, deci i izolaia lucreaz aproape de temperatura limit admisibil. Un rol nsemnat n reducerea nclzirii,deci n mbuntirea utilizrii materialelor l are sistemul de rcire adoptat i eficiena lui.

61.2.3. MATERIALE CONSTRUCTIVE

Materialele constructive care se utilizeaz n construcia transformatoarelor i mainilor electrice sunt:oelul, fonta, oelul nemagnetic, aliaje de aluminiu, materiale izolante sub form de plci i benzi. Toate acestemateriale servesc la confecionarea carcasei i scuturilor, lagrelor i axului, ventilatorului, pieselor de consoli-dare i susinere, plcuii indicatoare, cutiei de borne etc. Geometria pieselor este determinat de solicitrile me-canice la care sunt supuse n timpul funcionrii. Unele din materialele constructive au i un rol activ n func-ionare (carcasa mainii de curent continuu face parte din circuitul magnetic); n acest scop, materialele folositetrebuie s aib proprieti mecanice i magnetice deosebite.

GENERALITATI PRIVIND MASINILE SISISTEMELE DE ACTIONARE ELECTRICA1.1. LEGI DE BAZA SI NOTIUNI GENERALE N MASINILEELECTRICE1.1.1. LEGEA CIRCUITULUI MAGNETIC1.1.3. LEGEA INDUCTIEI ELECTROMAGNETICE1.1.4.LEGEA LEGATURII DINTRE INDUCTIE SI INTENSITATEA CMPULUIMAGNETIC. CIRCUIT MAGNETIC.1.1.5. INDUCTIVITATI PROPRII SI MUTUALE1.1.6. CONVENTII DE ASOCIERE A SENSURILOR DE REFERINTA

1.2. MATERIALE ELECTROTEHNICE UTILIZATE N CONSTRUCTIAMASINILOR ELECTRICE1.2.1. MATERIALE ACTIVE1.2.2. MATERIALE ELECTROIZOLANTE1.2.3. MATERIALE CONSTRUCTIVE