Energia- Potențialul care determină schimbări [304854]

INTRODUCERE

Energia- “Potențialul care determină schimbări”

Energia reprezintǎ [anonimizat]ǎ mǎrimi fundamentale ce caracterizeazǎ Universul care ne ȋnconjoarǎ. [anonimizat]ǎ capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic la trecerea din starea sa într-o altă stare aleasă ca stare de referință. Condiția necesară pentru analiza sistemelor energetice și a proceselor energetice o constituie ȋnțelegerea corectă a noțiunii de energie.

Conversia energiei, ȋn special a celei mecanice ȋn energie electricǎ, a constituit dintotdeuna o [anonimizat]ǎ perspectivǎ atenția este ȋn mare parte focalizatǎ asupra elementelor care realizeazǎ aceastǎ conversie, adicǎ a mașinilor electrice generatoare. Ȋn [anonimizat]ǎ este necesarǎ atȃt pentru ȋmbunǎtǎțirea proiectǎrii cȃt și pentru optimizarea funcționǎrii ȋn sistemul electroenergetic.

Tema și scopul lucrǎrii

Obiectivul lucrǎrii este analiza numericǎ a cȃmpului electromagnetic al unui generator sincron de 5 [anonimizat]ǎ pe metoda elementelor finite. [anonimizat] “Opera”, modulul 2D, elaborat de compania britanicǎ “Vector Fields”.

[anonimizat]-[anonimizat] ([anonimizat]), [anonimizat]. [anonimizat] a produce rezultate folosite ulterior ca intrare pentru un alt program. [anonimizat], [anonimizat], astfel ȋncȃt ȋn [anonimizat] fǎcute imediat cu scopul de a optimiza designul.

Acest generator este destinat utilizǎrii ȋn microhidrocentrale, [anonimizat] ȋn care ȋn general turația este scǎzutǎ.

Conținutul lucrǎrii

Lucrarea de fațǎ are la bazǎ [anonimizat] ȋn ordinea urmǎtoare.

Generalitǎți despre mașinile electrice generatoare

Ȋn [anonimizat]ǎ [anonimizat]ǎ și mașina asincronǎ. [anonimizat], mașina sincronǎ este principala modalitate prin care este obținutǎ energia electricǎ.

Conversia energiei eoliene ȋn energie electricǎ

Capitolul al doilea este dedicat energiei eoliene în scopul de a realiza o [anonimizat]ǎ se aflǎ într-o continuǎ ascensiune în sectoarele electrotehnic și electroenergetic. Ȋn cadrul lucrǎrii, acest capitol are o importanțǎ aparte datoritǎ faptului cǎ generatorul analizat este utilizat într-o aplicație de conversie a energiei eoliene în energie electricǎ. Creșterea interesului pentru energia eolianǎ va determina o atenție în plus generatoarelor sincrone.

Metoda elementului finit și mediul Opera

Ȋn [anonimizat] a metodelor numerice ca și componente esențiale ale procesului de proiectare asupra evoluției tehnologiei și progresului umanitǎții. De asemenea, este realizatǎ o prezentare de ansamblu asupra metodei elementelor finite și a softului Opera.

Analiza numericǎ a câmpului generatoarului sincron cu magneți permanenți de putere 5 kVA

Capitolul acesta este dedicat prezentǎrii unor aspecte referitoare la mașinile sincrone cu magneți permanenți, iar cea mai mare parte a sa este alocatǎ descrieri și analizei generatorului sincron cu magneți permanenți studiat.

Concluzii

Bibliografie

I. Generalitǎți despre mașinile generatoare

Mașina electrică este un sistem de conversie electromecanicǎ a energiei mecanice în energie electricǎ sau invers. Mașinile electrice care transformǎ energia mecanicǎ ȋn energie electricǎ se numesc generatoare electrice. Acestea sunt mașini electrice rotative care funcționeazǎ pe baza fenomenului de inducție electromagneticǎ. Ȋn funcție de curentul electric produs sau utilizat, mașinile electrice pot fi de curent alternativ sau de curent continuu. Mașinile electrice rotative de curent alternativ se ȋmpart, din punct de vedere funcțional, ȋn douǎ tipuri: mașini sincrone și mașini asincrone. Teoria generalǎ a acestor mașini prezintǎ anumite elemente comune, precum: construcția ȋnfǎșurǎrilor, producerea cȃmpului magnetic, producerea cuplului electromagnetic, inducerea tensiunilor electromotoare. Mașinile electrice sincrone sunt caracterizate prin faptul cǎ au viteza de rotație egalǎ cu viteza cȃmpului ȋnvȃrtitor, pe cȃnd la mașinile electrice asincrone viteza de rotație este puțin diferitǎ fațǎ de viteza cȃmpului ȋnvȃrtitor.

Din punct de vedere al fenomenelor electromagnetice care se produc ȋn procesul de conversie a energiei, mașina electricǎ rotativǎ are douǎ pǎrți principale: inductorul (sistemul care produce cȃmpul magnetic) și indusul (sistemul ȋn care este generatǎ tensiunea electromotoare indusǎ, sistem construit din bobine cu miez de fier). Dintre aceste douǎ pǎrți una este fixǎ și poartǎ denumirea de stator, iar cealaltǎ parte este mobilǎ și poartǎ denumirea de rotor, deoarece se rotește ȋn timpul funcționǎrii ȋn jurul axului sǎu geometric. Spațiul dintre cele douǎ organe cinematice este ocupat de aer și este numit ȋntrefier. La mașina asincronă solenația înfășurării statorice produce câmpul magnetic principal, astfel că armătura și înfășurarea statorică formează inductorul mașinii. La mașina sincronǎ statorul este indusul, deoarece la funcționarea în sarcină solenația înfășurării statorice produce câmpul magnetic de reacție.

Din punct de vedere constructiv, ca și orice mașinǎ electricǎ, mașinile generatoare conțin urmǎtoarele sisteme: sistemul electric, sistemul magnetic, sistemul mecanic, sistemul de rǎcire (ventilație) și ȋn unele cazuri sistemul de mǎsura, reglare și protecție.

Sistemul electric este alcǎtuit din una sau mai multe ȋnfǎșurǎri distribuite ȋn crestǎturi la periferia dinspre ȋntrefier a celor douǎ armǎturi sau ca bobine concentrate. Ȋnfǎșurǎrile sunt izolate electric fațǎ de sistemul magnetic și de celelalte pǎrți ale mașinii.

Sistemul magnetic constituie miezul feromagnetic separat ȋn douǎ de cǎtre ȋntrefier. Miezul feromagnetic este realizat din oțel electrotehnic sub formǎ de tole sau masiv.

Sistemul mecanic este cel care reunește toate elementele componente ale mașinii și trebuie sǎ asigure rigiditatea ei. La mașinile rotative, sistemul mecanic este alcǎtuit dintr-un arbore pe care este dispus rotorul, din rulmenți, scuturi, carcasǎ de susținere, etc.

Sistemul de rǎcire conține ventilatoare dispuse ȋn interiorul sau exteriorul mașinii, sistemul de canale radiale și axiale și din agentul de rǎcire care poate fi aer, ulei, apǎ, hidrogen sau alte substanțe lichide sau gazoase, care au ȋn anumite cazuri și rol de izolator electric.

1.1. Mașina asincronǎ

Mașina asincronǎ este tipul de mașinǎ electricǎ rotativǎ de curent alternativ (monofazatǎ sau cel mai des trifazatǎ) caracterizatǎ prin faptul cǎ turația rotorului este diferită fațǎ de viteza câmpului magnetic învârtitor și dependentă de cuplul rezistent, deci viteza de rotație nu se menține ȋn raport constant cu frecvența rețelei electrice la care este conectatǎ, ci variazǎ odatǎ cu schimbarea regimului de funcționare sau cu variația gradului de ȋncǎrcare a mașinii.

Primul model de mașinǎ asincronǎ a fost proiectat de cǎtre Galileo Ferraris în 1885 care a construit un motor bifazat cu patru poli aparenți și cu rotorul din cupru masiv. Ȋn 1886, independent de G. Ferraris, Nicola Tesla a realizat tot un motor bifazat, dar cu rotorul feromagnetic și prevǎzut cu o înfǎșurare scurtcircuitatǎ. Ȋntre anii 1889-1890, Dolivo Dobrowolski a conceput primele motoare care sǎ poatǎ fi folosite în instalațiile industrial, motoare a cǎror principiu este folosit și în zilele noastre.

1.1.1. Elementele constructive

La mașina asincronǎ, câmpul magnetic inductor este produs de solenația înfǎșurării statorice (ȋnfǎșurare primarǎ- monofazatǎ sau polifazatǎ), iar indusul este rotorul cu înfășurarea sa (ȋnfǎșurare secundarǎ), cele douǎ componente fiind separate de un ȋntrefier. Dupǎ modul ȋn care este realizatǎ ȋnfǎșurarea indusului, se disting douǎ tipuri principale de mașini asincrone:

mașini asincrone cu rotorul bobinat și cu inele colectoare;

mașini asincrone cu rotorul ȋn scurtcircuit.

Pentru ambele cazuri statoarele sunt realizate identic. La motoarele asincrone cu rotor bobinat, înfășurarea rotoricǎ se realizează asemǎnǎtor cu cea statorică și se conectează numai în stea, iar capetele care rǎmȃn libere se conectează la trei inele de contact care sunt unite cu arborele mașinii, izolate electric între ele și față de arborele mașinii.

La motoarele asincrone cu rotor în scurtcircuit se plasează în crestăturile rotorului bare de cupru sau aluminiu care se scurtcircuitează la capetele miezului magnetic rotoric cu două inele frontale de scurtcircuitare. Ȋn cele mai multe cazuri crestăturile rotorului sunt ȋncǎrcate cu aliaj topit de aluminiu, când se toarnă simultan și inelele de scurticircuitare.

Elementele componente ale celor douǎ tipuri de mașini asincrone pot fi observate ȋn figurile 1.1 și 1.2.

Fig. 1.1. Componentele unei mașini asincrone cu inele – secțiune longitudinalǎ

1. pachetul de tole ale statorului; 2. ȋnfǎșurare statoricǎ; 3. pachetul de tole ale rotorului;

4. ȋnfǎșurare rotoricǎ; 5. inele colectoare; 6. portperii; 7. carcasǎ ; 8. scut; 9. rulmenți;

10. placa de borne ale statorului; 11. placa de borne ale rotorului; 12. capotǎ inele; 13. ventilator interior; 14. ventilator exterior; 15. bornǎ de punere la pǎmȃnt.

Fig. 1.2. Componentele unei mașini asincrone cu rotor ȋn scurtcircuit – secțiune longitudinalǎ

miezul magnetic statoric; 2. miezul magnetic rotoric; 3. ȋnfǎșurare statoricǎ; 4. ȋnfǎșurare rotoricǎ; 5. arbore; 6. rulmenți; 7. carcasǎ; 8. ventilator

Motoarele asincrone cu rotorul bobinat se utilizeazǎ ȋn situațiile ȋn care se dorește ca pornirea sa fie linǎ, farǎ șocuri de curent și la un cuplu de pornire dorit. Motoarele asincrone cu rotorul ȋn scurtcircuit sunt folosite cel mai mult ȋn sistemele de acționare electricǎ, cu turație variabilǎ, alimentarea fiind relizatǎ de la convertizoare de frecvențǎ.

Statorul mașinii asincrone, așa cum am mai precizat, constituie partea fixǎ a mașinii și ȋndeplinește rolul de inductor. Ca elemente constructive, statorul conține carcasa, circuitul feromagnetic (pachetul de tole) și circuitul electric (ȋnfǎșurarea statoricǎ).

Carcasa mașinii poate sǎ fie realizatǎ din aluminiu sau fontǎ prin turnare sau din tablǎ de oțel, prevǎzutǎ cu nervuri logitudinale ȋn scopul creșterii suprafeței de rǎcire prin radiație. Carcasa are și rolul de suport al miezului feromagnetic al statorului ȋmpreunǎ cu ȋnfǎșurarea de excitație și asigura protecție ȋmpotriva electrocutǎrii prin atingere directǎ, protecție ȋmpotriva pǎtrunderii obiectelor strǎine și protecție mecanicǎ.

Circuitul feromagnetic are forma unui cilindru cu crestǎturi longitudinale ȋn partea interioarǎ ȋn care se introduc conductoarele ȋnfǎșurǎrii statorice, realizat din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime, izolate între ele cu lac izolant sau oxizi ceramici.

Ȋnfȃșurarea statorului este distribuitǎ uniform ȋn crestǎturile statorice fiind realizatǎ din conductoare de cupru izolate cu hȃrtie, bumbac, email, fibrǎ de sticlǎ, etc. Ȋnfǎșurarea poate sa fie monofazatǎ sau trifazatǎ. Ȋn cazul mașinilor asincrone trifazate, celel trei ȋnfǎșurǎri sunt identice ca numǎr de spire, numǎr de bobine și diametru al conductoarelor, fiind decalate cu una fațǎ de cealaltǎ și ocupȃnd același numǎr de crestǎturi (p reprezintǎ numǎrul de perechi de poli). Capetele ȋnfǎșurǎrii statorice sunt legate toate la o placǎ de de borne, fiind posibilǎ conectarea acestora ȋn stea sau triunghi.

Crestǎturile sunt obținute prin ștanțarea tolelor înainte de împachetarea miezului și pot fi

semiînchise sau deschise. Crestǎturile semiînchise (figura 1.3, a) sunt utilizate la mașini de puteri mici și au avantajul cǎ fluxul de dispersie este mai redus, dar înfǎșurarea trebuie realizatǎ din conductor rotund și introdusǎ fir cu fir, neputând fi realizatǎ afarǎ pe șablon. Crestǎturile deschise (figura 1.3, b) sunt utilizate la mașinile de puteri mari și permit realizarea înfǎșurǎrii afarǎ pe șablon, dar prezintǎ un flux de dispersie mai mare.

Fig. 1.3. Crestǎturi statorice ȋn douǎ straturi

Rotorul reprezintǎ partea mobilǎ a mașinii asincrone și are rolul de indus, fiind alcǎtuit din: arborele mașinii, miezul feromagnetic rotoric (circuitul magnetic) și ȋnfǎșurarea rotoricǎ.

Arborele mașinii este realizat din oțel laminat sau forjat și se rotește ȋn lagǎrele cu rostogolire fixate pe scuturile portlagare. Pe ax sunt fixate miezul rotoric cu ȋnfasurarea rotoricǎ, elicea ventilatorului care asigurǎ rǎcirea aerului și cele trei inele colectoare ȋn cazul mașinilor cu rotorul bobinat.

Miezul feromagnetic rotoric este cu poli ȋnecați și se executǎ asemenea celui statoric, din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime, izolate sau neizolate. Ȋn crestǎturile circuitului magnetic rotoric se introduce ȋnfǎșurarea rotoricǎ, distribuitǎ uniform și realizatǎ pentru același numǎr de poli și același numǎr de faze ca și cea statoricǎ. Ȋn funcție de ȋnfǎșurarea rotoricǎ se stabilește varianta constructivǎ de motoare asincrone trifazate:

– cu rotorul bobinat;

– cu rotorul ȋn scurtcircuit.

La mașinile asincrone cu rotorul bobinat, bobinele ȋnfǎșurǎrii trifazate rotorice sunt conectate ȋn stea și sunt dispuse ȋn crestaturile rotorului. Ȋn interiorul mașinii se realizeazǎ neutrul, iar celelalte trei capete care rǎmȃn libere sunt legate la cele trei inele colectoare care sunt montate strȃns pe arbore, dar izolate fațǎ de acesta și ȋntre ele. Pe inele acționeazǎ trei perii din grafit sau bronz grafitat, numite perii colectoare, fixate ȋn portperiile de pe armǎtura statoricǎ. Periile sunt conectate la o cutie de borne rotorice, iar prin intermediul acestora, ale cablurilor de legǎturǎ borne-perii și al contactului alunecator perii-inele colectoare se poate realiza conectarea unor rezistente variabile R ȋn exteriorul motorului care se utilizeazǎ la pornirea și modificarea vitezei de rotație a motorului asincron.

Ȋn ceea ce privește mașinile asincrone cu rotorul ȋn scurtcircuit, ȋnfǎșurarea rotoricǎ este realizatǎ din bare de cupru sau aluminiu, dispuse cȃte una ȋn fiecare crestǎturǎ rotoricǎ și legate ȋntre ele la capete prin intermediul unor inele metalice circulare de scurtcircuitare, rezultȃnd astfel tot o ȋnfǎșurare ȋnchisǎ sub forma unei colivii. Inelele de scurtcircuitare conțin niște aripioare care au rol de ventilație.

Spatiul liber dintre miezul feromagnetic la rotorului și cel al statorului reprezintǎ ȋntrefierul care la mașina asincronǎ are o lǎrgime constantǎ, de preferat cȃt mai redusǎ pentru obținerea unui curent de magnetizare cȃt mai mic și a unui factor de putere cȃt mai ridicat. Valorile uzuale ale ȋntrefierului sunt cuprinse ȋntre 0,1÷0,8 mm la motoare de putere redusǎ și medie, iar la motoarele de puteri mari depǎșește valoarea de 1 mm.

1.1.2. Principiul și regimurile de funcționare

Din punct de vedere al regimurilor de funcționare mașina asincronǎ este o mașinǎ reversibilǎ care poate funcționa atȃt ȋn regim de generator cȃt și ȋn regim de motor. În unele cazuri speciale, ȋn acționǎrile electrice, mașina asincronǎ poate funționa pentru scurtǎ duratǎ și în regimul de frânǎ electromagneticǎ. Regimurile de funcționare sunt impuse de cǎtre turația n a mașinii.

Fig.1.4. Regimurile de funcționare ale mașinii asincrone: a) regim de generator,

b) regim de motor, c) regim de frȃnǎ

Prin alimentarea ȋnfǎșurǎrii statorice cu un sistem sinusoidal de tensiuni de pulsație se formeazǎ ȋn interiorul mașinii un cȃmp magnetic ȋnvȃrtitor de turație , care poartǎ numele de turație de sincronism. Presupunȃnd cǎ ȋnfǎșurarea rotoricǎ se rotește cu turația n (pozitivǎ), ȋn același sens ca și cȃmpul magnetic ȋnvȃrtitor, acest cȃmp induce ȋn ȋnfǎșurarea rotoricǎ o tensiune electromotoare de frecvențǎ , unde reprezintǎ turația cȃmpului ȋnvȃrtitor fațǎ de rotor și este diferența dintre turația cȃmpului magnetic ȋnvȃrtitor statoric și turația ȋnfǎșurǎrii rotorice: Cȃmpul magnetic acționeazǎ asupra conductorului care este parcurs de curentul electric de frecvențǎ indus ȋn ȋnfǎșurarea rotoricǎ, iar prin interacțiunea acestora se exercitǎ asupra conductorului o forțǎ electromagneticǎ și ca urmare mașina dezvoltǎ un cuplu electromagnetic M.

Dacǎ atunci mașina se aflǎ ȋn situația ȋn care forța F acționeazǎ ȋn același sens cu sensul de rotație al rotorul avȃnd tendința de a- i crește turația acestuia ȋnspre cȃnd forța F ar fi nulǎ. Fiind alimentatǎ cu energie electricǎ de la rețea, forțele care acționeazǎ asupra conductoarelor dezvoltǎ un cuplu electromagnetic activ M ȋn sensul cȃmpului magnetic ȋnvȃrtitor și se efectueazǎ la arbore lucru mecanic. Ȋn acest caz mașina se aflǎ ȋn regim de motor.

Pentru ca mașina sǎ funcționeze ȋn regim de generator trebuie ca turația n a rotorului sǎ respecte condiția , astfel forța electromagneticǎ F și cuplul electromagnetic M ȋși schimbǎ sensul, fiind opuse rotației. Acest lucru poate sa fie posibil și mașina poate ajunge la turația necesarǎ doar dacǎ cuplul la arbore este activ, adicǎ la arborele rotorului sǎ acționeze un cuplu exterior care sǎ ȋnvingǎ cuplul electromagnetic produs de forța F. Ȋn acest caz mașina primește putere mecanicǎ pe la arbore și o transformǎ, prin intermediul cȃmpului electromagnetic, ȋn putere electricǎ pe care o cedeazǎ pe la borne ȋn rețea.

Ȋn cazul ȋn care turația rotoricǎ, mașina dezvoltǎ un cuplu electromagnetic M ȋn sensul lui , astfel cǎ absoarbe putere electricǎ din rețea. Deoarece M și au sensuri opuse, la arborele mașinii se aplicǎ un cuplu activ, astfel cǎ mașina este este dublu alimentatǎ, primind putere mecanicǎ pe la arbore pentru menținerea turației n și putere electricǎ pe la bornele ȋnfǎșurǎrii statorice. Ȋntreaga putere rezultatǎ este disipatǎ pe ȋnfǎșurǎri și transformatǎ ȋn pierderi prin efect Joule. Ȋn acest caz mașina funcționeazǎ ȋn regim de frȃnǎ electromagneticǎ.

Dintre toate cele trei regimuri meționate, regimul de funcționare de bazǎ și cel mai des folosit al mașinii asincrone este cel de motor (monofazat sau polifazat, de regulǎ trifazat), utilizat ȋn acționǎrile electrice din toate sectoarele industriale și sociale, pentru acționarea mașinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a ventilatoarelor, a macaralelor electrice, a podurilor rulante, a morilor cu bile, a aparaturii medicale, a aparaturii electrocasnice, a instalațiilor feroviare, etc.

Motoarele asincrone sunt cele mai rǎspȃndite motoare electrice, statistica arǎtȃnd cǎ aproape 80% din motoarele utilizate ȋn acționǎri sunt asincrone. Acestea au ca principale avantaje construcția simplǎ, preț de cost redus, siguranțǎ mare în exploatare, performanțe tehnice ridicate (cuplu mare de pornire, randament ridicat), stabilitate în funcționare, exploatare, manevrare și întretinere simplǎ, alimentare direct de la rețeaua trifazatǎ de c.a. Se construiesc pentru o gama foarte largǎ de puteri (de la ordinul unitǎților de W pâna la ordinul zecilor de MW), pentru tensiuni joase (sub 500V) și tensiuni medii (3 kV, 6 kV sau 10 kV) și având turația sincronǎ la frecvența f = 50Hz egalǎ în mod uzual cu n = 500, 600, 750, 1000, 1500 sau 3000 rot/min, în funcție de numǎrul de perechi de poli. Principalele dezavantaje sunt: șoc mare de curent la pornire, factor de putere relativ scǎzut, caracteristica mecanicǎ durǎ.

Regimul de generator al mașinii asincrone este folosit mai rar deoarece necesitǎ și absoarbe de la rețea multǎ putere reactivǎ pentru magnetizare. Generatoarele asincrone sunt folosite în centrale de putere micǎ, de tip hidro sau eoliene, însǎ numǎrul lor este foarte redus în comparație cu generatoarele sincrone. Regimul de generator al mașinii asincrone mai este utilizat și în acționǎri electrice la frânǎri cu sau fǎrǎ recuperarea energiei.

1.2. Mașina sincronǎ

Mașina sincronǎ este tipul de mașinǎ electricǎ rotativǎ de curent alternativ caracterizatǎ de faptul cǎ pentru o tensiune la borne de frecvențǎ datǎ viteza câmpului învârtitor magnetic este întotdeauna egală cu viteza mecanică a rotorului mașinii, indiferent de regimul de funcționare (stabilizat) și de gradul de încǎrcare a mașinii.

1.2.1. Elementele constructive

Câmpul magnetic inductor al mașinii sincrone este produs de cǎtre un sistem de magneți permanenți sau poli magnetizați în c.c., numitǎ înfǎșurare de excitație, care se plaseazǎ în general pe rotor și care efectueazǎ în același timp cu acesta mișcarea de rotație, iar armǎtura indusului este de regulǎ statorul care este format din miezul magnetic statoric echipat cu înfășurarea trifazată de curent alternativ. Motivele pentru care construcția este realizatǎ astfel sunt:

curentul continuu care alimenteazǎ înfășurarea inductorului este mult mai mic fațǎ de curentul care circulă prin înfășurarea indusului;

deoarece mașinile sincrone de puteri mari, în special generatoarele sincrone, sunt construite de regulǎ pentru tensiuni mari de până la 30 kV, izolația unui bobinaj situat pe o armǎturǎ staticǎ oferă mai multă siguranță în funcționare decât izolația unui bobinaj situat pe o armătură rotativǎ.

La mașini de puteri mici (sub 50 kVA) sau la mașini cu destinație specială se mai utilizează și construcția „inversă”, adicǎ indusul reprezintǎ rotorul și inductorul reprezintǎ statorul, purtând numele de mașini sincrone în construcție inversǎ (fig.1.6 -b).

Statorul mașinii sincrone este construit dintr-o parte activǎ și o parte inactivǎ. Miezul statoric și înfǎșurarea statoricǎ plasatǎ în crestǎturi reprezintǎ partea activǎ a statorului, iar carcasa, scuturile cu lagǎre, sistemul de ventilație, etc. reprezintǎ partea inactivǎ a statorului. Miezul statoric este realizat din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime care sunt izolate prin lăcuire sau oxidare sub forma unei coroane cilindrice și este prevăzut la periferia interioară cu crestături longitudinale în care este așezatǎ înfășurarea statorică (de regulǎ trifazată). Înfășurările statorice sunt realizate de obicei din conductoare de cupru în care se induce tensiunea electromotoare care este produsă de fluxul inductor creat de înfășurarea rotorică alimentată în c.c. și aflată în mișcare de rotație. Carcasa este realizatǎ uneori din fontă turnată, în unele cazuri prevǎzutǎ cu nervuri în scopul de a mării suprafața de răcire, iar la mașinile de puteri mari ea se execută din oțel, turnată sau din tablă roluită, sudată și întărită cu profiluri de oțel.

Rotorul reprezintǎ partea mobilă a mașinii și este alcǎtuit din miezul de fier rotoric, înfășurările rotorice (de curent continuu), inelele colectoare și perii. Inelele și periile sunt folosite în scopul de a alimenta înfășurările rotorice de excitație cu un curent continuu numit curent de excitație. Alimentarea înfășurării de excitație în curent continuu poate fi realizatǎ de la un generator de curent continuu, denumit excitatoare, care este plasat pe același ax cu mașina sincronă. Înfășurarea rotorică a generatorului induce, prin mișcare de rotație, tensiunea electromotoare în înfășurările statorice. Cu cât mașina este mai puternic excitatǎ, cu atât este mai mare acțiunea de atracție dintre polii care compun cele douǎ coroane, iar astfel este mai sigurǎ funcționarea sincronǎ.

Ȋn funcție de forma rotorului existǎ urmǎtoarele tipuri de mașini sincrone:

mașini cu poli înecați, utilizate în special la turații mari (3000 – 10.000 rot/min);

mașini cu poli aparenți, folosite la turații mici (de obicei sub 1500 rot/min).

Fig. 1.5. Variante constructive ale rotorului mașinii sincrone:

a) cu poli înecați; b) cu poli aparenți;

Rotorul cu poli înecați este utilizat pentru mașini cu doi poli și cu patru poli. Este construit dintr-un bloc cilindric de oțel masiv sau tole, prevăzut la exterior cu crestături longitudinale în care este așezată înfășurarea rotorică de excitație. Crestǎturile nu sunt repartizate uniform pe circumferințǎ, fiind prevǎzut câte un dinte mai lat în axa fiecǎrui pol. Capetele înfășurării rotorice se conecteazǎ la două inele colectoare pe care alunecă periile. Această variantă constructivă este utilizatǎ la viteze mari de rotație, de 1500÷3000 rot/min, deoarece oferǎ rezistențǎ mecanicǎ mai ridicatǎ și siguranțǎ mai mare în funcționare.

Rotorul cu poli aparenți este utilizat la mașini cu patru poli și mai mult, acești poli fiind realizați din oțel masiv sau tole. Pe poli sunt așezate bobinele rotorice, numite bobine de excitație, alimentate în curent continuu astfel încât să formeze poli care să alterneze succesiv: N, S, N,…etc. Acest tip de rotor se folosește doar la mașini sincrone cu turație de cel mult 1000 rot/min (3 perechi de poli N-S) deoarece este dificil să se asigure o rezistență mecanică corespunzătoare la turații mai ridicate pentru această variantă constructivă.

Fig.1.6. Mașina sincronǎ cu poli aparenți: a) polii aparenți plasați în rotor; b) polii aparenți plasați pe stator

Ȋn figura 1.6 sunt prezentate modalitățile de plasare a înfășurărilor indusului și inductorului în sistemul magnetic al mașinii sincrone, și anume: a) înfășurarea indusului în stator și înfășurarea inductorului în rotor; b) construcția inversă.

1.2.2. Principiul și regimurile de funcționare

Mașina sincronǎ este o mașinǎ electricǎ reversibilǎ, astfel cǎ ea poate funcționa atât în regim de motor cât și în regim de generator. Dintre acestea, cea mai largă răspândire o are mașina sincronă utilizatǎ în regim de generator sincron trifazat, care este folosit în prezent în toate centralele electrice de mare putere din lume fiind principalul element în obținerea energiei electrice.

Regimul de generator electric reprezintǎ deci regimul de bazǎ în funcționarea mașinilor sincrone care în momentul de fațǎ reprezintǎ baza economicǎ a producerii energiei electrice în toate centralele electrice actuale. În acest regim de funcționare, mașinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind astfel cele mai mari mașini electrice construite de cǎtre om. Cele mai mari mașini sincrone actuale au atins puteri de 1200 MW ca turbogeneratoare și 700 MW ca hidrogeneratoare. Tendința economicǎ actualǎ urmǎrește creșterea neîncetatǎ a puterii nominale a generatoarelor sincrone în scopul creșterii puterii nominale pe unitate la un nivel cât mai înalt pentru a obține randamente cât mai mari.

Turbogeneratorul este tipul de generator sincron al cǎrui motor de antrenare este o turbină cu aburi sau cu gaze, de turație mare. Turbogeneratoarele se realizează de obicei ca mașini bipolare, cu poli înecați, cu axul orizontal. Hidrogeneratorul este tipul de generator sincron al cǎrui motor de antrenare primar este o turbină hidraulică. Hidrogeneratoarele se construiesc numai cu poli aparenți și de obicei cu axul vertical. Generatoarele sincrone antrenate de motoare termice (motoare Diesel sau turbine cu gaze de turație joasă) se realizează cu poli aparenți și cu axul orizontal. O altǎ aplicabilitate de bazǎ a mașini sincrone este întâlnitǎ în conversia energiei eoliene în care mașina sincronǎ este folositǎ ca generator sincron pentru turbinele eoliene. Aceastǎ întrebuințare îi este acordatǎ mașinii sincrone din ce în ce mai des, conversia energiei vânturilor reprezentând una dintre marile provocǎri actuale pe plan mondial în obținerea energiei electrice.

Regimul de motor sincron este folosit pentru acționarea unor utilaje de mare putere la care nu este necesară reglarea turației (compresoare, mori cu bile, pompe de irigatii, etc.), înlocuind din ce în ce mai mult motoarele asincrone (în special la puteri mari) datoritǎ avatajelor economice și tehnice pe care le prezintǎ: randament mai ridicat, factor de putere mergând pâna la unitate, cuplu invariabil cu turatia, întrefier mai mare. Acest lucru a fost cu posibil datoritǎ evoluției tehnicii prin care s-au putut rezolva douǎ deficiențe grave ale motorului sincron: absenta cuplului de pornire si posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilitatii). În regimul de motor, mașina primește putere electrică de la o rețea de curent alternativ și o transformă în putere mecanică pe care urmeazǎ sǎ o cedeze pe la arbore unei instalații mecanice. Ca și construcție, motoarele sincrone, la puteri medii și mari, se construiesc de obicei cu poli aparenți.

Pe lângǎ cele douǎ regimuri de bazǎ, mașina sincronǎ mai poate funcționa într-un alt regim particular și anume cel de compensator al factorului de putere în sistemele electroenergetice, caz în care mașina poartǎ numele de compensator sincron. Ȋn acest regim axul mașinii se învârte în gol, iar mașina contribuie la îmbunatatirea factorului de putere al rețelelor electroenergetice, compensând energia reactivǎ consumatǎ în special de cǎtre motoarele asincrone alimentate de la rețea. Compensatoarele sincrone se realizează de obicei ca ma-șini cu poli înecați sau aparenți, la turații de 1000 rot/min sau 1500 rot/min.

1.2.3. Generatorul sincron

Deoarece regimul de bazǎ al mașini sincrone este cel de generator, în continuare se va face o analiza mai amplǎ referitoare la acest regim de funcționare.

Generatoarele sincrone sunt cele mai importante elemente dintr-un sistem electroenergetic deoarece sunt sursele de energie ale acestuia. Ca și principiu funcțional de bazǎ, în regimul de generator, mașina primește pe la arbore putere mecanicǎ de la un motor auxiliar și o transformă în putere electrică pe care o debiteazǎ în rețeaua de curent alternativ. Acest lucru se realizeazǎ prin interacțiunea dintre cele douǎ câmpuri învârtitoare care se produc în interiorul mașinii.

Dacǎ rotorul (inductorul) mașinii este antrenat cu viteza unghiularǎ Ω de cǎtre turbinǎ (care dezvoltǎ un cuplu activ ), iar înfǎșurarea de excitație este alimentatǎ în c.c. se produce un câmp magnetic învârtitor inductor. Câmpul magnetic învârtitor produce un flux magnetic φ variabil în timp care înlănțuie spirele fiecărui circuit de fază a înfășurării statorului și induce o tensiune electromotoare în fiecare fază. Cele trei înfǎșurǎri de fazǎ sunt decalate în spațiu una fațǎ de cealaltǎ cu un unghi de 120° (2π/3 rad), iar acest decalaj determinǎ apariția unui sistem trifazat de tensiuni.

Tensiunile electromotoare induse în cele trei înfǎșurǎri statorice de fazǎ sunt:

Dacă la bornele statorului este conectată o impedanță trifazată simetrică, atunci înfășrările vor fi parcurse de un sistem trifazat de curenți, curentul din faza de referințǎ fiind de forma:

,

în care unhgiul β reprezintǎ unghiul de decalaj dintre t.e.m. și curentul care depinde de tipul sarcinii și de parametrii înfǎșurǎrii.

Acest sistem trifazat de curenți dǎ naștere unui câmp magnetic învârtitor, numit câmp magnetic de reacție care se rotește tot cu viteza sincronă ca și câmpul învârtitor inductor de excitație. Cele două câmpuri magnetice se compun și se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină. Generatorul sincron debitează pe impedanța de sarcină o putere electrică care este mai mică decât puterea mecanică primită la ax de la motorul primar, din cauza pierderilor. Raportul dintre cele douǎ puteri reprezintǎ randamentul generatorului:

unde: U și I- tensiunea, respectiv curentul de fazǎ;

– pierderile mecanice de frecare și ventilație ale mașinii;

– puterea mecanicǎ preluatǎ de excitatoare;

– pierderile în înfǎșurǎrile statorului prin efect Joule;

– pierderile histerezis și pierderile prin curenți turbionari în miezul feromagnetic al statorului.

Valoarea randamentului generatorului crește odatǎ cu creșterea puterii sale unitare, ajungând la valori maxime de 98÷98.5 % pentru puteri de ordinul sutelor de MVA.

Sincronismul dintre cele douǎ câmpuri stabilește legǎtura între viteza de rotație a turbinei, n și frecvența curenților induși, f :

unde p este numǎrul de perechi de poli ai mașinii, iar și sunt vitezele rotorului exprimate în cele douǎ unitǎți de mǎsurǎ din S.I.

Câmpul magnetic de excitație generat de curentul continuu din înfǎșurarea de excitație este un câmp care are o repartiție sinusoidalǎ în spațiu, constant fațǎ de rotor. Acest câmp se rotește cu turația soncronǎ odatǎ cu rotorul, iar fațǎ de stator este perceput ca un câmp cu variație sinusoidalǎ în timp, identic câmpului învârtitor fațǎ de stator. Ȋn același timp în stator, la funcționarea în sarcinǎ, apar curenții de sarcinǎ din indus care au frecvența și care produc un câmp magnetic învârtitor propriu, care are turația egalǎ cu turația sincronǎ a rotorului (sau cu turația câmpului magnetic de excitație). Aceste douǎ câmpuri rotesc sincron fațǎ de stator, deci sunt în repaus relativ. Ansamblul modificǎrilor din câmpul magnetic rezultant al mașinii sincrone, datorat suprapunerii câmpului magnetic de reacție peste câmpul magnetic principal de excitație, creeazǎ fenomenul care poartǎ numele de reacția indusului. La transformatoare și la mașinile asincrone acest fenomen nu se trateazǎ ca și caz aparte. Ȋn general reacția indusului la aceste tipuri de mașini este datǎ de curentul din secundar, , care datoritǎ faptului cǎ fațǎ de curentul din inductor , curentul din indus este practic în opoziție și face ca reacția sǎ fie demagnetizantǎ. Din acest motiv la aceste mașini câmpul rezultant care determinǎ tensiunea electromotoare și cuplul electromagnetic la funcționarea mașinii în sarcinǎ este constant și mic, practic independent de sarcinǎ.

La mașina sincronă, reacția indusului se consideră prin introducerea reactanțelor de reacție, respectiv a reactanțelor sincrone. La mașina sincronă cu poli aparenți se aplică metoda celor două axe (metoda dublei reacții Blondel-Park), prin care reacția indusului se descompune în două componente: una transversală, care este produsă de componenta activă a curentului de sarcină, și una longitudinală, produsă de componenta reactivă , deoarece reluctanțele magnetice care se opun închiderii fluxului de reacție sunt diferite după cele două axe și anume, mai mare după axa transversală decât după axa longitudinală, porțiunea cu aer a circuitului magnetic corespunzător fiind mai mare.

La sarcini „pur inductive" reacția indusului este longitudinală (câmpul se închide dupǎ axa d) și demagnetizantă. La sarcini „pur capacitive", reacția indusului este tot longitudinală, dar magnetizantă, deoarece câmpul de reacție este în sensul câmpului de excitație și îl întǎrește. La sarcini „pur rezistive", reacția indusului este de tip transversal (câmpul de reacție este maxim și se închide dupǎ axa q), decalând câmpul rezultant cu unghiul γ fațǎ de axa câmpului de excitație.

Cazul cel mai des întâlnit în practicǎ este cel rezistiv- inductiv, caz în care componenta longitudinalǎ demagnetizeazǎ mașina, iar componenta transversalǎ decaleazǎ câmpul rezultant cu unghiul γ fațǎ de câmpul de excitație, deci reacția indusului este demagnetizantǎ de pentru o jumătate de pol și magnetizantă pentru cealaltă jumătate.

II. Conversia energiei eoliene ȋn energie electricǎ

În ultimii ani, îngrijorarea față de efectele asupra mediului și a sănătǎții oamenilor referitoare la modul de producție a energiei electrice a fost într-o continuǎ creștere. Astfel, aceste lucruri au fǎcut ca cercetǎtorii sǎ își îndrepte atenția și mai mult înspre sursele de obținere a energiei electrice care au un grad de poluare foarte scǎzut sau chiar nul, așa numitele energii verzi, regenerabile. Implicit numǎrul sistemelor de conversie a energiilor regenerabile, în special a energiei eoliene, a început sǎ creascǎ considerabil în rețelele electrice din întreaga lume și a determinat ca impactul lor asupra funcționării sistemelor de alimentare sǎ reprezinte un domeniu de cercetare în ascensiune.

2.1. Scurt istoric despre energia eolianǎ

Fenomenul care genereazǎ energia eolianǎ este vântul, însǎ fundamentul acestei energii este Soarele. Radiația solarǎ încǎlzește suprafața terestrǎ în mod diferit, deoarece suprafața de absorție variazǎ pe întinderile de apǎ fațǎ de cele de uscat. De aici rezultǎ o încǎlzire diferitǎ a atmosferei, neuniformǎ, iar aceste diferențe de temperaturǎ genereazǎ mișcarea maselor de aer, iar rezultatul acestei mișcǎri este vântul. Prin intermediul unei instalații eoliene, energia cineticǎ a vântului poate sǎ fie transformatǎ în energie electricǎ sau mecanicǎ.

Stăpânirea vântului și folosirea sa în scopuri utile a fascinat omenirea de mii de ani. La început energia vântului era transformată în energie mecanică, fiind folosită de cǎtre oameni ca mijloc de propulsie pe apă pentru diverse ambarcațiuni, iar ceva mai târziu ca energie pentru morile de vânt.

Prin anumite supoziții se spune cǎ primii care au folosit energia generatǎ de vânt au fost egiptenii atunci când au navigat pe Nil în amonte, în jurul secolului IV î.Hr. Dupǎ secole, navigația s-a dezvoltat considerabil pe baza principiului acesta, iar vasele cu pânze au început sǎ domine mǎrile și oceanele lumii, servind în principal transportului comercial, dar și scopurilor militare și științifice, marile imperii de pe acea vreme folosindu-se de vasele cu pânze pentru a controla și domina mǎrile.

Fig. 2.1. Vase cu pânze

Exploatarea energiei eoliene pe uscat a luat startul din momentul în care a fost construitǎ prima moarǎ de vânt , în vechea Persie în secolul VII î.Hr, în scopul mǎcinǎrii grǎunțelor. Morile de vânt au fost apoi folosite și în alte scopuri decât mǎcinarea graului, și anume pentru pomparea apei, tǎierea lemnului sau pentru furnizarea altor forme de energie mecanicǎ.

Fig. 2.2. Mori de vânt

Fig. 2.3. Mori de vânt cu pânze

Ȋn Europa s- au construit mori de vânt începând cu sec al XII-lea, în Anglia și Franța, și au fost folosite în aceleași scopuri, pentru măcinarea de boabelor, tăierea buștenilor, mărunțirea tutunului, confecționarea hârtiei, presarea semințelor de in pentru ulei și măcinarea de piatră pentru vopselele de pictat. Ȋn SUA, morile de vânt americane pentru ferme erau mecanisme ideale pentru pomparea apei de la mare adâncime.

Fig. 2.4. Moara de vânt americanǎ

Exploatarea energiei eoliene pe scarǎ largǎ a început în secolul XX, dupa ce revoluția industrialǎ a oferit morilor de vânt o nouǎ întrebuințarea prin apariția de noi metale, utilizarea acestora a permițând modificarea formei constructive și implicit creșterea considerabilă a mașinilor care poartǎ numele de turbine eoliene.  Turbinele eoliene moderne sunt folosite pentru a transforma energia vântului în energie electrică.

Ȋn zilele noastre, domeniul energiei eoliene este unul în care se folosesc printre cele mai bune tehnologii care existǎ pe piața energiilor regenerabile, fiind în curs de dezvoltare. Acestui domeniu a început sǎ i se acorde mai multǎ atenție începând cu anii ‘80 când se obțineau turbine cu capacitǎți de putere situate undeva la ordinul zecilor de kW (20-30 kW). Astăzi s-a ajuns la stadiul în care se construiesc turbine care pot produce puteri pânǎ la ordinul MW (1.5- 2.5 MW), existând unele turbine care pot produce și 5 MW, dar acestea necesită o viteză a vântului destul de mare, fiind necesare zone cu potențial ridicat ale vântului. Acest lucru aratǎ printre altele că producția de energie eoliană nu a avut la început nici un impact asupra sistemelor electroenergetice, dar acum, datorită dezvoltǎrii în domeniu trebuie luatǎ în serios producția de energie eolianǎ și posibilitatea injectǎrii ei în sistemul electroenergetic. Acest aspect va fi discutat puțin mai târziu când se va trata impactul energiei eoliene asupra sistemului energetic.

Existǎ trei mari factori care au determinat ca soluția de a utiliza centrale eoliene să devină mai competitivă:

dezvoltarea electronicii de putere;

îmbunǎtǎțirea performanțelor aerodinamice în conceperea turbilnelor eoliene;

finanțarea națională pentru implementarea de noi centrale eoliene.

Ȋn ultimii ani producția de energie electricǎ având ca sursǎ primarǎ energia vântului a crescut semnificativ la nivel mondial. Conform statisticilor elaborate de “Global Wind Energy Council” puterea instalatǎ totalǎ în parcurile eoliene din întreaga lume a avut urmǎtoarea evoluție din anul 1996 pânǎ la sfârșitul anului 2012:

Fig. 2.5. Puterea instalatǎ totalǎ în turbinele eoliene la nivel global

Topul primelor zece țǎri în ceea ce privește valorificarea energiei eoliene pânǎ la sfârșitul anului 2012 sunt prezentate în figura 2.6.

Fig. 2.6. Top zece țǎri producǎtoare de energie electricǎ din energia eolianǎ

Ȋn sectorul energiei eoliene din UE, în anul 2012 au fost instalate turbine eoliene a cǎror putere cumulatǎ ajunge la 11,895 MW, astfel cǎ la sfârșitul anului 2012 totalul capacității de putere instalatǎ în turbine eoliene a ajuns la 106,040 MW, doar în țǎrile membre UE, iar în întreaga Europa la 109,237 MW.

Fig. 2.7. Situația energiei la nivelul UE la sfârșitul anului 2012

Pentru România, în ceea ce privește situația energiei eoliene, anul 2012 a fost unul mai mult decât favorabil, fiind instalate turbine eoliene cu o putere totalǎ de 923 MW, iar acest lucru a fǎcut ca producția de energie eolianǎ sǎ creascǎ în țara noastrǎ pânǎ la 1,905 MW instalați la sfârșitul anului 2012. Topul parcurilor eoliene instalate pânǎ la data de 7 decembrie 2012, conform “Transelectrica”, aratǎ astfel:

Fig. 2.8. Topul parcurilor eoliene instalate în Romania pânǎ la data de 7 decembrie 2012

Fig.2.9. Parc eolian de pe teritoriul României

2.2. Structura și funcționarea unui agregat eolian

Funcționarea convertoarelor eoliene se bazeazǎ pe principiul forței cinetice a vântului. Vântul care lovește palele elicei creează o presiune puternică, pozitivă deasupra palei și negativă dedesubtul acesteia. Această diferență de presiune generază o forță de ridicare pe suprafața palelor și creazǎ mișcarea de rotație a acestora. Prin intermediul cuplului și forțelor mecanice, energia cineticǎ a vântului este transferatǎ generatorului electric care este acționat și o transformǎ în energie electricǎ. Transformǎrile de energie precum și transferul de putere care au loc într-o turbinǎ eolianǎ sunt prezentate în figura 2.10, respectiv figura 2.11.

Fig. 2.10. Transformǎrile de energie pe care le realizeazǎ un convertor eolian

Sistemul mecanic are de obicei în componența sa și un multiplicator de vitezǎ care actionezǎ direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obținut este, fie transmis spre înmagazinare în baterii și folosit apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC în cazul turbinelor de micǎ putere, fie livrat direct rețelei de curent alternativ spre distribuitori.

Fig. 2.11. Transferul de putere într-un convertor de energie eoliană

Din punct de vedere constructiv, turbinele eoliene se pot împărți în două mari categorii: turbine cu ax orizontal și turbine cu ax vertical.

Turbinele cu ax vertical (VAWT – ”vertical-axis wind turbine”) sunt folosite pentru aplicații de putere mică, având în general o putere de câțiva kW. Pilonii sunt de talie mică, având înălțimea de 0,1 – 0,5 din înălțimea rotorului. Acest tip de turbinǎ are un randament mai redus decât cea cu ax orizontal, unul dintre motive fiind acela cǎ vântul are o intensitate redusă la nivelul solului, dar prezintă totuși anumite avantaje.

Amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) se realizeazǎ la baza eolienei, astfel cǎ accesul este mai ușor și implicit și operațiunile de întreținere mai simple. Turbinele cu ax vertical nu necesită un sistem de orientare dupǎ direcția vântului, curenții de aer putând fi preluați din orice direcție. Existǎ două structuri de eoliene cu ax vertical dintre cele mai răspândite: cele cu rotorul Savonius și cele cu rotorul Darrieus.

Ȋn cazul rotorului Savonius funcționarea se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din fețele unui corp curbat au intensități diferite, astfel rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Fig. 2.12. Turbinǎ eolianǎ de tip Savonius

Ȋn cazul rotorului Darrieus funcționarea se bazează pe principiul variației periodice a incidenței. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcție de diferitele unghiuri, este supus unor forțe ale căror intensitate și direcție sunt diferite, astfel cǎ rezultanta acestor forțe determină apariția unui cuplu motor care rotește dispozitivul.

Fig. 2.13. Turbinǎ eolianǎ de tip Darrieus

Turbinele cu ax orizontal (HAWT – ”horizontal-axis wind turbine”) sunt cele mai răspândite, reprezentând soluția cea mai bună pentru parcurile eoliene de mare putere în care generatoarele au o putere instalată de ordinul MW. Schema tipicǎ a unui astfel de agregat eolian este prezentată în fig. 2.14.

Fig. 2.14. Structura unui agregat eolian

Palele au rolul de a capta energia vântului pentru ca aceasta sǎ poatǎ fi transferatǎ mai departe rotorului turbinei. Eficiența cu care este extrasǎ energia vântului depinde și de forma, lungimea, numǎrul și unghiul de înclinație al palelor. Ele sunt realizate dintr-un amestec de fibrǎ de sticlǎ si materiale compozite. Diametrul palelor se alege în funcție de puterea doritǎ. Lǎțimea palelor determinǎ cuplul de pornire, care este cu atât mai mare cu cât palele sunt mai late.

La viteze foarte mici ale vântului puterea generatǎ este prea micǎ pentru a putea fi utilizatǎ. Eolienele cu un design tipic sunt proiectate sǎ porneascǎ atunci când viteza vântului ajunge undeva la 3-4 m/s. La vânt cu viteze cuprinse între 12 m/s până la aproximativ 25 m/s puterea este limitată, cu ajutorul sistemelor de reglare și de control. Când vântul are vitezǎ mai mare de 20-25 m/s turbinele eoliene se opresc de obicei, pentru a evita aplicarea sarcinilor mecanice asupra elementelor turbinei și defectarea acestora.

Viteza și direcția vântului sunt mǎsurate cu ajutorul unui anemometru și a unei giruete. Viteza recepționatǎ este transmisǎ la un controler, iar girueta comunică cu unitatea de pivotarepentru a orienta turbina corect înspre direcția vântului.

Numǎrul de pale se stabilește în funcție de tipul de eolianǎ. Ȋn prezent, cel mai utilizat este sistemul cu trei pale, deoarece acest sistem asigurǎ limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a “oboselii” rotorului, fațǎ de sistemele mono-palǎ sau bi-palǎ.

Butucul este partea turbinei pe care sunt montate palele. Este prevǎzut cu dispozitivul de tangaj care este folosit la turbinele eoliene pentru controlul palelor, realizând înclinarea sau întoarcerea acestora pentru ca viteza rotorului sǎ poatǎ fi controlatǎ și să se păstreze funcționarea cât mai constantǎ a rotorului în condiții de vânt prea tare sau prea încet. Acesta realizeazǎ controlul activ, controlul pasiv și controlul mixt.

Controlul activ se realizeazǎ prin motoare hidraulice, numit si 'pitch control'. Sistemul asigurǎ rotirea palelor modificând astfel unghiul de incidențǎ pentru palele sǎ fie poziționate mereu la un unghi optim în raport cu viteza vântului și astfel aceasta sǎ fie valorificatǎ la maximum. Ȋn cazul în care vântul depǎșește viteza nominalǎ, sistemul permite limitarea puterii prin modificarea poziției palelor.

Controlul aerodinamic pasiv este caracterizat prin faptul cǎ palele eolienei sunt fixe in raport cu butucul turbinei și concepute sǎ permitǎ deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea se face progresiv, invers proporțional cu viteza vântului, pânǎ când vântul atinge viteza criticǎ. Acest tip de control este utilizat la majoritatea eolienelor, deoarece are avantajul cǎ nu necesitǎ piese mobile și sisteme de comandǎ în rotorul turbinei.

Controlul mixt realizeazǎ îmbinarea avantajelor controlului activ și al celui pasiv cu scopul de a controla cât mai precis conversia în energie electricǎ. Acest sistem este utilizat la eolienele de foarte mare putere.

Generatorul electric este cel care asigurǎ conversia energiei eoliene în energie electricǎ. La majoritatea sistemelor eoliene sunt folosite generatoare cu puteri de 3÷4 MW, dar existǎ și tipuri cu putere de 5 MW, iar în momentul actual se cerceteazǎ posibilitǎți de montare a unor generatoare cu puteri de peste 5 MW. Generatorul poate sǎ fie de curent continuu sau de curent alternativ. Cele mai utilizate, aproape în totalitate, sunt generatoarele de curent alternativ, datoritǎ prețului și randamentului. Generatoarele de curent alternativ folosite sunt fie de tip sincron, fie de tip asincron, funcționând la vitezǎ fixǎ sau variabilǎ.

Axul principal este un arbore de vitezǎ redusǎ care îndeplinește funcția de conducere a butucului turbinei, reprezentând un angrenaj mecanic.

Axul secundar este un arbore de mare viteză care realizeazǎ conducerea generatorului electric.

Cutia de viteze este cea care realizeazǎ conexiunea dintre arborele de viteză redusă și arborele de mare viteză, adicǎ dintre cel principal și cel secundar, mǎrind viteza de rotație de la butuc la viteza de rotație impusă de cǎtre generator pentru a produce optim energie electrică. Cutia de viteze este foarte costisitoare și reprezintǎ partea cea mai masivǎ a turbinei eoliene, iar din acest motiv inginerii cerceteazǎ tipuri de generatoare care sǎ funcționează la viteze de rotație mai mici în lipsa cutiei de viteze.

Sistemul de frânare reprezintǎ o frână cu disc, care poate fi acționatǎ mecanic, electric, hidraulic pentru oprirea rotorul în situații de urgență, cum ar fi viteza de decuplare mai mare.

Sistemul de control este cel care pornește turbina la viteze optime ale vântului și o oprește atunci când vântul depǎșește viteza impusǎ.

Nacela este carcasa montatǎ în partea superioarǎ a turnului și conține cutia de viteze, arborii de viteză redusă și de viteză mare, generatorul, echipamentele de comandă și de frânare.

Pilonul sau turnul este cel care susține turbina și nacela. Turnurile sunt realizate din oțel tubular, beton sau zăbrele de oțel. Deoarece viteza vântului crește tot mai mult odatǎ cu înălțimea, turnurile se proiecteazǎ a fi cât mai înalte pentru a permite palelor sǎ capteze mai multă energie și în acest mod generatorul va furniza mai multă energie electricǎ.

2.3. Generatorul agregatului eolian

Mașina electricǎ destinatǎ conversiei mecano-electricǎ a energiei, adicǎ generatorul electric, este un element extrem de important al sistemului eolian, care definește cu o pondere importantǎ performanțele întregului sistem. Ȋn funcție de tipul mașinii electrice care realizeazǎ conversia existǎ diferite posibilitǎții de conectare a sistemului eolian la rețea.

La primele prototipuri de turbine eoliene cu viteză fixă ​​au fost folosite generatoare sincrone, dar mașina de inducție părea să fie adoptatǎ apoi pe scară mai largă datoritǎ și costurilor mai mici. G​eneratorul de inducție este folosit mai mult în turbine eoliene cu viteză fixă, conectat direct la rețea. Cutia de viteze modificǎ viteza scăzută de rotație a turbinei la o viteză mare de rotație necesarǎ generatorului. Viteza de rotație a generatoarelor folosite la eoliene este de obicei 1000÷1500 rpm.

Turbine eoliene cu viteză fixă funcționeazǎ într-un interval îngust de timp deoarece depind de viteza vântului.

Ȋn zilele noastre, mulți producători de turbine eoliene se bazeazǎ pe turbine eoliene cu viteză variabilă. Sistemul electric pentru funcționarea cu viteză variabilă este mult mai complicat, în comparație cu sistemul turbinelor eoliene cu viteză fixă​​. Ȋnsǎ funcționarea cu turație variabilă a unei turbine eoliene oferǎ avantajul cǎ ea poate fi folosită pentru o gamǎ mai largǎ de vitezǎ a vântului, deci avantajul principal al sistemelor de viteză variabilă este acela cǎ viteza vântului poate fi controlatǎ.

Dintre generatoarele folosite la sistemele eoliene putem menționa: ganaratoare sincrone cu rotor bobinat, generatoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit, generatoare asincrone cu stator dublu, generator asincron cu reostat în circuitul rotoric, generator sincron cu magneți permanenți, etc.

Fig.2.15. Schema de conectare la rețea a unei eoliene care are în componențǎun generator sincron cu multiplicator și convertor în stator

La generatorul cu magneți permanenți, rotorul este prevǎzut cu magneți permanenți cu flux axial. În cazul utilizǎrii unuei mașini sincrone cu magneți permanenți nu mai este necesarǎ utilizarea multiplicatorul de viteză. Mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă c.a. de frecvență variabilă, generat de mașină în c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei la care este conectatǎ mașina.

Fig.2.16. Schema unei eoliene bazate pe generator sincron cu magneți permanenți

Pentru a putea fi posibilǎ optimizarea puterii debitate în rețea în funcție de viteza vântului trebuie ca să fie posibilǎ reglarea vitezei de rotație a palelor eolienei. Un generator cu viteză variabilă permite funcționarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, fiind posibilǎ astfel utilizarea unei cantități mai mari din energia vântului, fiind redus în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcționeze la puterea maximă.

2.4. Tipuri de instalǎri a turbinelor eoliene

Atunci când vine vorba de amplasarea turbinelor eoliene trebuie luați în calcul foarte mulți factori. Trebuie realizatǎ o evaluarea preliminară a potențialului eolian și a randamentului energetic, planificarea și realizarea de măsurători de vânt, analiza statistică a măsurătorilor de vânt, optimizarea și configurarea parcului eolian, prognoze cu privire la emisiile sonore, măsurarea nivelului emisiilor sonore, elaborarea prognozei cu privire la umbra fixă și mobilă generată de parcul eolian, determinarea nivelului turbulențelor locale, efectuarea unei analize de vizibilitate, investigarea condițiilor meteorologice specifice amplasamentului, analiza condițiilor extreme, evaluarea perioadelor caracterizate de condițiimeteorologice favorabile pentru montarea instalațiilor, specifice proiectelor de energie eoliană, etc.

Turbinele eoliene sunt în general instalate grupat pe o suprafațǎ mai mare, formând astfel parcurile eoliene. Aceastǎ suparfațǎ poate sa fie pe uscat (on-shore) sau în largul apelor (off-shore). Ambele tipuri de instalǎ au avantaje și dezavantaje.

Instalările pe sol (fig.2.17-a) reprezintǎ o soluție mai ieftină dar crează dificultăți în utilizarea agricolă a solului.

Instalările sub formă de ferme în largul mărilor sau oceanelor (fig.2.17-b) au avantajul că vântul are o viteză mai constantă și o duratǎ mai mare. Acest tip de instalare reduce dezavantajul provocat de zgomotul sonor al centralelor eoliene și de asemenea ameliorează estetica mediului. Pot sǎ aparǎ însǎ probleme de integrare în sistemul electroenergetic, iar astfel energie eoliană se va confrunta cu noi probleme. De asemenea, pot sǎ aparǎ probleme legate de mǎrimea, greutatea, fiabilitatea și controlul agregatelor din locații off-shore, care sunt aspecte importante atunci când vine vorba de deplasarea pe mare fațǎ de cea de pe uscat.

Fig.2.17. Tipuri de instalǎri a turbinelor eoliene: a) on-shore, b) off-shore

2.5. Impactul centralelor eoliene asupra securitǎții sistemului electroenergetic

Ȋn zonele cu potențial eolian trebuie sǎ se efectueze studii în ceea ce privește combinația dintre centrale eoliene cu structurile de alimentare existente sau care vor fi create, deoarece pot sǎ aparǎ probleme de integrare dificile. Astfel, prin conectarea centralelor eoliene se vor testa limitele rețelei din punct de vedere tehnic. Mergând mai departe, trebuie sǎ se ia în calcul toate posibilitǎțile de evacuare a puterii produse în sistem în orice moment, deoarece pot sa intervinǎ probleme în care se necesitǎ consolidarea rețelei și implicit apar costuri în plus. Operatorii de sistem trebuie sa fie foarte atenți sǎ nu se ajungǎ la astfel de probleme, deoarece extinderea rețelelor de transport și distribiție pot reprezenta o amenințare serioasă la viabilitatea economică a energiei eoliene.

Fig. 2.18. Conectarea la rețea a unei turbine dintr-un parc eolian

Stabilitatea tensiunii și a frecvenței este impusǎ de cǎtre rețeaua de distribuție. Din acest motiv, trebuie luate măsuri speciale în ceea ce privește etapele tranzitorii de funcționare ale eolienelor, precum pornirea, oprirea sau absorbția rafalelor de vânt.

Pornirea se realizeazǎ cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează valoarea efectivă a tensiunii de alimentare a mașinilor, acestea pornind pe caracteristici artificiale de tensiune.

Sunt prevǎzute norme de calitate a energiei care impun ca eolienele să genereze cât mai puține armonici care sunt cauzate de cǎtre convertoarele statice de tensiune și frecvență utilizate pentru conectarea generatoarelor la rețeaua de distribuție. Pentru combaterea acestora sunt utilizate filtrele.

În ceea ce privește energia reactivă aceasta trebuie asigurată turbinelor eoliene deoarece este necesară magnetizării mașinilor, dar este de preferat din punct de vedere economic ca aceasta să fie preluată din rețeaua de distribuție în proporție cât mai mică.

Ȋn acest scop sunt folosite bateriile de condensatoare ca surse de energie reactivă care asigură compensarea puterii reactive consumate. Astfel se realizeazǎ și ameliorarea factorului de putere al eolienei, se conectează baterii de condensatoare. Acestea sunt construite din trei condensatoare monofazate conectate în schemǎ triunghi.

Ținta politică de perspectivă în ceea ce privește aprovizionarea cu energie trebuie să fie, prin urmare, aceea de a utiliza rețeaua existentă în cea mai mare măsură posibilă. Acest lucru devine posibil prin integrarea turbinelor eoliene a cǎror putere injectatǎ poate sǎ fie toleratǎ cu ușurință de cǎtre rețea. Ȋn evaluarea influențelor pe grila de rețea, operațiunile de control și proiectarea electrotehnice a unei turbine eoliene joacă un rol important.

Progresul enorm fǎcut de energia eoliană și numărul în creștere rapidă a turbinelor eoliene instalate a stimulat interesul deosebit pentru aspectul electrotehnic și electroenergetic.

2.6. Avantajele și dezavantajele centralelor eoliene

În momentul de fațǎ, caracterizat de creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenței de acești combustibili, astfel cǎ energia eoliană a devenit deja, și s-a dovedit acest lucru, o soluție foarte bună pentru problema energetică globală.

Dezvoltarea rapidă în sectorul energiei eoliene a trezit puternic interesul public, politic și științific și a declanșat discuții pe scară largă, multe dintre ele cu privire la gradul în care natura și mediul înconjurător pot sǎ facǎ fațǎ la impactul energiei eoliene.

Dintre avantajele acestui tip de energie se pot enumera:

emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili;

producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de deșeuri;

costuri relativ reduse pe unitate de energie produsă;

costuri reduse de scoatere din funcțiune;

Dezavantajele energiei eoliene sunt:

resursa energetică relativ limitată, inconstanța din cauza variației vitezei vântului și numărului redus de amplasamente favorabile;

"poluarea vizuală" – adică, au o apariție neplăcută;

"poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase);

se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor;

existǎ însǎ și argumente împotriva acestora și anume că turbinele moderne de vânt au o apariție atractivă stilizată, că mașinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele și că alte surse de energie, de exemplu generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare și duc la efectul de seră.

riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depășește limitele admise la proiectare; oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.

Pentru a satisface cerințele politice în ceea ce privește impactul asupra mediului, creșterea pe termen lung a energiei eoliene trebuie să aibǎ o intenție bine structuratǎ, deoarece obținerea de energie electrică din vânt oferă în prezent cele mai ieftine perspective tehnice și economice ale surselor regenerabile de energie, și de aceea trebuie să i se acorde prioritate maximă.

III. Metoda elementului finit și mediul Opera

Evoluția tehnologiei și progresul umanitǎții au la bazǎ un considerent foarte important, și anume calculul ingineresc care este o componentǎ esențialǎ a procesului de proiectare. Proiectarea reprezintǎ o activitate de creație care implicǎ o serie de cunoștințe multidisciplinare având ca scop primordial obținerea celui mai bun sistem posibil pentru un ansamblu de cerințe riguros impuse. Concomitent cu aceseta s-au dezvoltat metodele de calcul și soft-uri performante care în momentul actual sunt indispensabile în procesele de proiectare și de studiu de regimuri.

3.1. Aspecte generale privind metodele numerice de calcul

Calculele sunt cele care furnizeazǎ informații proiectantului referitoare la structura sistemului și comportamentul sǎu în diferite situații și trebuie avute în vedere pentru evitarea rezultatelor eronate care pot conduce la periclitarea funcționǎrii altor sisteme cu care interacționeazǎ. Prin urmare, tehnicile și metodele de calcul s-au dezvoltat treptat pe mǎsurǎ ce au fost acumulate cunoștințe teoretice și tehnice, simultan cu evoluția calculatoarelor numerice.

Multitudinea metodelor de calcul utilizate la ora actualǎ oferǎ inginerului posibilitatea alegerii celei mai bune soluții în scopul de a rezolva problemele întâmpinate la proiectarea unui echipament și de a stimula funcționarea acestuia la performațe ridicare.

Metodele de calcul folosite în practica inginereascǎ pot fi împǎrțite în douǎ mari categorii:

metode exacte (sau analitice);

metode aproximative.

Ȋn ceea ce privește utilizarea acestora, metodele exacte sunt aplicabile doar pentru rezolvarea unui numǎr relativ scǎzut de probleme simple. Geometria modelului studiat și tipul condițiilor de limitare sunt cele care impun restricțiile de utilizare ale acestor metode. Când se pune problema rezolvǎrii problemelor mai complexe, pontru care nu se poate obține o soluție analiticǎ, se apeleazǎ la metodele aproximative. Ideea de bazǎ este cǎ oricare dintre metode ar fi adoptate de cǎtre proiectant, aceasta trebuie sǎ furnizeze o soluție suficient de precisǎ pentru problema practicǎ analizatǎ.

3.2. Noțiuni de bazǎ privind metoda elementelor finite

Dezvoltarea tehnologiei a dus la conceperea de sisteme complexe fapt care face ca disciplinele tehnice clasice sǎ întampine adeseori greutați în rezolvarea unor probleme practice din motiv cǎ geometria complexă și mai ales condițiile la limită, nu pot încadra problema în categoria celor care pot fi rezolvate pe cale analiticǎ. Una dintre soluțiile cele mai răspandite și utilizate la ora actualǎ în rezolvarea problemelor inginerești complexe este Metoda elementelor finite (pe scurt, MEF), ce reprezintǎ un puternic instrument de calcul aflat la îndemana inginerului.

Metoda elementelor finite este o tehnicǎ numericǎ generalǎ de rezolvare aproximativǎ a ecuațiilor diferențiale cu derivate parțiale care descriu sau nu fenomene fizice. Ca și principiu de bazǎ, MEF constǎ în descompunerea domeniului de analiză în porțiuni de formă geometrică simplă, analiza acestora și recompunerea domeniului respectând anumite cerințe matematice.

Dupǎ cum se poate concluziona și din definiția de mai sus, MEF face parte din categoria metodelor de calcul aproximative, fiind departe de perfecțiune, dar reprezintǎ cea mai bună metodǎ dintre cele disponibile în prezent pentru o gamǎ largǎ de tipuri de calcule, din toate domeniile activităților inginerești.

Referitor la domeniile de întrebuințare, metoda poate fi aplicatǎ în orice domeniu de activitate care descrie un fenomen cu ajutorul unor ecuații diferențiale. Dintre aplicațiile inginerești care folosesc în mod deosebit acestǎ metodǎ putem menționa:

analiza structuralǎ (static/ dinamic/ liniar/ neliniar);

analiza termicǎ;

analiza electricǎ;

analiza fluidelor;

analiza magneticǎ;

ingineria aerospațialǎ, ingineria automobilelor, etc.

Eatapele parcurse în rezolvarea numericǎ a unor sisteme cu ajutorul MEF sunt următoarele:

1. crearea modelului geometric al corpului analizat și discretizarea acestuia în elemente finite prin utilizarea anumitor tipuri de elemente finite și tehnici de discretizare;

2. obținerea formei variaționale corespunzătoare fenomenului studiat și minimizarea funcționalei pătratice asociate acestei forme;

3. determinarea soluțiilor aproximative ale ecuației diferențiale obținute din minimizarea funcționalei pătratice asociate prin utilizarea diferitelor metode de calcul variațional;

4. rezolvarea numerică a sistemului de ecuații liniare sau a ecuației matriceale globale obținută după “asamblarea” matricelor de rigiditate ale elementelor finite și după impunerea condițiilor la limită globale (condițiile de legătură cu mediul fix, deplasări impuse cunoscute și forțe de legătură necunoscute);

5. postprocesarea rezultatelor sau calculul variabilelor secundare, trasarea diagramelor de variație a tensiunilor induse în cazul generatoarelor de exemplu, reprezentarea câmpului magnetic, etc.

Ȋn cazul în care se folosește un program soft conceput pe baza MEF, unele dintre etapele de mai sus mai sunt parcurse automat de cǎtre program, fǎrǎ a mai fi necesarǎ intervenția analistului.

Ȋn practicǎ, utilizatorul trebuie sǎ aibǎ ca prim pas de abordare construirea unui model geometric care sǎ reprezinte structura sistemului real de analizǎ (folosind un program CAD sau facilitǎțile de desenare puse la dispoziție de programul MEF) raportat la un sistem de referințǎ cartezian XOY (dacǎ este vorba de proiectare 2D) sau OXYZ (dacǎ proiectarea se realizeazǎ 3D).

Dupǎ ce acest lucru a fost realizat, pentru ca structura sǎ poatǎ fi analizată cu metoda elementelor finite, pasul urmǎtor reprezintǎ elaborarea modelului de calcul al structurii respective. Ȋn aceastǎ etapǎ introduc ecuațiile care descriu comportarea individualǎ a fiecǎrui element îıntr-un sistem de ecuatții care descrie comportarea întregii structurii analizate.

Modelele utilizate de MEF sunt modele matematice aproximative ale structurii care urmează să fie analizată. Tranziția de la structura reală la modelul ei de calcul nu poate fi realizatǎ prin elaborarea unui sistem unic, deoarece nu există algoritmi și metode generale care să asigure elaborarea unui model unic prin care sǎ poatǎ fi aproximatǎ cu o eroare cunoscută structura ce urmează a fi analizatǎ. Existǎ adesea posibilitatea ca pentru o structură să fie elaborate mai multe modele, care sǎ fie coretce toate, dar a cǎror performanțe sǎ fie diferite.

Pentru ca structura sǎ poatǎ fi rezolvatǎ cu MEF, volumul ei trebuie împǎrțit într-un numǎr NE de subdomenii sau fragmente de formǎ geometricǎ relativ simplǎ, numite elemente finite. Acest procedeu se numește discretizare și reprezintǎ unul dintre lucrurile fundamentale ale MEF, pe baza sa fiind posibilǎ trecerea de la structura continuǎ, cu o infinitate de puncte, la un model discret cu un numǎr finit de puncte. Ȋn așa fel sistemul real este înlocuit cu o rețea de elemente finite (numitǎ rețea de discretizare) care nu se intersecteazǎ între ele, astfel cǎ poate fi scrisǎ relația α).

unde: V- volumul structurii;

– volumul unui subdomeniu;

e- indice superior prin care se realizeazǎ raportarea la un element oarecare;

NE- numǎrul de elemente finite.

Elementele finite se conecteazǎ între ele la extremitǎți prin intermediul unor puncte comune definite prin rețeaua de discretizare, care pot reprezenta vârfurile unui patrulater sau unui triunghi (fig. 3.1), de exemplu. Aceste puncte poartǎ numele de noduri și sunt elementele în care se definesc necunoscutele nodale primare, ale cǎror valori reprezintǎ rezultatele analizei cu elemente finite.

Fig. 3.1. Discretizarea domeniului de analizǎ al unei structuri

Ȋn exemplul prezentat în figura 3.1, ca și în toate cazurile de proiectare 2D, fiecare nod din domeniul de analiză poate avea o deplasare posibilă pe orizontală (axa OX) și una pe verticală (axa OY), astfel se poate spune că deplasarea unui nod în plan este definitǎ unic prin existența a doi parametri independenți. Acești parametri poartă denumirea de grade de libertate atașate nodului. De obicei, gradele de libertate ale tuturor nodurilor definite sunt cele care oferă necunoscutele primare ale problemei în MEF. Existǎ și cazul în care pentru unele noduri deplasările sǎ fie nule, astfel în aceste puncte gradele de libertate se definesc "potențial", și ele nu reprezintă necunoscute.

Numărul total de grade de libertate N al problemei se obține prin însumarea gradelor de libertate active ale tuturor nodurilor. Gradele de libertate active sunt acele grade de libertate care definesc o deplasare necunoscută.

Din cele prezentate anterior reiese că un domeniu continuu cu un număr infinit de grade de libertate poate fi transpus într-un model discret cu N grade de libertate, iar astfel sunt limitate necunoscutele problemei funcție de discretizare.

3.3. Calculul numeric al câmpului electromagnetic cu ajutorul MEF

Atunci când este adus în discuție termenul de „ câmp“, din punct de vedere ingineresc, acestuia i se pot asocia mai multe semnificații, în funcție de ipostazele în care este întrebuințat, și anume:

a) o formǎ de materie, adicǎ un sistem fizic; –aceasta reprezintǎ semnificația fundamentalǎ;

b) o mulțime de valori ale unei funcțiuni de punct (câmp de temperaturi, câmp de vectori) – reprezintǎ semnificația matematicǎ;

c) o regiune dintr-un anumit spațiul în care se manifestǎ diferite proprietǎți; – reprezintǎ semnificația utilizatǎ în fizicǎ;

d) intensitatea câmpului sau mǎrimea de stare a câmpului –semnificație utilizatǎ în exprimarea scurtatǎ.

Dacǎ ar fi sǎ considerǎm câmpul ca o regiune dintr-un spațiu în care se pot exercita anumite forțe asupra corpurilor, atunci se poate face referire la termenul de câmp electric, respectiv de câmp magnetic. Câmpul electric se definește ca regiune a spațiului caracterizatǎ de proprietatea cǎ în oricare punct al ei s-ar gǎsi un mic corp încǎrcat cu electricitate, acesta ar fi supus acțiunii unei forțe care nu s-ar exercita dacǎ respectivul corp nu ar fi încǎrcat astfel. (DEX) Câmpul magnetic reprezintǎ o regiune a spațiului caracterizată prin faptul că, în oricare punct al ei s-ar găsi un mic magnet, acesta ar fi supus unor forțe de aceeași natură ca cele care se exercită între doi magneți vecini. (DEX)

Propietatea de bazǎ a celor douǎ câmpuri menționate mai sus este aceea cǎ orice câmp electric variabil în timp produce un câmp magnetic, care este de asemenea variabil în timp, iar orice câmp magnetic variabil în timp conduce la apariția unui câmp electric variabil în timp. Din aceasta se poate trage o concluzie foarte importantǎ și anume cǎ aceste câmpuri ocupǎ în același timp un spațiu comun, fiind legate între ele și formeazǎ un întreg numit câmp electromagnetic.

Acesta reprezintǎ o formǎ a materiei prin intermediul căreia are loc interacțiunea dintre particule, deoarece, ca orice formǎ de materie, câmpul electromagnetic poate avea energie și impuls pe care le poate transmite corpurilor.

Starea câmpului electromagnetic este definită de douǎ mărimi vectoriale:

vectorul câmp magnetic ; (măsoară latura magnetică a câmpului prin curenții totali ce produc câmpul);

vectorul câmp electric ; (măsoară latura electrică a câmpului prin interacțiunile electrice pe care le produce).

Analizǎ performanțelor oricǎrui dispozitiv electromagnetic poate fi realizatǎ prin cunoașterea distribuției câmpului electromagnetic, adicǎ prin rezolvarea ecuațiilor pe care le satisface respectivul câmp. Studiul general și sistematic al câmpului electromagnetic în interiorul dispozitivelor electromagnetice (cazul mașinilor electrice, de exemplu) se poate realiza cu ajutorul formelor locale ale legilor generale numite ecuațiile teoriei Maxwell-Hertz, care se compun din ecuații de evoluție, de stare și de material:

unde: intensitatea câmpului magnetic [A/m];

densitatea curentului electric [A/];

inducția electricǎ [C/];

intensitatea câmpului electric [V/m];

inducția magneticǎ [T];

densitatea de volum a sarcinii [C/];

conductivitatea electricǎ [S/m];

permitivitatea absolutǎ [F/m];

permeabilitatea absolutǎ [H/m].

Relația 3.1 reprezintǎ un caz particular al legii circuitului magnetic sub formǎ localǎ dezvoltatǎ pentru corpuri în repaus (v=0) și reprezintǎ ecuația a I-a a lui Maxwell. Relația 3.2 reprezintǎ forma localǎ dezvoltatǎ a legii inducției electromagnetice atunci când corpurile sunt în stare de repaus (v=0). Aceasta este recunoscutǎ ca ecuația a II-a a lui Maxwell.

Ȋn relația 3.3 este definitǎ forma localǎ a legii fluxului magnetic care reflectǎ ideea cǎ în orice punct din câmp, divergența inducției magnetice este nulǎ. Relația 3.4 exprimǎ forma localǎ a legii fluxului electric.

Relația 3.5 reprezintǎ legea conducției electrice în formǎ localǎ pentru medii liniare, izotrope și omogene. Se enunțǎ astfel: în fiecare punct și în orice moment, vectorul densitate a curentului electric de conducție este proporțional cu vectorul intensitate a câmpului electric , factorul de proporționalitate fiind conductivitatea electricǎ .

Relația 3.6 este o formǎ simplificatǎ a legii legǎturii dintre vectorii inducție electricǎ, intensitatea câmpului electric și polarizarea electricǎ pentru medii liniare, izotrope și omogene, farǎ polarizare permanentǎ. Ultima relație, 3.7, provine din legea legǎturii dintre vectorii inducție magneticǎ, intensitatea câmpului magnetic și magnetizația M, reprezentând ecuația constitutivǎ a câmpului magnetic pentru medii liniare, izotrope și omogene, fǎrǎ magnetizație permanentǎ.

Dacǎ în prima ecuație a lui Maxwell se considerǎ regimul staționar, adicǎ mǎrimile sunt invariabile în timp, se obține teorema lui Ampere (relația 3.8):

Descrierea câmpurilor magnetice create de curenți electrici constanți, când derivatele dupǎ timp sunt nule, se realizeazǎ cu ajutorul relațiilor 3.3, 3.7 și 3.8. Dacǎ se cunosc aceste formule și condițiile la limitǎ se poate determina câmpul magnetic.

Relațiile descrise anterior sunt folosite pentru rezolvarea numericǎ a câmpului electromagnetic pe cale analiticǎ cu ajutorul unor concepte matematice, precum dezvoltarea în serii a funcțiilor, metoda integrǎrii Poisson- Laplaceprin separarea variabilelor, transformata Fourier, transformata Laplace, polinoamele Lagrange, metoda funcțiilor Green, etc. Dar acestea pot fi folosite pentru problemele simple, de complexitate redusǎ. Pentru probleme cu complexitate mai mare, rezolvarea ecuațiilor Maxwell- Hertz fie sub formǎ localǎ, fie sub formǎ integralǎ reprezintǎ un proces dificil care face apel la cunoștințe avansate de matematicǎ. La acestea se mai adaugǎ influența anumitor simplificǎri și eroarea umanǎ, factori își pun amprenta asupra preciziei rezultatelor.

Din acest motiv, dar și din expansiunea domeniului calculatoarelor, s- au dezvoltat și alte metode pentru rezolvarea ecuațiilor câmpului electromagnetic pentru o gamǎ extinsǎ de geometrii și materiale, precum metodele numerice, grafice, grafo-analitice și analogice.

Metodele numerice pot fi aplicate oricărei configurații, eroarea rezultatelor depinzând de metoda folosită și de numǎrul elementelor rețelei de discretizare. Principalele metode numerice sunt utilizate sunt metoda diferențelor finite, metoda elementelor finite, metoda elementelor de frontieră și metoda Monte-Carlo.

Metodele grafice au ca teorie principalǎ trasarea spectrului câmpului studiat. Metoda grafo-analitică pornește de la aproximarea formei liniilor de câmp prin segmente drepte și arce de cerc. Metodele analogice folosesc reprezentarea câmpului electromagnetic prin câmpuri de altă natură prin care pot măsura mai ușor anumite mărimi de câmp.

Așa cum am mai precizat, metoda elementelor finite face parte din categoria metodelor numerice care au la bazǎ aplicarea unor principii variaționale pentru rezolvarea ecuațiilor cu derivate partiale. Câmpul electromagnetic poate fi descris cu ajutorul acestei metode prin calcule iterative ce conduc la determinarea unei funcții potențial care descrie comportarea câmpului respectiv. Principala idee care stǎ la temelia acestei metode se referǎ la descompunerea unor structuri complicate în mai multe elemente simple pentru care se pot aplica formule de calcul mai puțin complicate.

3.4. Prezentarea mediului soft “Opera” dedicat calculului câmpului electromagnetic

Ȋn decursul anilor, dar mai ales în ultimele douǎ decenii, au fost concepute numeroase sisteme de programare pentru proiectarea asistatǎ de calculator (CAD), bazate pe conceptul MEF și pe relațiile descrise în subcapitolul anterior, în scopul rezolvǎrii numerice a câmpului electromagnetic. Unul dintre aceste programe este Opera, software pe care l-am utilizat în scopul analizei numerice a câmpului electromagnetic a unui generator sincron cu magneți permanenți.

Opera reprezintǎ un program complex ce poate fi folosit pentru o gamǎ largǎ de aplicații, nu doar cele cu privire la analiza electromagneticǎ, atât în modul 2D, cât și în modul 3D, ambele bazate pe metoda elementului finit. Regiunea de interes pentru elementul finit o constituie ochiurile de rețea. Deoarece numǎrul de elemente este limitat și trebuie sǎ fie finit, ochiurile trebuie sa aibǎ o granițǎ exterioarǎ. Acestei granițe i se impun condițiile “la limitǎ” sau “condiții de frontierǎ”. Existǎ trei condiții principale care se impun:

prima condiție de frontierǎ se impune în cazul în care câmpul magnetic este închis în interiorul modelului și reprezintǎ cazul cel mai frecventǎ; în situația aceasta câmpul magnetic este tangent la granița exterioarǎ;

a doua condiție de frontierǎ se impune atunci când câmpul magnetic este perpendicular pe o limitǎ;

al treilea caz este întâlnit mai rar și reprezintǎ situația în care câmpul magnetic poate avea orice direcție la limitǎ.

Pentru granițele interne (de exemplu întrefier, aer) condițiile necesare se aplicǎ în mod automat.

Programul Opera a fost conceput pe principiul metodei elementelor finite fiind utilizat ca instrument de analizǎ în diferite domenii inginerești, printre care și cel de studiu al câmpului electromagnetic a mașinilor electrice. Idee de bazǎ constǎ în crearea unui model, a unui prototip, a structurii reale ce se dorește a se analiza, într-un pre-procesor, dupǎ care se realizeazǎ calculele a cǎror rezultate prelucrate pot fi vizualizate în post-procesor.

Pentru etapa de pre-procesorare softul oferǎ la dispoziția utilizatorului o interfațǎ graficǎ de tip CAD în care poate fi creatǎ o schițǎ pe baza careia este conceput modelul pe care utilizatorul dorește sǎ-l analizeze. Tot în cadrul acestei etape sunt precizate datele de intrare, definițiile materialelor, tipul analizei (static, dinamic, termic, stabilitate, etc.), forma, numǎrul, tipul și dimensiunile elementelor finite folosite, numǎrul de noduri, condițiile la limitǎ și inclusiv generarea ochiurilor de rețea, adicǎ discretizarea, operația cea mai laborioasǎ și cea mai dificilǎ a preprocesǎrii. Discretizarea se poate face automat prin proceduri specializate a cǎror opțiuni sunt specificate de cǎtre utilizator sau direct de cǎtre utilizator prin specificarea tuturor coordonatelor nodale și a elementelor finite. Aceastǎ operație poartǎ numele de meshing, iar felul în care s-a realizat acest proces va avea categoric influențǎ asupra calitǎții rezultatelor numerice și a performanțelor modelului analizat cu MEF.

Dupǎ ce datele de intrare au fost înregistrate în preprocesor ele urmeazǎ sǎ fie prelucrate, iar rezultate obținute sunt stocate într-un fișier din care pot fi apelate și folosite ulterior ca date de intrare pentru etapa de post-procesare. Ȋn aceastǎ fazǎ de post-procesare rezultatele obținute pot fi vizualizate sub formǎ graficǎ sau tabelarǎ și ulterior interpretate pentru validarea modelului de calcul.

IV. Analiza numericǎ a unui generatoar sincron cu magneți permanenți

Ȋn prezentul capitol sunt trate aspecte cu privire la datele nominale ale unui generator sincron cu magneți permanenți utilizat pentru un agregat eolian și rezultatele obținute în urma analizei numerice a câmpului electromagnetic al generatorului prin utilizarea metodei elementelor finite. Ȋn prima parte sunt prezentate câteva noțiune generale despre mașinile generatoare cu magneții permanenți, iar apoi sunt prezentate datele nominale și rezultatele obținute în urma analizei generatorului studiat.

4.1. Generalitǎți despre generatoare cu magneți permanenți

Așa cum am precizat și în capitolul al doilea, principiul de funcționare al mașinii sincrone în regim de generator presupune producerea unui câmp magnetic învârtitor inductor care în final produce un câmp magnetic de reacție, iar prin compunerea celor douǎ se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină.

Câmpul magnetic învârtitor rotoric poate sǎ fie generat de cǎtre înfășurarea de excitație parcursă de c.c. sau de magneți permanenți repartizați uniform la periferia rotorului mașinii. Magneții permanenți asigurǎ un flux de excitație constant, tensiunea produsǎ de generator fiind proporționalǎ cu turația.

Mașinile sincrone în construcție clasicǎ, cu excitație electromagneticǎ, au dezavantajul cǎ necesitǎ prezența unei surse de curent continuu, a periilor și a inelelor colectoare pentru alimentarea excitației. Ȋn scopul eliminǎrii acestui inconvenient s-a ales ca soluție folosirea magneților permanenți la mașinile de puteri mici și medii.

Materialele clasice pentru magneți permanenți, dintre care AlNiCo (Aluminiu-Nichel- Cobalt) și feritele, prezintǎ dezavantaje precum remanențǎ magneticǎ scǎzutǎ ce conduce la o densitate micǎ a fluxului magnetic în întrefier sau demagnetizarea lor în prezența unui câmp electric de intensitate ridicatǎ. De-a lungul timpului însǎ, s-au descoperit materiale magnetice noi, denumite “pǎmânturi rare”, a cǎror proprietǎți asigurǎ o remanențǎ magneticǎ ridicatǎ și implicit o densitate mare a fluxului magnetic în întrefier și un câmp magnetic coercitiv ridicat, fiind astfel mai rezistente la demagnetizare. Cele mai utilizate dintre aceste materiale sunt NdFeB (Neodin-Fier-Bor), și (Samarium Cobalt). Din punct de vedere economic aceste materiale sunt foarte scumpe, dar oferǎ în schimb performanțe superioare la utilizarea lor în construcția mașinilor electrice. Odată cu dezvoltarea producției de magneți permanenți cu asemenea performanțe, s-a ales folosirea lor pe scarǎ largǎ pentru excitarea mașinilor sincrone. Această soluție a dus la o serie de avantaje precum:

– cantitatea de material necesarǎ pentru realizarea unui magnet este redusǎ și astfel rezultǎ un volum al magneților mult mai mic, rezultând în final dimensiuni și greutǎți mult mai reduse ale mașinilor;

– construcție simplă (nu mai este necesarǎ construcția periilor și inelelor colectoare și a înfășurarǎrii de excitație);

– inerția rotorului este scǎzutǎ, obținându-se astfel o mașinǎ cu un cuplu electromagnetic ridicat;

– crește fiabilitatea;

– se obțin randamente superioare (sunt eliminate pierderile care aveau loc în înfǎșurarea de excitație).

Acest tip de mașini sincrone sunt folosite pe scarǎ largǎ sub formǎ de generatoare, în aplicații pentru microhidrocentale și în ultima vreme din ce în ce mai des ca generatoare pentru centralele eoliene.

Pe lângǎ avantajele prezentate anterior, folosirea generatoarelor sincrone la agregatele eoliene oferǎ și avantajul cǎ se poate renunța la multiplicatorul mecanic, generatoarele fiind prevǎzute cu un numǎr mare de poli și turație de sincronism micǎ, așa cum este și cazul generatorului analizat în cazul de fațǎ. Ȋn acest caz, proiectarea generatorului trebuie realizatǎ astfel încât acesta sǎ atingǎ performanțele maxime prin funcționare la o turație scǎzutǎ și variatǎ impusǎ de cǎtre sursa primarǎ. Prin cuplarea directǎ a turbinei cu generatorul se obține avantajul cǎ este eliminat din lanțul cinematic un echipament complex care este destul de scump, necesitǎ întreținere periodicǎ, iar prin lipsa lui crește randamentul deoarece o parte mai mare din energia eolianǎ poate fi convertitǎ în energie electricǎ. Un alt avantaj este eliminarea zgomotului produs de cǎtre multiplicatorul cu roți dințate.

4.2. Prezentarea datelor nominale și a parametrilor generatorului sincron studiat

Lucrarea de fațǎ are ca obiect de studiu un generator sincron cu magneți permanenți cu aplicabilitate pentru agregate eoliene sau microhidrocentrale. Pentru simularea numericǎ a generatorului a fost folosit softul Opera, modulul 2D, elaborat de cǎtre firma Vector Fields.

Datele nominale ale generatorului sincron studiat sunt:

puterea nominalǎ:

curentul nominal:

turația nominalǎ:

frecvența nominalǎ:

cuplul nominal:

Statorul și rotorul mașini au fost realizate din tablǎ silicioasǎ cu grosimea și pierderi specifice la 1T. Caracteristica de magnetizare a materialului este datǎ în figura 4.1.

Fig. 4.1. Caracteristica de magnetizare pentru tabla silicioasǎ

Lungimea mașinii este , iar principale dimensiuni geometrice sunt prezentate în figura 4.1.

Fig. 4.1. Dimensiunile geometrice principale ale generatorului

Topologia cea mai des întâlnitǎ la generatoarele cu magneți permanenți este cea cu magneții așezați radial pe o suprafațǎ, configurație care oferǎ performanțe bune și eficiențǎ mare. Magneții sunt lipiți direct pe suprafața rotoricǎ constituind o structurǎ mecanicǎ simplǎ a rotorului.

Statorul mașinii conține un numǎr de crestǎturi statorice în care sunt plasate înfǎșurarile de curent alternativ, iar rotorul conține un numǎr de perechi de poli (fig. 4.2.). Dimensiunile geometrice ale crestǎturilor și ale magneților mașinii sunt prezentate în figura 4.3.

Fig. 4.2. Ȋnfǎșurǎrile statorice și magneții plasați pe rotor

Fig. 4.3. Dimensiunile geometrice ale crestǎturilor și ale magneților generatorului

Ȋnfǎșurarea din crestǎturile statorice este de tip trifazat, schema de bobinaj având un singur strat, iar bobinele folosite au un numǎr spire. Rezistența unui conductor pe unitatea de lungime este . Schema de bobinaj cu cele trei circuite ale mașinii este prezentate în figura prezentatǎ în figura 4.4.

Fig. 4.4. Schema de bobinaj a mașinii

La periferia statorului sunt plasați un numǎr de 32 de magneți permanenți de tip NdFeB a cǎror curbǎ de magnetizare este prezentatǎ în figura 4.5. Lungimea unui magnet este , iar grosimea .

Fig. 4.5. Caracteristica de magnetizare pentru magneți permanenți de tip NdFeB

4.3. Analiza numericǎ a câmpului magnetic și rezultatele obținute

Așa cum am stabilit, analiza numericǎ a generatorului a fost realizatǎ cu ajutorul programului Opera, soft care are la bazǎ metoda elementului finit. Pe baza modelului realizat au fost obținute diferite rezultate cu privere la caracteristicile generatorului. De asemenea, vor fi prezentate și exemple care pun în evidențǎ filozofia programului și a metodei numerice folositǎ de cǎtre acesta.

Ȋn cele ce urmeazǎ vor fi prezentate rețeaua de discretizare pentru trei cazuri diferite și rezultatele obținute pentru fiecare caz. Acest lucru a fost realizat pentru a pune în evidențǎ raționametul programului și felul în care sunt influențate calculele bazate pe metoda elementelor finite.

Ȋn primul caz a fost aleasǎ o rețea de discretizare realizatǎ dintr-un numǎr de 40471 noduri și 80346 elemente, prezentatǎ în figurile 4.6.a și 4.6.b.

Fig. 4.6.a. Rețeaua de discretizare pentru cazul 1

Fig. 4.6.b. Rețeaua de discretizare pentru cazul 1

Pe baza acestei rețele alese au fost obținute urmǎtoarele rezultate afișate în figurile 4.7.a și 4.7.b.

Fig. 4.7.a. Liniile de câmp ale potențialului magnetic

Fig. 4.7.b. Liniile de câmp ale potențialului magnetic

Ȋn al doilea caz, rețeaua de discretizare aleasǎ este puțin mai rarefiatǎ decât cea din primul caz. Ȋn acest caz rețeaua este formatǎ din 28253 de noduri și 56042 de elemente.

Fig. 4.8. Rețeaua de discretizare pentru cazul al doilea

Fig. 4.9.a. Liniile de câmp ale potențialului magnetic pentru cazul al doilea

Fig. 4.9.b. Liniile de câmp ale potențialului magnetic pentru cazul al doilea

Ȋn cel de-al treilea caz, rețeaua de discretizare aleasǎ este mult mai rarefiatǎ decât cea din primul caz. Numǎrul de elemente din care este formatǎ rețeaua în acest caz a fost redus de aproximativ patru ori din numǎrul elementelor din primul caz. Mai exact, în acest exemplu rețeaua este formatǎ dintr-un numǎr de 9996 de noduri și 19924 de elemente.

Fig. 4.10.a) Rețeaua de discretizare pentru cazul al treilea

Fig. 4.10.b) Rețeaua de discretizare pentru cazul al treilea

Fig. 4.11.a) Liniile de câmp ale potențialului magnetic pentru cazul al treilea

Ȋn urma rezultatelor obținute în cele trei cazuri, prin compararea acestora se observǎ modul în care rețeaua de discretizare construitǎ pe baza numǎrului de elemente finite impus influențeazǎ rezultatele obținute pe baza calculelor. Concluzia cea mai importantǎ care poate fi trasǎ de aici este cǎ numǎrul de elemente finite trebuie sǎ fie cât mai mare, iar cu cât acesta scade, cu atât rezultatele sunt mai puțin precise, adicǎ eroare de calcul este invers proporționalǎ cu numǎrul de elemente finite.

Un alt aspect important tot cu privire la liniile de câmp ale inducției magnetice se referǎ la modul în care acestea formeazǎ fluxul util în funcție de poziția magnetului permanent. Un prim caz poate fi acela în care magnetul permanent este poziționat cu axa “d” perpedincularǎ pe înfǎșurarea statoricǎ (fig. 4.12 a) și 4.12 b)). Când magnetul ajunge în aceastǎ poziție reprezintǎ cazul cel mai defavorabil, deoarece se observǎ cǎ nicio linie de câmp nu înlǎnțuie înfǎșurarea statoricǎ, astfel cǎ toate liniile câmpului magnetic formeazǎ flux de dispersie.

Fig. 4.12. a) Liniile de câmp ale inducției magnetice

Fig. 4.12. b) Liniile de câmp ale inducției magnetice

Când rotorul își modificǎ poziția cu un sfert de pas polar se observǎ magnetul ajunge într-o poziție din care câteva linii de câmp reușesc sǎ înlǎnțuie înfǎșurarea și sǎ formeze flux util.

Fig. 4.13. Liniile de câmp ale inducției magnetice dupǎ rotirea

rotorului cu un sfert de pas polar

Cea mai favorabilǎ poziție a magnetului este atunci când el se aflǎ poziționat cu axa “d” perpendicularǎ pe dintele statorului (fig. 4.14). Acest lucru a fsot scos în evidențǎ tot prin analiza staticǎ a modelului, prin modificare poziției rotorului cu jumǎtate de pas polar fațǎ de poziția în care s-a aflat inițial. Când magnetul a ajuns în aceastǎ poziție se observǎ cǎ majoritatea liniilor câmpului magnetic înlǎnțuie înfǎșurarea statoricǎ și astfel fluxul util este maxim.

Fig. 4.14. Liniile de câmp ale inducției magnetice în momentul

în care magnetul este poziționat dupǎ axa “d” perpendicular pe dintele statorului

Ȋn toate exemplele prezentate anterior rotorul s-a aflat în poziție de repaus, adicǎ modelul a fost analizat din punct de vedere static. Ȋn continuare sunt prezentate rezultate ale simulǎrii când rotorul se aflǎ în mișcare, adicǎ de aceastǎ datǎ a fost setatǎ opțiunea pentru analizǎ dinamicǎ.

Analiza dinamicǎ a generatorului în cauzǎ a fost realizatǎ pentru turații diferite. Formele de undǎ ale tensiunii electromotoare induse în cele trei faze statorice obținute la turația nominalǎ sunt prezentate în figura 4.15.

Fig. 4.15. Formele de undǎ ale tensiunii electromotoare induse

în cele trei faze statorice

Valoarea frecvenței și a amplitudinii tensiunii electromotoare induse depind de turația mașinii. La o turație perioada mecanicǎ poate fi calculatǎ prin egalitatea 120 rot/min 2 rot/s și astfel rezultǎ o perioadǎ . Viteza unghiularǎ a rotorului poate fi calculatǎ cu relația:

Cunoscând valoarea perioadei mecanice și numǎrul de perechi de poli ai generatorului, pe baza relației urmǎtoare se calculeazǎ perioada tensiunii electromotoare induse:

Frecvența tensiuneii electromotoare induse este determinatǎ pe baza relației de mai jos:

Din figura 4.16 se poate observa diferența dintre amplitudinea și frecvența tensiunii electromotoare în cazul în care turația scade la jumǎtate fațǎ de turația nominalǎ, adicǎ la turația , fațǎ de valoarea frecvenței și a amplitudinii tensiunii electromotoare induse cazul în care mașina funcționeazǎ la turația nominalǎ.

Fig. 4.16. Formele de undǎ ale tensiunii electromotoare induse la turații diferite

La turația , perioada mecanicǎ este , iar pe baza relațiilor 4.2 și 4.3 pot fi determinate valoarea frecvența și valoarea perioadei tensiunii electromotoare induse. Astfel, la o turație de 60 rpm rezultǎ o valoare a perioadei tensiunii electromotoare induse și o valoare a frecvenței

Un factor important care se manifestǎ la aceast generator și în special la mașinile electrice la care turația este scǎzutǎ, este cuplul rezistent rezultat în urma interacțiunii dintre câmpul magnetic produs de magneții permanenți cu înfașurǎrile statorice ale mașinii, cunoscut sub denumirea de cogging torque. Valoarea cuplului este dependentǎ de unghiul mecanic, adicǎ poziția relativǎ dintre rotor și stator, indiferent dacǎ rotorul este în mișcare sau repaus, și de numǎrul polilor magnetici și a crestǎturilor din stator.

Așa cum am precizat, acest fenomen se manifestǎ în special la mașinile electrice care funcționeazǎ la turație scǎzutǎ, iar efectele sale se manifestǎ sub formǎ de trepidații. Frecvența cuplului rezistent este datǎ de regulǎ de cǎtre cel mai mic multiplu comun dintre numǎrul de poli și numǎrul de crestǎturi ale mașinii. Astfel, în stadiul de proiectare a mașinii se ține cont de acest lucru și astfel poate fi posibilǎ realizarea unei frecvențe foarte mari a cuplului rezistent care duce la scǎderea amplitudinii acestuia.

Metoda elementului finit și softul Opera ne permit o analizǎ numericǎ asupra cuplului rezistent, astfel cǎ pentru magneți permanenți de lungime vârful cuplului are valoarea de 0.8 Nm ceea ce reprezintă aproximativ 0.2% din cuplul nominal[12], valoare acceptată pentru calculul de proiectare. Rezultatul este redat în figura 4.17. [12]

Fig. 4.17. Cuplului rezistent al generatorului obținut prin

analiza MEF [12]

V. Concluzii

Scopul principal al prezentei lucrǎri a fost analiza numerică a câmpului electromagnetic al unui generator sincron cu magneți permanenți folosind metoda elementelor finite. Pe de altǎ parte, un obiectiv foarte important urmǎrit în aceastǎ lucrare l-a constituit însușirea unor cunoștințe despre metodele numerice de calcul, în special metoda elementului finit, și deprinderea utilizării unui soft bazat pe aceastǎ metodǎ. Pentru aceste demersuri a fost utilizat softul Opera 13.0, în varianta 2D.

Prima jumǎtate a lucrǎri a fost constituitǎ pe baza unor noțiuni generale despre mașinile electrice generatoare și despre conversia energiei eoliene în energie electricǎ. Acest lucru a fost realizat pentru ai oferi cititorului o idee de ansamblu asupra funcționǎrii și întrebuințǎrii generatorului analizat și în același timp o pregǎtire pentru a doua parte a lucrǎrii, în care sunt prezentate noțiuni referitoare la metoda elementelor finite și analiza numericǎ a generatorului sincron cu magneți permanenți studiat.

Una dintre cele mai importante etape ale lucrǎrii s-a dovedit a fi modelarea geometricǎ a generatorului analizat. Pentru îndeplinirea aceastui obiectiv au fost utilizate instrumentele de graficǎ tehnicǎ asistatǎ de calculator puse la dispoziție de cǎtre program. Scopul urmărit a fost deprinderea utilizǎrii instrumentelor de tip CAD și asimilarea etapelor care trebuie respectate atunci când este folosit un program bazate pe metoda elementelor finite: punerea problemei, alegerea simetriei (plan paralel sau plan median), tipul modelului numeric în scopul simulǎrii cât mai corecte a structurii reale analizate, stabiliarea subdomeniilor modelului numeric cu proprietățile de material corespunzătoare, stabilirea surselor și a condițiilor de frontieră, alegerea limitei domeniului de analizat astfel încât să nu modifice semnificativ câmpul în punctele de interes, stabilirea formei elementelor finite și a densității rețelei de discretizare, alegerea solverului corespunzător pentru obținerea soluțiilor, folosirea facilităților oferite de prost-procesor în funcție de ceea ce se urmărește în urma simulării numerice.

Dupǎ ce a fost realizatǎ modelarea generatorului a fost realizatǎ o analizǎ de tip static și una de tip dinamic. În urma analizei statice a fost obținutǎ forma liniilor de câmp ale inducției magnetice generate de cǎtre magneții permanenți ai generatorului. Au fost urmărite forma liniilor câmpului magnetic, intensitatea câmpului magnetic în funcție de poziția rotorului și felul în care numǎrul elementelor din rețeaua de discretizare influențeazǎ precizia soluției problemei. Au fost analizate trei cazuri pentru rețele de discretizare diferite, iar în urma rezultatelor obținute, prin compararea acestora s-a observat modul în care rețeaua de discretizare construitǎ pe baza numǎrului de elemente finite impus influențeazǎ rezultatele. Concluzia care reiese în urma acestei analize este cǎ numǎrul de elemente finite trebuie sǎ fie cât mai mare, iar cu cât acesta scade, cu atât rezultatele sunt mai puțin precise, adicǎ eroare de calcul este invers proporționalǎ cu numǎrul de elemente finite.

Un alt aspect important tot cu privire la liniile de câmp ale inducției magnetice se referǎ la modul în care acestea formeazǎ fluxul util în funcție de poziția magnetului permanent. S-a observat cǎ momentul cel mai favorabil este atunci când magnetul permanent este poziționat cu axa “d” perpedincularǎ pe înfǎșurarea statoricǎ, fluxul util în acest caz fiind maxim. Când rotorul este învârtit cu jumǎtate de pas polar, magnetul ajunge cu axa “d” în poziția dintre crestǎturile statorului, iar acesta reprezintǎ cazul cel mai defavorabil, deoarece s-a observat cǎ nicio linie de câmp nu înlǎnțuie înfǎșurarea statoricǎ și astfel toate liniile câmpului magnetic formeazǎ doar flux de dispersie.

Ȋn urma analizei dinamice a generatorului, au fost obținute formele de undǎ ale tensiunii electromotoare induse în înfǎșurǎrile statorice pentru diferite turații și variația cuplului rezistent produs de cǎtre magneții permanenți. Așa cum era de așteptat, valoarea frecvenței, a amplitudinii și a perioadei tensiunii induse se modifică în funcție de turația rotorului. S-a observat cǎ valoarea perioadei tensiunii induse se modificǎ invers proporțional cu valoarea turației mașinii, în timp ce valoarea amplitudinii și a frecvenței tensiunii induse se modificǎ direct proporțional cu turația mașinii. Rezultatele obținute în urma simulǎrii simulare au comparate cu rezultatele teoretice corespunzătoare și confirmate de cǎtre acestea.

Bibliografie

1. A. Câmpeanu, Mașini electrice. Probleme fundamentale, speciale și de funcționare optimalǎ, Craiova, Editura Scrisul românesc, 1988;

2. I. Cioc, N. Cristea, N. Bichir, Mașini electrice. Ȋndrumar de proiectare, vol. III, Craiova, Editura Scrisul românesc, 1985;

3. N. Bichir, C. Rǎduți, A.S. Diculescu, Mașini electrice. București, Editura didacticǎ și pedagogicǎ, 1979;

4. M. Biriescu, Transformatoare și mașini electrice, Timișoara, Editura Orizonturi universitare, 2009;

5. A.E. Fitzgerald, Electric machinery (sixth edition), New York, The McGraw- Hill Companies, 1989

6. F.D. Șurianu, Modelarea și identificarea elementelor sistemului electroenergetic, Timișoara, Editura “Orizonturi universitare”, 2009

7. M. Biriescu, Mașini Electrice Rotative, Timișoara, Editura de Vest, 1997

8. I. Boldea, Transformatoare și mașini electrice, Timișoara, Editura Politehnica, 2010

9. I. Boldea, Synchronous Generators, CRC Taylor & Francis, 2005

10. S. Mușuroi, D. Popovici, Acționări Electrice cu Servomotoare, Timișoara, Editura Politehnica, 2006

11. N. Boțan, C. Popescu, S. Popescu, Mașini electrice și acționǎri, București, Editura didacticǎ și pedagogicǎ, 1978;

12. M. Morega, Mașini și acționǎri electrice. Note de curs, Universitatea “Politehnica” din București, 2005-2006;

13. V. Popescu, Electronicǎ de putere, Timișoara, Editura de Vest, 2005;

14. C. Cozma, Mașini electrice. Ȋndrumar de laborator, Tg-Jiu, 1998;

15. M. Pearsicǎ, M. Petrescu, Mașini electrice, Brașov, Editura Academiei forțelor aeriene “Henri Coandǎ”, 2007;

16. G. Madescu, M. Biriescu, M. Moț, M. Greconici, C. Koch, Low Speed PM Generator for Direct-Drive Wind Applications, “Politehnica” University of Timișoara and Romanian Academy – Timișoara Branch, Timișoara, Romania

17. G. Madescu, M. Biriescu, M. Greconici, M. Moț, Performances comparison of two surface-mounted Permanent Magnet Generators with fractional – slot windings, International Review of Electrical Engineering (I.R.E.E.), Vol. xx, n. x

18. G. Madescu, M. Biriescu, M. Greconici, M. Moț, Low Speed PM Generator for Wind Turbines Applications, “Politehnica” University of Timișoara and Romanian Academy – Timișoara Branch, Timișoara, Romania

19. G. Madescu, M. Biriescu, O. Proștean, T. Mihuț, M. Greconici, M. Moț, L. Augustinov, Low Speed Synchronous Generator with PM Excitation

20. S. Mușuroi, C. Șorândaru, D. F. Șurianu, The modeling and simulation of an adjusting system for the position of the induction machine supplied by a PWM inverter with the identification of the rotor flux, EPE Iasi 12-14, Oct. 2006

21. D. Schulz, Improved grid integration of wind energy systems, Hamburg, Bulletin of the polish Academy of sciences, Technical Sciences, Vol. 57, No. 4, 2009

22. “Renewable Energy Policy Network for the 21st Century”- http://www.ren21.net/

23. “Global Wind Energy Council” http://www.gwec.net/

24. “The European Wind Energy Association” http://www.ewea.org/

25. T.R. Ayodele, A.A. Jimoh, J.L Munda, J.T Agee, Challenges of Grid Integration of Wind Power on Power System Grid Integrity: A Review, International journal of renewable energy research, Vol.2, No.4, 2012

26. F. Iov, M. Ciobotaru, F. Blaabjerg, Power Electronics Control of Wind Energy in Distributed Power Systems, Aalborg University, Institute of Energy, Denmark

27. Barry Rawn, Wind Energy Conversion Systems as Power Filters: A Control Methodology, University of Toronto, 2004

28. C. Șora, I. De Sabata, N. Bogoevici, A Heler, D. Daba, I. Vetreș, D. Radu, D. Toader, Ș. Hǎrǎguș, I. Bere, M. Titihǎzan, D. Irimia, E. Bǎrbulescu, C. Blaj, M. Greconici, Bazele electrotehnicii- teorie și aplicații, Timișoara, Editura Politehnica, 2008

29. C.W. Steele, Numerical computation of electric and magnetic fields, New York, Van Nostrand Reinhold Company, 1987

30. D.A. Lowther, P.P. Silvester, Computer-Aided Design in Magnetics, New York, Springer-Verlag, 1986

31. D.S. Comșa, Metoda elementelor finite- Curs introductiv, Cluj-Napoca, Editura U.T. PRES, 2007

32. Șt. Sorohan, I.N. Constantinescu, Practica modelǎrii și analizei cu elemente finite, București, 2003

33. Șt. Sorohan, C.C. Petre, Programe și aplicații cu elemente finite, București, Editura PRINTECH, 2004 (revizuită Sept. 2007)

34. “Opera 2D- Reference manual”, Version 12.025, Vector Fields, Oxford, 2008

35. “Opera 2d- User Guide”, Version 12, Kidlington- Oxford, 2008

36. “ Opera- Manager user guide”, Version 12.025, Vector Fields, Oxford, 2008

37. naturenergy.ro

38. http://www.greensource.ro/

39. http://www.scritube.com/tehnica-mecanica/Energiile-neconventionale-Ener94249.php

40. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_eolian%C4%83

41. http://dexonline.ro