Influenta Actionarii cu Convertizoare de Frecventa Redusa Asupra Retelei

Capitolul 1.

INTRODUCERE

1.1.Obiectivul lucrării

De ce o lucrare despre convertizoare statice de frecvență în acționări cu motoare asincrone, când avem deja atât de multe cărți de mașini și acționări, mai mult sau mai puțin fundamentale, de mutatoare, de electronică de putere asociată cu mașini etc., lucrări care la prima vedere acoperă suficient de bine domeniul ? Nu cu mulți ani în urmă eram destul de sceptici în ceea ce privește valențele economice ale acționărilor de viteză reglabilă cu motoare asincrone, acționări, pe atunci cu performanțe tehnice reduse, cu game de turații sub 1/10 și de interes limitat, doar pentru aplicații în medii grele din industria chimică sau metalurgică.

1.2.Importanța subiectului abordat

Convertizorul de frecvență este un echipament electronic care comandă și controlează viteza de rotație a unui motor de curent alternativ prin reglarea frecvenței și mărimii tensiunii de alimentare a motorului. Deși principiul de funcționare a rămas același folosit în anii ’60, convertizoarele au suferit foarte multe modificări pe parcursul anilor, cele mai mari datorându-se evoluției elementelor constructive semiconductoare și mai ales a microprocesoarelor. Primele convertizoare electronice au fost construite cu tiristoare și erau comandate analogic. Datorită creșterii constante a nivelului de automatizare a proceselor industriale, nevoia de control automat cu o precizie și eficiență sporită este tot mai mare.

1.3. Avantajele intâlnite

Astăzi, pentru acționările de mare performanță la parametri tehnici egali, alegerea se face între motorul asincron și motorul sincron cu magneți permanenți, complexitățile în comanda primului fiind compensate de prețul de cost majorat al celui de al doilea. Am considerat deci utilă realizarea acestei lucrări pe tema acționărilor electrice reglabile cu motoare asincrone, în dorința de a fi folositoare unui număr cât mai mare de cititori, ingineri și studenți din domeniul electrotehnic; lucrarea fost astfel concepută încât să acopere atât problemele de mașini, cât și cele de electronică de putere.

1.4. Structura pe capitole:

În primul capitol este prezentată o scurtă introducere pe baza temei, obiectivul și importanța lucrării, precum și avantajele întâlnite. În capitolul al doilea, intitulat “Mașina asincronă trifazată”, regăsim contrucția, funcționarea și ecuațiile sale generale scrie în mărimi relative. În cel de-al treilea capitol, numit “Acționări electromecanice cu motoarea asincrone”, se pune accent pe particularitățile utilizării motoarelor asincrone și pornirea lor În cele din urmă, în al patrulea capitol, se prezintă influența acționării cu convertizoare de frecvență asupra rețelei (generalități privind calitatea energiei electrice) și încercări experimentale. Cel de-al cincilea capitol cuprinde concluziile și rezultatele lucrării.

CAPITOLUL 2

MAȘINA ASINCRONĂ TRIFAZATĂ

În acționările electrice de curent alternativ, mașina asincronă este cea mai larg utilizată, datorită construcției sale simple și robuste și datorită comodității în exploatare. Deși poate funcționa în toate cele trei regimuri caracteristice mașinilor electrice rotative (motor, generator, frână), o întâlnim în majoritatea aplicațiilor ca motor. De aceea, în cele ce urmează se va trata în detaliu numai acest regim. Câteva dintre instalațiile de acționare cu motoare asincrone uzuale sunt: transportul pe cablu, instalațiile de ridicare (ascensoare, macarale), pompe, compresoare, ventilatoare, unele sisteme de transport pe cale ferată.

2.1. Elemente constructive specifice. Principiul de funcționare

Mașina asincronă este alcătuită din cele două armături feromagnetice: statorul și rotorul, care susțin, fiecare, câte o înfășurare polifazată. Construcția și funcționarea mașinii asincrone se vor prezenta în continuare pentru mașina trifazată, aceasta fiind cea mai des utilizată.

Statorul are construcția tipică mașinilor de curent alternativ și este protejat la exterior de o carcasă din fontă sau aluminiu prevăzută cu nervuri de răcire, pentru o mai bună transmisie a căldurii spre exterior, având în vedere că cea mai mare parte a pierderilor care apar la funcționarea în sarcină a mașinii sunt localizate în înfășurarea și miezul statorului.

Rotorul mașinii asincrone este realizat, similar cu statorul, tot dintr-un pachet de tole de formă cilindrică, cu crestături dispuse uniform pe periferia exterioară și care susțin înfășurarea rotorică. Pachetul de tole este fixat pe un arbore de oțel, care este susținut la capete în lagăre, asigurându-i-se astfel mișcarea de rotație. Tot pe arbore este fixată și elicea ventilatorului, care îmbunătățește circulația aerului de răcire. Înfășurarea rotorică se prezintă în două variante constructive: înfășurare trifazată realizată din conductoare de cupru, având o construcție asemănătoare cu a celei statorice sau, așa numita înfășurare în colivie care este formată din bare de aluminiu plasate în crestături și scurtcircuitate la capete cu inele de aluminiu.

Această înfășurare se realizează prin turnarea sub presiune a aluminiului topit în crestăturile miezului rotoric. Înfășurarea în colivie are un număr de faze egal cu numărul de bare (crestături): m2 = Z. Pentru înfășurarea în colivie nu există legătură electrică în exteriorul mașinii, colivia funcționând ca o înfășurare închisă. În cazul înfășurării bobinate, capetele celor trei faze sunt conectate la trei inele de alamă fixate pe axul rotoric, iar legătura la exterior, la o cutie de borne, se face prin intermediul unor perii colectoare fixe, care formează un contact alunecător cu inelele aflate în mișcare de rotație. Zona de aer dintre armături, întrefierul, are lărgimea de (0,25….1,5) mm, mărime impusă de buna funcționare (rotație fără atingeri), deoarece din punct de vedere al magnetizării miezului este de dorit un întrefier cât mai redus.

Dintre cele două înfășurări ale motorului asincron, cea statorică este alimentată de la rețea și poartă denumirea de înfășurare inductoare sau inductor, iar rotorul, cu înfașurarea sa funcționează în circuit închis (uzual înfășurarea este scurtcircuitată) și formează indusul. În regim de motor, funcționarea mașinii asincrone poate fi explicată după cum urmează. La alimentarea înfășurării statorice (trifazată și simetrică) cu un sistem de tensiuni trifazat, simetric și echilibrat, spirele înfășurării vor fi străbătute de curenți, care formează, de asemenea, un sistem trifazat, simetric și echilibrat, așa cum se reprezintă schematic în figura următoare:

Observații.

1. Alunecarea rotorului față de câmpul învârtitor inductor este explicată, la funcționarea în gol, prin existența frecărilor care însoțesc mișcarea rotorului (frecările din lagăre și frecările cu aerul, în procesul de ventilație) și care produc un cuplu de frânare (opus cuplului electromagnetic). Pe de altă parte, dacă turația rotorului și a câmpului învârtitor ar fi egale, deci s = 0, în înfășurarea rotorică nu s-ar induce tensiuni electromotoare, astfel încât nu ar putea să apară curenți rotorici, nu ar exista câmpul învârtitor de reacție și nu s-ar produce cuplu electromagnetic; în concluzie, motorul nu ar putea funcționa. Mărimea alunecării dă "măsura" încărcării în sarcină a motorului asincron, deoarece la funcționarea în sarcină cuplul de frânare (rezistent) al mecanismului acționat mărește alunecarea față de valoarea de la funcționarea în gol.

2. Pentru mărimile electrice și magnetice care intervin în funcționarea mașinii se consideră, în această tratare, forma armonică de variație în timp, respectiv se iau în considerare numai armonicile fundamentale; această ipoteză este motivată, pe de o parte, prin faptul că numai ele au rol în transmiterea puterii utile prin mașină (armonicile superioare au numai efecte negative în funcționare – cupluri parazite și pierderi suplimentare), iar pe de altă parte, permite simplificarea semnificativă a expresiilor acestor mărimi, în condițiile în care principalele fenomene electromagnetice sunt pe deplin explicate.

3. Din motive de simetrie, în reprezentarea ecuațiilor mașinii asincrone se consideră faza reprezentativă (de exemplu faza A-X din stator, respectiv a-x din rotor), iar mărimile electrice de fază primesc indicele (1) pentru stator și indicele (2) pentru rotor. Ecuațiie scrise pentru faza reprezentativă pot fi ușor adaptate la celelalte două faze prin introducerea defazajului caracteristic de 2π/3.

2.2. Ecuațiile de funcționare și schemele echivalente ale motorului asincron

în regim staționar

Stabilirea ecuațiilor de funcționare ale mașinii asincrone urmărește o procedură similară cu cea parcursă în cazul transformatorului, fiind necesară adoptarea unor ipoteze de lucru. Mașina asincronă trifazată se consideră simetrică, cu rotorul bobinat și înfășurările rotorice scurtcircuitate; atât înfășurarea statorică, cât și cea rotorică au același număr de perechi de poli p.

Circuitul magnetic al mașinii se consideră nesaturat (caracteristica de magnetizare a materialului feromagnetic se consideră liniară); prezența crestăturilor este neglijată, astfel că întrefierul se consideră uniform. Repartiția spațială a câmpului magnetic în zona întrefierului se consideră armonică (se neglijează armonicile spațiale în forma inducției magnetice din întrefier). Acest lucru se poate realiza printr-o construcție adecvată a înfășurărilor (prin modul de repartizare în crestături). Alimentarea înfășurării trifazate statorice se face cu un sistem trifazat simetric și echilibrat de tensiuni, iar pe baza ipotezelor menționate se poate considera că atât fluxul magnetic în mașină, cât și curenții prin înfășurări au o formă armonică de variație în timp; curenții prin înfășurări formează un sistem trifazat, simetric și echilibrat. Pe baza acestor ipoteze se poate construi sistemul de ecuații de funcționare, valabile pe câte o fază a mașinii. Se lucrează în continuare cu setul de ecuații pentru o fază, numită faza reprezentativă. Scurtcircuitarea înfășurării rotorice este echivalentă cu scurtcircuitarea fiecărei faze. Motorul asincron trifazat are ecuațiile similare transformatorului trifazat cu înfășurarea secundară scurtcircuitată.

Schema de principiu a motorului asincron trifazat

Înfășurările rotorice sunt conectate în stea cu capetele accesibile, racordate la reostatul trifazat de pornire Rp. Cele trei faze rotorice au câte kw2W2 spire efective și sunt caracterizate de rezistența R2 și inductanța de scăpări Ls2.

Se aplică legea inducției electromagnetice și legea lui Ohm pentru circuitul unei faze statorice, respectiv rotorice:

R1i1 – u1 = -L1ϭ – (în stator, pulsația este ω1)

R1i1 = -L2ϭ – (în rotor, pulsația este ω2=s ω1)

În complex simplificat, sistemul devine:

U1 = R1I1 + jω1L1ϭI1 – E1 U1 = R1I1 + jX1ϭ I1 – E1

0 = R2I2 + jω2L1ϭI1 – E1 0 = R2I2 + jsX2ϭ I2 – sE2 (ω2 = s ω1)

Observații:

1. Mașina nu poate funcționa la turația de sincronism, deoarece dacă înfășurarea rotorică se

rotește cu aceeași viteză cu câmpul magnetic învârtitor (1  2 ) fenomenul inducției

electromagnetice nu se mai produce, t.e.m. rotorice sunt nule (e2=0), de asemenea curenții

rotorici (i2=0) și cuplul electromagnetic (cuplul activ) este nul.

2. Curenții rotorici își asociază un câmp învârtitor propriu, numit câmp magnetic de reacție

(fenomenul poartă numele de reacția indusului), câmp ce se rotește sincron (cu 1) cu câmpul

inductor principal (statoric), dar este decalat spațial față de acesta. Cele două câmpuri

magnetice se compun dând câmpul magnetic rezultant al mașinii, care are o distribuție

sinusoidală în timp și spațiu.

2.3. Caracteristici de funcționare ale motorului asincron trifazat

Principalele caracteristici electromecanice ale motorului asincron sunt:

– caracteristica mecanică: n = n(M), M = M(n), s=s(M); M = M(s);

– caracteristica randamentului: η = η(P2); η = P2 / P1;

– caracteristica factorului de putere: cos ϕ1 = f(P2) ; cos ϕ1 = P1 / ;

– caracteristica curentului absorbit din rețea: I1 = I1(P2);

– caracteristica alunecării sau a turației: s = s(P2); n = n(P2).

2.4. Pornirea, reglarea turației și frânarea la motorul asincron trifazat

În funcție de tipul constructiv (cu rotor bobinat sau cu rotor în colivie), se pot utiliza diverse metode de pornire a motorului asincron. Problemele de pornire a motorului asincron sunt legate, pe de o parte de valoarea mare a curentului la pornirea directă, și pe de altă parte de asigurarea unui cuplu de pornire suficient de mare pentru învingerea inerției, frecărilor și eventual a cuplului rezistent al sarcinii (la pornirea în sarcină – mecanismul acționat cuplat la arbore). La alimentarea directă a motorului de la rețea Ip ≈ (8….10)In deoarece la n = 0, respectiv s = 1, rezistența rotorică R'2/s are o valoare mult mai mică decât în regim normal de funcționare, la s ≈ sn < 0,1 și deci impedanța echivalentă a mașinii este foarte redusă. La pornire turația fiind nulă, motorul asincron alimentat la tensiunea nominală se comportă ca un

transformator la scurtcircuit de avarie. Metodele generale de pornire nu depind de construcția rotorului, fiind aplicabile la orice tip de mașină asincronă. Acestea sunt: pornirea stea – triunghi și pornirea cu tensiune reglabilă, ambele fiind bazate pe reducerea tensiunii de alimentare.

Pornirea stea – triunghi se aplică la motoarele care funcționează cu înfășurarea

statorică în conexiune triunghi și necesită acces la toate capetele înfășurării trifazate statorice.

Se utilizează un comutator special construit, sau o combinație de întrerupătoare, care permit

conectarea înfășurărilor în stea pentru cuplarea la rețeaua de alimentare și apoi schimbarea conexiunii în triunghi, după scăderea curentului absorbit din rețea.

Tensiunea nominală a motorului pentru conexiunea triunghi este U1nt =U1ft =Uretea și dacă se aplică conexiunii triunghi rezultă curentul absorbit din rețea Ipt = I1ft. La alimentarea motorului cu conexiunea stea la aceeași tensiune Urețea, rezultă o tensiune de fază U1fY = Uretea și un curent absorbit din rețea IpY = I1fY = I1ft / = Ipt / . Deci se obține o diminuare de trei ori a curentului absorbit din rețea la pornire.

Pornirea cu tensiune reglabilă presupune alimentarea motorului de la o sursă de tensiune variabilă, sau utilizarea unui autotransformator sau a unei bobine (trifazate) cu inductivitate variabilă înseriată între bornele motorului și linia de alimentare. Se pornește motorul alimentat cu o tensiune redusă față de cea nominală, iar în zona alunecărilor mici (turații mari) se crește tensiunea la valoarea nominală, raportările valorilor curentului și cuplului fiind similare cu cele descrise în cazul pornirii Y / Δ, cu diferența că în acest caz factorul de diminuare se poate alege și regla, sau se poate face o pornire în trepte, la mai multe valori ale tensiunii de alimentare.

Dezavantajul metodelor de pornire cu reducerea tensiunii de alimentare constă în reducerea simultană a cuplului de pornire (proporțional cu pătratul tensiunii); astfel, pot să apară probleme la pornirea în sarcină, motorul neputând să dezvolte un cuplu suficient de mare pentru a acoperi cuplul de sarcină, frecările și inerția.

Metodele specifice de pornire sunt adaptate tipului constructiv al înfășurării rotorice: pornirea reostatică pentru motoarele cu rotorul bobinat și alegerea formei coliviei rotorice (colivia cu bare înalte, dubla colivie) în acord cu condițiile de pornire pentru motoarele cu rotor în colivie.

Pornirea reostatică presupune înserierea unui reostat trifazat de pornire cu înfășurările de fază rotorice. Reostatul de pornire este simetric în raport cu cele trei faze și rezistențele sunt conectate în stea. La pornire, rezistențele sunt conectate pe valoare maximă, iar pe măsură ce crește turația rotorului și scade curentul absorbit din rețea, se micșorează rezistențele până la scurtcircuitare. În timpul pornirii se urmărește ca intensitatea curentului să nu depășească o anumită valoare maximă impusă (uzual, Ip < 2 In).

Caracteristicile mecanice reostatice, așa cum s-a arătat, nu prezintă modificarea cuplului maxim ci numai a valorii alunecării critice, care crește cu creșterea rezistenței rotorice și a valorii cuplului de pornire, ceea ce este un avantaj al utilizării acestei metode. În figura de mai jos, este prezentată schema electrică a pornirii reostatice (a), iar figura b) arată (cu linie îngroșată) traseul punctului de funcționare la pornire cu un reostat cu trei trepte. Trecerea de la o treaptă la alta se poate face automat, prin comanda temporizată, sau prin comanda în curent, a unor contactoare. Reostatul de pornire se dimensionează pentru funcționare la curentul de pornire în regim de scurtă durată.

Pornirea motoarelor cu rotor în colivie se bazează pe forma specifică a crestăturilor rotorice, mai precis a secțiunii transversale a barelor coliviei, care asigură la pornire (când s = 1 și deci frecvența curentului prin barele rotorice are valoarea f2 = sf1 = f1) efect important de refulare a curentului, prin repartizarea densității de curent în bară preponderent spre deschiderea crestăturii, adică spre întrefier. În această situație se mărește rezistența electrică a barei, deci a înfășurării rotorice, scăzându-se curentul de pornire și se reduce reactanța de dispersie a înfășurării rotorice, datorită saturării locale a circuitului magnetic, ceea ce mărește valoarea cuplului de pornire.

Reglarea turației la motoarele asincrone are în vedere posibilitățile de modificare a formei caracteristicii mecanice. Spre deosebire de cazul motoarelor de c.c., modificarea caracteristicii mecanice a motoarelor asincrone în zona turației nominale (unde interesează de fapt reglajul), este foarte redusă prin metodele de reglare clasice: variațiile reostatice și ale tensiunii de alimentare. Motoarele asincrone sunt în cea mai mare parte utilizate în acționări de turație constantă, dar există tendința de extindere a domeniului lor de utilizare prin înlocuirea motoarelor de c.c. în acționări de turație reglabilă, prin alimentarea de la variatoare de tensiune, care permit reglarea simultană a tensiunii și a frecvenței de alimentare, ducând atât la un reglaj eficient și economic, cât și la păstrarea performanțelor mașinii. Această soluție câștigă teren în măsura în care prețul variatoarelor de tensiune și frecvență își motivează valoarea în raport cu eficiența instalației.

Modificarea numărului de perechi de poli (p) se poate realiza atunci când secțiuni ale înfășurării statorice (bobine sau grupuri de bobine) se pot combina, astfel încât să rezulte diverse numere de perechi de poli, sau dacă statorul este echipat cu două înfășurări, cu numere diferite de perechi de poli. În acest fel se realizează motoare cu până la patru turații diferite, însă prețul lor este ridicat deoarece construcția lor este pretențioasă, și coeficientul de utilizare a materialelor este scăzut. Acest tip de reglaj se utilizează pentru motoare cu rotorul în colivie. Un exemplu este motorul asincron monofazat, utilizat la mașinile automate de spălat rufe și la unele tipuri de roboti de bucătărie, sau motorul trifazat care acționează ascensoarele cu mai multe viteze.

Modificarea frecvenței tensiunii de alimentare (f1) se poate realiza cu ajutorul unei instalații speciale de alimentare cu tensiune și frecvență variabilă (variator de tensiune), construită cu elemente semiconductoare comandate. Se poate astfel asigura reglajul continuu și eficient al turației, dar instalația este costisitoare (de cca. zece ori mai scumpă decât motorul).

Modificarea pierderilor Joule rotorice se poate face cu o instalație auxiliară în circuitul rotoric (în particular chiar cazul simplului reostat de reglaj prezentat anterior), de exemplu un convertor static de frecvență, care asociat cu un transformator recuperează puterea electrică din rotor și o reintroduce în rețeaua de alimentare, sau alimentează un motor de c.c. care suplimentează puterea utilă la arbore. Aceste scheme cu recuperarea puterii PJ2 = sPe și variația, în același timp, a alunecării, se numesc "cascade" (ex: cascada Krämer sau cascada Scherbius) și se utilizează în instalații de putere mare, de exemplu la acționarea laminoarelor, a morilor de ciment, a unor ventilatoare și pompe de mare putere.

Schimbarea sensului de rotație al motorului asincron trifazat se realizează prin inversarea sensului cuplului electromagnetic, deci prin inversarea sensului câmpului învârtitor inductor, ceea ce este posibil prin schimbarea succesiunii fazelor rețelei trifazate de alimentare.

Frânarea motoarelor asincrone trifazate intervine frecvent în funcționarea sistemelor de acționare cu astfel de motoare și se poate realiza prin diferite metode, similare motoarelor de c.c.:

– frânarea recuperativă cu trecerea mașinii în regim de generator – presupune accelerarea rotorului și trecerea la turații suprasincrone, deplasând punctul de funcționare pe caracteristica mecanică, prin scăderea cuplului de sarcină și apoi inversarea sensului cuplului. Un exemplu practic pentru acest regim este cazul unui motor care acționează un vehicul ce urcă o pantă (regim de motor), ajunge în vârful acesteia și apoi începe să coboare accelerat de propria greutate (regim de generator); mașina rămâne conectată la aceeași rețea de tensiuni și recuperează energia produsă în regimul de generator și o cedează rețelei;

– frânarea dinamică cu trecerea în regim de generator fără recuperarea energiei – mașina care funcționează în regim de motor este deconectată de la rețeua de alimentare și după conectarea fazelor înfășurării trifazate într-o anumită schemă (de exemplu înserierea celor trei faze, sau înserierea a două faze și conectarea lor în paralel cu a treia, etc.) se alimentează de la o sursă de tensiune continuă; frânarea poate fi accelerată, la mașina cu rotor bobinat, prin înserierea cu fazele rotorice a unor rezistențe de frânare; la mașina cu rotorul în colivie, același efect se poate obține prin varierea curentului continuu prin înfășurarea statorică.

– frânarea contracurent cu inversarea sensului succesiunii fazelor rețelei de alimentare – simultan cu inversarea legăturilor a două faze ale statorului se introduce în circuitul rotoric, în serie cu înfășurările de fază, un reostat trifazat de frânare; cuplul schimbă brusc sensul la aceeași turație, apoi turația scade, trece prin valoarea zero și mașina pornește reostatic ca motor, în celălalt sens de rotație;

– frânarea reostatică propriu-zisă – se realizează prin variația rezistenței înseriate cu înfășurarea rotorică și deplasarea punctului de funcționare la cuplu constant și turații din ce în ce mai mici, până la oprire (motor decelerat); prin creșterea în continuare a rezistenței de frânare se poate obține inversarea sensului de rotație (frână).

CAPITOLUL 3

ACȚIONĂRI ELECTROMECANICE CU MOTOARE ASINCRONE ȘI CONVERTIZOARE STATICE DE FRECVENȚĂ

4.1. Introducere în acționările electromecanice

Acționarea electrică este operația prin care se efectuează comenzi asupra regimurilor de funcționare a mașinilor de lucru cu ajutorul energiei electrice. Ea se realizează prin sisteme de acționare electrică, alcătuite dintr-un ansamblu de dispozitive care transformă energia electrică în energie mecanică și coordonează pe cale electrică parametrii energiei astfel obținute (în principal cuplul și turația).

Motorul electric de acționare (M.E.A.) este alimentat prin intermediul unui convertor electric (rotativ sau static), având rolul de a transforma parametrii electrici ai sursei de alimentare în mărimi specifice tipului de motor și metodei de reglare a turației adoptate. Convertorul electric poate fi o instalație de redresare, un convertor de frecvență, un variator de tensiune sau combinații ale acestora. El poate fi comandat printr-un sistem automat de comandă prevăzut cu calculator de proces – în cazul sistemelor complexe – sau cu regulator pentru sistemele mai simple. M.E.A. împreună cu mecanismele de transmisie a energiei mecanice – care formează lanțul cinematic (L.C.) al acționării – alcătuit din arbori de transmisie, curele de transmisie, roți dințate, cuplaje electromagnetice sau cu fricțiune, șuruburi fără sfârșit etc. – formează echipamentul de antrenare.

În fluxul de informații al sistemului de acționare, care furnizează mărimea de comandă, se găsește convertorul mărimii măsurate, reprezentat de un traductor de poziție sau de turație. După numărul motoarelor care asigură acționarea unei mașini de lucru, acționările electrice se clasifică în:

acționări individuale, în care un singur motor electric acționează o singură mașină de lucru; motorul poate fi cuplat la arborele mașinii de lucru direct sau prin transmisie mecanică;

acționări multiple, în care o mașină de lucru este acționată de mai multe motoare electrice, câte un motor pentru o mișcare sau un grup de mișcări. Aceste motoare pot funcționa independent sau pot fi legate între ele pe cale mecanică, sau pe cale electrică. Legătura mecanică se realizează prin cuplaj rigid, diferențial sau cu fricțiune, iar legătura electrică se realizează prin așa-numitul arbore electric. La aceste sisteme de acționări randamentul crește și devin posibile comenzile automate ale unor mecanisme separate. Sistemul se aplică la mașinile de așchiere, la mașinile de lucru din metalurgie, industria textilă, poligrafică etc.

4.2. Ecuația fundamentală a sistemelor de acționare electrică

La baza studiului acționărilor electrice complexe se află ecuația de mișcare a sistemului de acționare individuală care derivă din legea fundamentală a mișcării. Mișcarea de bază în sistemele de acționare electrică este mișcarea de rotație, a cărei lege fundamentală este:

M = Ma – Mr = J

unde:

M reprezintă cuplul rezultant care acționează asupra arborelui motor în regim permanent;

Ma este cuplul activ, iar Mr – cuplul rezistent static;

J reprezintă momentul axial de inerție al ansamblului motor-sarcină, care se rotește cu

viteza unghiulară Ω, având accelerația unghiulară dΩ/dt.

Termenul din dreapta ecuației se mai numește cuplu rezistent dinamic.

Cuplul activ Ma reprezintă cuplul dezvoltat de motorul electric ca urmare a acțiunii câmpului electromagnetic al statorului asupra rotorului. El învinge cuplurile rezistente statice și dinamice, imprimând mașinii de lucru o anumită viteză. În această situație mașina absoarbe energie din rețea, iar sensul cuplului activ este pozitiv. Dacă Ma lucrează în același sens cu cuplurile rezistente de pe arborele mașinii de lucru, motorul cedează energie în rețea sau pe o rezistență din circuitul indusului, iar cuplul este negativ sau de frânare.

Cuplul rezistent static Mr acționează la arborele mașinii de lucru și se datorează forțelor de frecare și utile (de tăiere, așchiere, compresie, întindere, răsucire etc.). El se opune mișcării imprimate de motor mașinii de lucru. Semnul pozitiv al acestui cuplu corespunde cazului când el se opune cuplului motor.

4.3. Particularitățile utilizării motoarelor asincrone

Motoarele asincrone prezintă numeroase avantaje între care cele mai importante sunt: necesitatea numai a unei surse de curent alternativ, construcție relativ simplă (în special motoarele cu rotor în colivie), cost mai redus și siguranță în funcționare, randament bun.

Caracteristica mecanică rigidă a motorului asincron determină folosirea lui în acționările asemănătoare motoarelor de c.c., cu excitație în derivație. Lipsa colectorului, prezent la mașinile de c.c., face ca fiabilitatea mașinilor asincrone să fie mai ridicată.

Dezavantajele mai importante ale motorului asincron sunt următoarele:

cuplu de pornire redus la valori ale curentului de pornire ridicate (la mașinile cu rotor în colivie);

în funcționare, motorul asincron absoarbe din rețea pe lângă puterea activă, puterea reactivă necesară magnetizării;

scăderea tensiunii de alimentare influențează mult valoarea cuplului motor (cuplul motor scade cu pătratul valorii tensiunii)

la puteri mai mari de 100 kW și turații mai mici de 600 rot/min, motoarele asincrone devin scumpe;

Constructiv, motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit se execută deobicei, la puteri sub 200 kW (pe măsură ce turația se reduce și puterile nominale se micșorează), iar motoarele cu rotorul bobinat la puteri și mai reduse. S-au construit, însă, și mașini de puteri mai mari, limita de putere pentru aceste mașini, determinată de rezistența mecanică, fiind 12-20 MW

CAPITLOUL 4

INFLUENȚA ACȚIONĂRII CU CONVERTIZOARE DE FRECVENȚĂ ASUPRA REȚELEI

4.1. Calitatea energiei electrice

Aspectele legate de calitatea energiei electrice furnizate consumatorilor au preocupat specialiștii înca din primii ani ai utilizării pe scară largă a curentului alternativ; în ultimele două decenii se constată însä o revigorare a interesului pentru acest domeniu datorită dezvoltării explozive a echipamentelor și tehnologiilor bazate pe electronica de putere, creșterii sensibilitătii receptoarelor la perturbațile tensiunii de alimentare precum și a conștientizării din ce în ce mai acute a faptului că energia electrică este un produs ca oricare altul.

Calitatea energiei electrice constituie în prezent o preocupare majoră atât pentru distribuitorii cât și pentru utilizatorii acestei forme de energie. Termenul de calitate a energiei electrice (power quality) a devenit deosebit de popular dupa anul 1980 și reprezintă un generic acoperitor pentru o multitudine de perturbații electromagnetice ce pot apărea în sistemele de distribuție electroenergetice (în special de medie și joasa tensiune). Totuși este necesar să menționăm că sintagma de calitate a energiei electrice nu este unanim acceptată si utilizată pe plan mondial, existând în prezent mai mulți termeni folosiți pentru a descrie relația furnizor de energie electricä – utilizator, inclusiv influențele reciproce. Dintre aceștia, Comisia Internațională de Electrotehnică (CEI) îl promovează pe acela de compatibilitate electromagnetică, termenul fiind preluat de toate tările afiliate la acest organism.

Interesul crescând, manifestat in ultima perioada pentru problematica amintită este explicat de specialiști prin apariția următoarelor aspecte.

1. Echipamentele au devenit mai sensibile la perturbațiile tensiunii de alimentare. Într-adevär, în special generațiile actuale de echipamente electronice (casnice sau industriale) și sisteme de comandă ale proceselor tehnologice sunt mult mai sensibile decât echipamentele de acum 10 sau 20 de ani. În acelasi timp, companiile industriale au devenit mai atente la pierderile de timp de producție având în vedere marginile de profit reduse caracteristice economiei moderne.

În ceea ce privește piața consumatorilor casnici, electricitatea este consideratä, din ce în ce mai mult, ca un drept fundamental de care se poate beneficia in permanența. Consecința este că orice întrerupere în alimentarea cu energie electrică va conduce la reclamații mereu mai mari, chiar dacă nu se constată pierderi legate de aceastä întrerupere.

2. Echipamentele moderne produc perturbații in sistemul de alimentare. Echipamentele electronice sunt nu numai sensibile la perturbațiile existente în rețeaua de alimentare ci și generează perturbații pentru alți consumatori. Creșterea numărului și a puterii sistemelor de acționare cu turație reglabilă este semnificativă în liniile tehnologice actuale, convertoarele de frecvențä din structura acestora find caracterizate printr-o puternică deformare a curentilor absorbiți din rețea.

Acestora li se adaugă consumatorii casnici care, datorită numarului mare, pot cauza probleme serioase în rețelele de distribuție de joasä tensiune.

3. Au sporit presiunile pentru apariția unor norme în domeniu și impunerea unor criterii de performanța. Până nu demult, utilizatorii de energie electrica erau priviți de către furnizori ca simple sarcini, fumizorii fiind cei care decideau ce este rezonabil în relațiile contractuale dintre cele douä părți. Dacă apăreau probleme, primii trebuiau sä ia măsuri pentru eliminarea acestora sau, în cel mai bun caz, trebuiau să plateasca furnizorul pentru a rezolva aceste probleme.

În prezent, utilizatorii sunt tratați din ce în ce mai mult drept clienți și a apărut tendința cuantificării diferitelor tipuri de perturbații existente în sistemele de alimentare cu energie. Electricitatea este privită ca un produs cu anumite caracteristici care trebuie măsurate, prognozate, garantate, îmbunătățite, etc. Această abordare este potentata de tendințele de privatizare și deregularizare care sunt tot mai evidente în industria energetică și pe piața de energie.

4. Furnizorii doresc să îmbunătățească calitatea produsului livrat. Marea majoritate a furnizorilor urmăresc, din fericire, o îmbunătățire permanentă a calității energiei și serviciilor pe care le asigură, dezvoltând sisteme caracterizate printr-o fiabilitate ridicată a aprovizionării cu energie.

5. În timp, alimentarea cu energie s-a îmbunătățit permanent. O parte importantă a interesului crescând pentru probleme precum golurile de tensiune sau regimul deformant este determinată de calitatea ridicată a tensiunii furnizate. Întreruperile de durată în alimentarea cu energie electricä au devenit din ce în ce mai rare în țările industrializate, astfel încât s-a încetațenit ideea greșită că electricitatea este ceva întotdeauna disponibil și de bună calitate. Faptul că în sistemul energetic există și situații care nu pot fi prevăzute sau eliminate a fost ușor de uitat.

6. Calitatea energiei electrice a devenit măsurabilă. Apariția dispozitivelor electronice capabile să masoare și să afișeze forme de undă, a contribuit în mod evident la creșterea interesului pentru calitatea energiei. Componentele armonice sau golurile de tensiune nu puteau fi măsurate, în mod uzual și pe scară largă, în trecutul nu prea îndepartat. Determinările se limitau la valorile efective ale tensiunii sau curentului, valoarea frecvenței și intreruperile de durată, fenomene care în prezent sunt considerate elemente ale calității energiei dar care atunci erau privite ca simple aspecte ale regimurilor de funcționare ale unui sistem energetic.

4.2. Perturbații electromagnetice

Perturbațiile electromagnetice generate în sistemele electro-energetice pot fi determinate de fenomene sau evenimente care au loc în sistemele de transport și distribuție a energiei electrice sau la consumatori. În general, se pot deosebi urmatoarele categorii:

a. Goluri de tensiune sau întreruperi de scurtă durată provocate de defecte trecătoare în sistemul analizat sau de defecte permanente în puncte îndepartate ale rețelelor electrice și care determină funcționarea protecțiilor și/sau a automatizărilor de repunere sub tensiune;

b. Întreruperi de lungă durată determinate de defecte în rețele;

c. Supratensiuni tranzitorii (de origine atmosferică sau de comutație);

d. Variații lente de tensiune produse de modificări ale sarcinii;

e. Variații rapide de tensiune determinate de comutația sarcinilor de putere ridicată;

f. Fluctuații rapide de tensiune (inclusiv efectul de flicker);

g. Generarea de armonici de curent sau tensiune;

h. Dezechilibre de tensiune determinate de alimentarea sarcinilor dezechilibrate;

i. Variații de frecvența.

Prin perturbație electromagnetica se întelege, orice fenomen electromagnetic susceptibil să degradeze funcționarea unui aparat, echipament, sistem sau să influențeze defavorabil materia vie sau pe cea inerta. Prin degradarea funcționării se înțelege modificarea nedorită a caracteristicilor de funcționare ale aparatului, echipamentului, sistemului în raport cu cele prevăzute de proiectant.

Aparatul, echipamentul, sistemul care emite perturbația poate fi numit sursă sau emițator de perturbație electromagnetică, iar cel care o recepționează este numit receptor de perturbație electromagnetică. Orice aparat, echipament, sau sistem electric / electronic poate fi în același timp emițător sau receptor de perturbație electromagnetica.

Nivelul unei perturbații electromagnetice se poate exprima:

– În unități absolute (valoarea de varf, valoarea medie, valoarea efectiva a tensiunii, curentului, intensitații câmpului electric, magnetic, puterii etc.);

– În unități relative liniare (valoarea relativa este obținută prin raportarea la o marime de referință.);

– În unități logaritmice exprimate în dB.

Clasificarea perturbațiilor electromagnetice:

După natura emisiei perturbației:

– perturbații conduse: caracterizate prin mărimi referitoare la curent si tensiune;

– perturbații radiate : caracterizate prin mărimi referitoare la câmp electric si magnetic ;

După durata de timp:

– perturbații permanente: de ex: armonicile introduse în rețea de consunatorii neliniari, emisiile radio și tv, etc. – afectează în special circuitele analogice;

– perturbații tranzitorii: de ex: descărcarile atmosferice, supratensiunile și supracurenții în circuitele electrice, descărcările electrostatice, emisiile electromagnetice ce insoțesc comutațiile și defectele de izolație în instalațiile de I.T. – afectează în special circuitele numerice.

După caracteristicile spectrului de frecventa:

– perturbații de joasă frecvență < 9khz;

– perturbații de înaltă frecvență > 9khz.

Cea mai mare parte din echipamentele electrice și electronice sunt generatoare de regim deformant și producătoare de perturbații electromagnetice. Acestea produc, alături de sursele naturale – unele deosebit de puternice ( ex: descărcările atmosferice) – generatoare de zgomot electromagnetic, perturbații care se transmit către consumatori prin conducție electrica și prin radiație electromagnetica.

4.3. Scurt istoric al fenomenului de poluare armonica

Incidența în relația furnizor-utilizator de energie electrică, a problemelor legate de poluarea armonică a crescut în ultima perioadă și a devenit o preocupare majoră pentru specialiștii din sectorul electroenergetic. Totuși, poluarea armonică nu este un fenomen nou: probleme legate de componentele armonice ale undelor de tensiune si/sau curent au aparut chiar de la începutul utilizării industriale a energiei electrice.

În timp, armonicile au fost considerate în mod repetat drept cauza unei mari varietați de fenomene și evenimente în sistemele electrice de transport si utilizare, chiar dacă forma de manifestare și modul de rezolvare a acestora au fost într-o continuă schimbare. Este interesant de menționat ca la sfârșitul secolului XIX și începutul secolului XX, problemele erau legate de tensiunile armonice existente în sistemele de transport și distribuție; întradevär datorită modului constructiv, conținutul în armonici al tensiunii furnizate de generatoarele utilizate în acea perioadă era relativ ridicat. Ulterior, neplăcerile au apărut datorită introducerii pe scară largă a receptoarelor neliniare care constituie surse importante de curenți armonici.

Prima menționare legată de utilizarea analizei armonice ca modalitate de rezolvare a unei probleme practice de electrotehnică este facută în anul 1893. C.P. Steinmetz a identificat drept cauză a supraîncalzirii unui motor electric (montat Ia Hartford, SUA) supratensiunea determinată de fenomene de rezonanța serie pe linia de alimentare având o lungime de 10,13 mile și functionând la 125 Hz. Problema era tipica pentru SUA unde sistemele de transport al energiei electrice aveau frecvențe de 125, 133 sau 140 Hz; sistemele europene, funcționând la frecvențe mult mai mici (f ≤ 50 Hz), nu au fost confruntate cu astfel de evenimente.

În anul 1895, principalii producatori americani (G.E. și Westinghouse) au introdus în fabricație noi generatoare cu înfăsurări distribuite pe întreaga circumferință în scopul îmbunătățirii formei de undă a tensiunii furnizate; noul tip de mașinä (AP) este descris ca generând o tensiune “aproape” sinusoidală, în timp ce despre vechiul tip (AT) se specifică “era limitat pentru linii de transport cu o lungime de 5… 10 mile din cauza formei de undă” .

A doua menționare în literatura de specialitate a unor probleme legate de armonici apare la inceputul secolului și face referire la valori ridicate ale curentului de nul în cazul funcționării în paralel a generatoarelor având neutrul legat la pământ; este vorba desigur despre însumarea armonicilor de rang multiplu de trei în cazul sistemelor cu conexiune stea, fenomen binecunoscut în prezent.

Generarea pe scara larga a curentilor armonici de către receptoare sau alte dispozitive și echipamente existente în sistem a început în anii 1930 odată cu introducerea tehnologiilor bazate pe descarcarea în arc (surse de luminä, cuptoare electrice, instalatii de sudare); transformatoarele reprezentau de asemenea o importantă sursă armonică, în timp ce principala problemă care a trebuit rezolvată a reprezentat-o interferența cu sistemele telefonice. Cuplajul inductiv între rețelele aeriene de transport și distribuție a energiei electrice și cele telefonice montate pe aceiași stâlpi inducea tensiuni parazite suficient de mari pentru a perturba traficul telefonic.

După 1950, când distribuitorii au evidențiat impactul tehnico-financiar al factorului de putere scăzut și au impus penalități consumatorilor industriali, a devenit economică utilizarea bateriilor de condensatoare pentru compensarea circulației de putere reactivă.

Prezența acestor condensatoare în sistemele de distribuție a creat însă condiții pentru apariția unor posibile fenomene de rezonanță determinate de:

– existența în sistemele de distribuție a unei game largi de frecvențe armonice (în special în gama 150.. .550 Hz);

– introducerea unui număr relativ mare de baterii de condensatoare (de puteri diverse) în diferite noduri ale sistemelor electro-energetice;

– modificarea reactanței inductive echivalente prin modificarea configurației sistemului, introducerea de transformatoare sau bobine de limitare, etc.

Inductanțele și capacitățile existente în sistem formează circuite rezonante serie sau paralel având, în general, frecvențe proprii în gama 200-600 Hz; acest interval corespunde armonicilor de rang 5-11, armonici generate de multe echipamente neliniare racordate la rețelele de alimentare.

Începând din anii 1960-1970, poluarea armonică a sistemelor de putere a crescut datorită dezvoltării explozive a dispozitivelor electronice semiconductoare. Îmbunătățirile tehnologice au permis creșterea performanțelor și reducerea costurilor astfel încât electronica de putere a pătruns rapid și masiv atât în sectoarele industriale cât și în cele casnice sau terțiare. Principalele avantaje ale noilor tehnologii și echipamente sunt reducerea costurilor de producție (prin creșterea randamentelor și reducerea costurilor de mentenanță), reducerea gabaritelor și greutaților, îmbunătățirea posibilităților de control, etc.

În prezent, în țările dezvoltate, circa 50 % din receptoarele unui consumator industrial constau din convertoare de frecvență (pentru alimentarea acționărilor reglabile de c.a. sau c.c.), surse în comutație (pentru alimentarea sistemelor de calcul sau a controlerelor de proces) și din balasturi electronice. Datorită caracteristicii neliniare a sarcinilor menționate mai sus (care utilizează diode, tiristoare sau tranzistoare pentru conversiile c.a.-c.c., c.c.-c.a. sau c.c.-c.c.), în sistemele de distribuție industriale apar cantități însemnate de tensiuni sau curenti armonici; efectul acestor unde nesinusoidale asupra altor elemente ale sistemului, atât pe teritoriul consumatorului industrial cât și în afara acestuia, poate fi deosebit de periculos.

În general, consumatonii neliniari contribuie la degradarea calității energiei electrice prin generarea de curenți armonici, circulația acestora determinând distorsionarea undei de tensiune în punctul de racord (dar și în alte părți ale sistemului) datorită impedanței finite a sistemului electroenergetic.

Efectele fenomenelor de rezonanță, care pot amplifica undele armonice (creșterea tensiunii în diferite puncte ale rețelelor electrice, supraîncărcarea transformatoarelor și în special a bateriilor de condensatoare, etc.), precum și faptul că nu există o alternativă viabilă la introducerea masivă a electronicii de putere în toate sectoarele vieții economice și sociale a determinat în ultimii ani o nouă creștere a interesului specialiștilor pentru poluarea armonică.

4.4. Efectele poluării armonice în sistemul electroenergetic

Existența regimurilor deformante în sistemul electroenergetic afectează parametrii de funcționare ai echipamenetelor și influențează negativ regimurile de funcționare.

Principalele efecte ale poluării armonice în sistemele electroenergetice se pot cuantifica, ceea ce poate servi la justificarea măsurilor ce se intreprind pentru diminuarea acestor efecte.

Vom enumera în continuare principalele efecte negative ale poluării armonice:

a) Pierderile de putere activa în rețeaua poluată armonic;

Efectele termice suplimentare ce apar în rețele datorită poluării armonice provoacă urmatoarele categorii de pierderi:

Pierderi în materialele conductoare;

Pierderi în materialele magnetice pentru armonica de rang n.

b) Pierderi în materiale dielectrice;

Marimea care definește pierderile active în dielectric este unghiul de pierderi.

c) Rezonanța armonică pe tensiune;

Curentul armonicii de rang n ce străbate un element de rețea R, L, C are expresia:

Dacă în elementul de rețea analizat pentru armonice de rang k este îndeplinită condiția kωL = 1/kωC, atunci curentul va avea valoarea maximă și deci ne confruntăm cu efectul de rezonanță de curent pentru armonica k.

d) Creșterea potențialului punctului neutru pentru conexiuni Y0 ale transformatoarelor sau altor receptoare;

e) Supraîncărcarea circuitelor de nul ale rețelelor electrice;

f) Apariția de supracurenți în rețele electrice trifazate.

Rezonanța de curent în circuitele consumatorilor de energie electrică poate apare într-un nod de consum în care sunt racordate receptoare generatoare de curenți armonici (de exemplu baterii de condensatoare, redresoare și alte receptoare neliniare).

Putem spune că efectele regimului deformant în rețelele electrice influențează negativ economicitatea funcționării sistemului electroenergetic în ansamblu și pe componente astfel:

– afectarea funcționarii echipamentelor electronice de protecție, automatizare și comandă;

– producerea de pierderi suplimentare în transportul și distribuția energiei electrice;

– solicitarea peste limitele admise a instalațiilor statice de compensare a puterii reactive;

– provocarea scăderii randamentelor motoarelor electrice;

– încărcarea suplimentară a elementelor sistemului electroenergetic;

– apariția supratensiunilor periculoase pentru instalațiile sistemului energetic national în condiții de rezonanță pentru anumite armonici;

– micșorarea factorului de putere la consumatorii deformanți și în rețeaua de alimentare cu energie electrica.

4.5. Considerații generale privind evaluarea regimului rețelei electrice în condiții de poluare armonică

Un regim deformant este caracterizat prin prezența armonicilor în instalațiile electrice. El poate fi caracterizat prin fenomenele deformante particulare care apar în acest caz, și în special prin efectele binecunoscute pe care le produce.

Astfel, fenomenele deformante pot produce efecte de rezonanță în rețelele și masinile electrice; ele măresc puterea aparentă, provocând astfel o micșorare a factorului de putere; micșoreaza, în general, randamentul aparatelor receptoare; tot datorită fenomenelor deformante, liniile de telecomunicații suferă anumite influențe supărătoare din cauza existenței acestor fenomene în rețelele electrice vecine; în sfârșit, fenomenele deformante introduc erori suplimentare în aparatele de măsură.

Un regim dezechilibrat în cadrul unei rețele electrice este caracterizat prin apariția unor curenți de succesiune inversa și/sau homopolara. Acești curenți vor circula de-a lungul rețelei, în sens contrar curenților produși de generatoare, adica de la un defect către surse. Va exista deci, în orice punct al rețelei o suprapunere de curenți de succesiuni diferite.

Un exemplu în acest sens îl constituie un motor asincron, aflat într-un punct oarecare al rețelei, care este alimentat cu acești curenți nesimetrici, adică atât cu un sistem de curenți de succesiune directă, cât și cu un sistem de curenți de succesiune inversă. Sistemul de curenți de succesiune directă produce în intrefierul mașinii un câmp învârtitor, care va produce mișcarea rotorului în același sens cu câmpul. Sistemul de curenți de succesiune inversă produce, în general, un câmp învârtitor de o intensitate diferită față de primul, care se va roti în sens invers, însa cu aceeași viteză de sincronism. Cămpul rezultant este echivalent cu un câmp învârtitor care se va roti cu viteza de sincronism într-un sens sau altul, dupa cum primeaza câmpul direct sau câmpul invers și cu un câmp alternativ fix în spațiu. Rezulta deci că, un motor asincron funcționând într-o rețea electrică trifazată dezechilibrată se comportă ca o mașină trifazată normală, peste care se suprapune o mașină monofazată, consecință find încălzirea excesivă a motorului asincron.

Într-o rețea electrică complexă, circulația armonicilor de curent electric și căderile de tensiune corespunzătoare acestora provoacă amplificări ale armonicelor de curent și de tensiune, pierderi suplimentare de energie electrică, influențe electromagnetice asupra sistemelor de telecomunicații, precum și alte fenomene electromagnetice (supratensiuni, suprasarcini, funcționarea eronată a sistemelor de protecție și automatizare). Efectele de amplificare ale armonicelor de curent și de tensiune se produc ca urmare a suprapunerii frecvenței proprii a circuitelor formate din bobine și condensatoare cu frecvența uneia din armonicele preponderente.

Armonicele de curent se propagă în toate circuitele conectate la rețea, ceea ce impune analiza circulației acestor armonici și stabilirea efectele acțiunii lor asupra unor elemente ale rețelei electrice.

Într-o rețea poluată armonic, chiar consumatorii care nu constituie sursa de poluare armonică la nivelul lor pot fi poluați cu armonici dacă sunt alimentați de la o rețea poluată armonic și mai mult decât atât, se poate produce o amplificare a regimului armonic în situația în care acești consumatori au în structura lor circuite neliniare.

Fenomenul de amplificare a armonicelor poate fi pus în evidență și la liniile electrice de IT și FIT, funcționând în gol.

Amplificarea armonicelor poate provoca încălziri suplimentare în mașinile electrice, ceea ce poate conduce la scăderea puterii acestora.

Distorsiunile curbei tensiunii la bornele receptoarelor poate conduce la reducerea cuplului motoarelor și pierderi suplimentare în înfașurările motoarelor electrice. Fenomenul de amplificare a armonicelor superioare de tensiune și curent într-o rețea electrică de transport și distribuție până la stări de rezonanță sunt determinate în dimensionarea rețelelor care alimentează consumatori deformanți.

Totodată trebuie avut în vedere creșterea rezistenței electrice a elementelor conductoare datorită efectului pelicular ceea ce poate conduce la creșterea pierderilor în transportul și distribuția energiei electrice.

Determinarea tensiunilor în rețelele electrice și a circulației armonicelor în rețea impun adoptarea unor ipoteze simplificatoare asupra consumatorilor, elementelor de rețea și asupra surselor din sistemul electroenergetic.

Sursa de armonici poate fi considerată în două moduri:

– Sursa de armonici de curent constant este considerată ca sursa ideală de curent pe armonica de rang n, In – constant, atât în raport cu tensiunea aplicata la borne cât și în raport cu valorile celorlalte armonici generate de consumatorul deformant. Această ipoteză este acoperitoare din punctul de vedere al amplificării armonicelor de curent într-o rețea electrică ce nu prezinta compensare longitudinală dar are elemente transversale capacitive sau inductive. Această situatie apare în mod uzual în rețelele de transport și distribuție.

– Sursa de armonici de tensiune constantă este acoperitoare chiar și pentru cazul în care exista compensare serie pe linie. Într-o altă ipoteză, consumatorul deformant se poate considera că funcționează pe o caracteristică de impedantă pe armonica fundamentală, constanța de secvență directa și inversă. Dacă se cunoaște forma curentului absorbit de consumator se poate determină spectrul de armonici în raport cu armonica fundamentală. Valorile astfel rezultate ale armonicelor se atașează unor surse de curenți constante care modelează consumatorul în domeniul armonicelor superioare.

Într-o ipoteză mai apropiată de realitate decât primele două, consumatorul deformant se ia în considerare prin caracteristica sa neliniara care stabilește relația dintre starea instantanee u(t) a tensiunii de la borne si valorile corespunzătoare I(t) ale curentului electric. În calculele practice această caracteristică poate fi liniarizată pe porțiuni prin segmente de dreaptă sau printr-o funcție în scară.

Din cele expuse până aici privind efectele negative ale poluării armonice a sistemului electroenergetic se desprind o serie de concluzii care justifică cu prisosința actualitatea subiectului prezentei lucrări.

În primul rând se poate remarcă multitudinea de fenomene negative și efectele acestora asupra funcționării economice și sigure a sistemului electroenergetic poluat cu armonici.

Posibilele identificări și evaluări ale acestor efecte negative privind poluarea armonică, îndeamna specialiștii în perfecționarea continuă a mijloacelor tehnice pentru întreprinderea măsurilor de înlăturare și limitare a efectelor negative ale poluării cu armonici.

Nodurile de consum find principalele surse ale poluării cu armonici este firesc faptul ca să existe mijloace tehnice adecvate pentru controlul permanent al indicatorilor caracteristici ai poluării, dat find faptul că apariția și nivelul armonicilor este funcție de natura consumatorului, de fazele proceselor tehnologice, gradul de măsurare, condițiile de mediu, de gradul de compensare a puterilor reactive, de factorul de calitate al schemei de alimentare și de alti factori.

4.6. Poluarea cu armonici

Toate sarcinile neliniare consumă un curent nesinusoidal, compus dintr-un curent la frecvența de 50 Hz care reprezintă armonica fundamentală și curenții de armonici a căror frecvență este un multiplu al frecvenței fundamentale (100, 150,200,250,300 Hz). Raportul dintre frecvența unei armonici și frecvența fundamentală determină rangul armonicii și în funcție de valoarea sa, curbele de tensiune sau de curent produse de sursele poluante pot fi:

armonice, dacă rangul lor este un număr întreg;

subarmonice, dacă rangul lor este subunitar;

interarmonice, la care rangul lor este difenit de un multiplu întreg al frecvenței fundamentale.

Principalele surse poluante din cadrul unui sistem energetic sunt:

instalații electrice și electronice cu caracteristici neliniare (aparate cu reglaj de fază generalizate sau reglaj de fază și de putere mutatoare, instalații de electroliză, cuptoare cu arc electric în perioada topirii, redresoarele necomandate de la receptoare TV, lămpi cu balast integrat, convertizoare de frecvență);

generatoare și elemente de transfer din sisternul energetic care datorită construcției (sau imperfecțiunilor constructive) nu realizează mărimi de ieșire de forma perfect sinusoidală (nivelul perturbației armonice produse de aceste instalații este în general de valoare redusă);

tracțiunea electrică monofazată;

compensatoarele statice la cuptoarele cu arc;

descăncări în gaze (iluminatul fluoreșcent);

regimuri anormale de funcționare a sistemului energetic (mașini unelte rotative sau transformatoare în suprasarcina, descarcarea Corona etc.)

Prin regim deformant, se definește regimul permanent de funcționare al rețelelor electroenergetice de tensiune alternativă în care undele de tensiune și de curent sunt periodice și cel puțin una din ele nu este sinusoidală; el își are originea în elemente ale sistemului electroenergetic (generatoare, transformatoare, redresoare în sistemele de transport în c.c., condensatoare sau bobine comandate prin tiristoare utilizate pentru controlul stabilității sistemului și al circulației de putere reactivă) sau în receptoarele neliniare folosite de consumatori pentru transformarea energiei electrice in altă formă de energie.

4.7. Surse de interarmonici

Interarmonicile pot să apară fie sub formă de frecvențe discrete, fie sub formă de spectru cu bandă larga. Frecvența acestor armonici de curent și de tensiune nu este un multiplu întreg față de frecvența fundamentală iar fenomenul de apariție al lor este totuși puțin probabil și poate să fie luat în calcul.

Sursele de interarmonici se găsesc atât în rețelele de joasă tensiune cât și în cele de medie și de înaltă tensiune. Interarmonicile produse de sursele de joasă tensiune influențează aparatele racordate la acest nivel de tensiune, pe când interarmonicile generate la medie și înaltă tensiune se propagă prin rețelele de joasă tensiune pe care le alimentează. Sursele principale sunt convertizoarele de frecvență statică, cicloconvertizoarele, cascadele hiposincrone (subsincrone), motoarele asincrone, mașinile de sudură (în rețelele de joasă tensiune), cuptoarele cu arc (în rețelele de medie și înaltă tensiune).

Se menționează că, deși până în prezent nu a fost studiat în detaliu, ca în rețelele de joasă tensiune există de asemenea un zgomot de fond interarmonic de nivel redus (în jur de 0,01 % – 0,02 % UN) chiar în absența surselor locale de interarmonici.

Convertizoarele de frecvență (convertizoarele) indirecte transformă tensiunea rețelei într-o tensiune alternativă de frecvență diferită de cea inițială. Ele se constituie în doua niveluri: nivelul de redresare alternativ-continuu și nivelul invertor continuu-alternativ. Convertizoarele de frecvență statice sunt utilizate în principal pentru acționările la frecvența variabilă la puteri de câteva zeci de KW, când sunt racordate direct la joasă tensiune, iar la acționări mai importante racordarea se face la medie tensiune prin transformatoare proprii.

Frecvențele armonicii și interarmonicilor se exprimă prin formula urmatoare:

unde:

p1 – numărul de faze al redresorului;

p2 – numărul de faze al invertorului;

m –un număr întreg 0,1,2,3,…;

n – un număr întreg 0,1,2,3,…;

F – frecvența de iesire;

F1 – frecvența fundamentală a rețelei (50 Hz sau 60 Hz);

Fh -frecvența produsă cu cele doua componente; armonică sau interarmonică.

Combinațiile de valori dintre p1, m și respectiv p2, n și F permit să se obțină armonici și interarmonici. Frecvențele interanmonice cu cele mai mari amplitudini sunt:

Cicloconvertizorul este un convertizor electronic de mare putere (de ordinul MW) care absoarbe o putere trifazată sau monofazată de joasă frecvență (în general inferioară frecvenței de 15 Hz) pentru antrenarea la viteze mici. El se compune din două sau mai multe redresoare comandate, racordate în punte. Formula frecvențelor armonice și interarmonice este aceeași ca la convertizoarele statice de frecvență. Spectrul de frecvență al curentului de alimentare este în principal compus din armonici caracteristice de frecvență:

unde:

fch – frecvențe armonice caracteristice corespunzătoare numarului de faze a redresorului de alimentare.

La aceste armonici (fch) se adaugă 2nF-pentru sarcini monofazate și 6nF – pentru sarcini trifazate cicloconvertizoare, adica:

fh = fch + 2nF

sau

fh = fch + 6nF

unde :

fh, p1, m, n, f1, F au semnifcațiile menționate mai sus.

Cicloconvertizoarele produc frecvențe discrete în gama 0 Hz- 1000 Hz cu un maximum de tensiune de ordinul 0,5 % Un, atingând valori mai mari la rezonantă.

Cascada subsincronă (hiposincronă) este utilizată pentru reglarea vitezei unui motor asincron contribuind și la reducerea nivelului de pierderi când acesta functionează în afara condițiilor normale. Convertizorul de frecvență se racordează între bornele motorului și linia electrica de alimentare a statorului motorului. Generarea de interarmonici, deși slabă, provenita de la stator și respectiv rotor este dată de formulele:

unde:

p1 – numărul de faze ale redresorului conectat la sursa de curent alternativ;

pr – numărul de faze ale redresorului pentru rotor (pr = 6);

VS-viteza sincronă;

VA-viteza actuală;

S –alunecarea.

Motoarele asincrone pot să absoarbă un curent de magnetizare neregulat datorită crestăturilor din stator la care, uneori, se adaugă și fenomenele de saturație ale circuitului magnetic. Fenomenele acestea sunt însoțite de producerea de interarmonici în rețelele de joasă tensiune cu frecvențe cuprinse între 500 Hz și 2000 Hz, cu tendința de a baleia toată gama de frecvențe pe perioada de pornire.

Interarmonicile sunt astfel produse mai ales în cazul în care motoarele sunt instalate la capătul unor linii de joasă tensiune lungi (mai lungi de 1 Km), situație în care tensiunile interarmonice măsurate au atins 1% Un și pot perturba receptoarele de comandă.

Am efectuat și o serie de încercări …

Armonicile de tensiune cu convertizorul neconectat

Valorile curenților și tensiunilor, la 30 Hz

Armonici de curent, pe faza L1 , la 30 Hz

Armonici de curent, pe faza L2 , la 30 Hz

Armonici de curent, pe faza L3 , la 30 Hz

Armonici de tensiune, la 30 Hz

Armonici de tensiune, la 50 Hz, în gol

Armonici de curent, la 50 Hz, în gol

Armonici de curent, la 50 Hz, în sarcină nominală

Armonici de curent, la 70 Hz, sarcină de 1 Nm

Valorile curenților și tensiunilor, la 70 Hz, în sarcină de 1 Nm

Armonici de curent, faza L1 , la 70 Hz, în sarcină de 1 Nm

Armonici de curent, faza L2 , la 70 Hz , în sarcină de 1 Nm

Armonici de curent, faza L3 , la 70 Hz, în sarcină de 1 Nm

Armonici de curent, pe nul