O prezentare cronologică a fenomenelor studiatedescoperiteremarcate legate de electricitate este ilustrată în continuare 1 2 3 4. [301882]

Capitolul I

INTRODUCERE

Generalități

Energia electrică este o [anonimizat] a fost „inventată” de cineva. „Unii consideră că Benjamin Franklin este cel ce a [anonimizat], nimic mai mult” [1].

O prezentare cronologică a fenomenelor studiate/descoperite/remarcate legate de electricitate este ilustrată în continuare [1] [2] [3] [4].

În antichitate

În această perioadă oamenii au cunoscut efectele șocurilor electrice emise de anumiți pești.

În jurul anilor 900 î.Hr., [anonimizat]-o regiune, care ulterior s-a numit Magnesia, a observat că încălțările lui care aveau cuie din fier erau atrase de unele pietre/stânci. De aici provine cuvântul magnet.

Încă din anii 600 î.Hr., grecii antici au remarcat fenomenul de electrizare a corpurilor, adică electricitatea statică (de atunci făceau experimente prin frecarea blanei de la animale de o bucată de chihlimbar).

Datorită descoperirilor făcute prin anii 1930, se poate afirma că este posibil să se fi folosit un fel de baterii (un fel de vase cu tablă subțire de cupru la interior) care să alimenteze cu energie anumite obiective. Astfel de elemente se crede că se foloseau de către perși precum și în Imperiul Roman.

[anonimizat] a unui ac magnetic pentru orientarea cu busolă în timpul navigației maritime.

[anonimizat]. [anonimizat], a [anonimizat]. El a folosit un nou cuvânt latin electricus (provenit din greaca veche elektron ceea ce înseamnă chihlimbar) pentru a defini forța apărută între chihlimbar încărcat electrostatic și un magnet.

[anonimizat]

S-au realizat câteva descoperiri legate de:

producerea electricității statice (generatorul electrostatic),

diferența dintre curentul electric pozitiv și curentul electric negativ

diferența dintre materialele conductoare (clasificarea acestora în materiale conductoare și izolatoare)

[anonimizat] (forță ce depinde de cantitatea de sarcină și de distanța dintre corpuri). Astfel ia naștere legea lui Coulomb

Luigi Galvani a descoperit întâmplător procedeul de galvanizare. El este primul care observă efectul fiziologic al curentului electric (contracția/zvâcnirea mușchilor la excitare cu un curent electric). Tot el pune bazele elementelor galvanice de producere a [anonimizat], [anonimizat]/[anonimizat]. Volta reușește să realizeze primul circuit electric prin conectarea unei surse de curent (și-a dat seama de importanța lor și a conectat atât borna pozitivă cât și pe cea negativă, putând să se genereze o tensiune electrică, ce are ca unitate de măsură, cum este și normal, voltul). Așa a fost descoperită o nouă formă de energie foarte importantă, energia electrică, care era generată un timp îndelungat.

În secolul al XIX-lea

Se obține electroliza apei (reactie de descompunere a apei în hidrogen și oxigen) prin trecerea curentului electric continuu

Se obține efectul chimic al curentului electric, dezvoltându-se electrochimia, putându-se separa elemente chimice ca: magneziu, bariu, stronțiu, calciu, sodiu, potasiu, bor.

Se descoperă și efectul termoelectric ce va ajuta ulterior la realizarea termocuplului

Se obține primul bec (care va fi ulterior dezvoltat de Edison) folosit pentru iluminat

Se studiază fenomenele electromagnetice, descoperindu-se legătura dintre electricitate și magnetism și anume că în jurul unui conductor parcurs de curent se creează un câmp magnetic (idee observată de Hans Christian Orsted). Andre-Marie Ampere, considerat unul dintre principalii fondatori ai teoriei electromagnetismului a descoperit interacțiunea dintre curentul electric și magnet, determinând expresia forței electrodinamice. El a construit și un solenoid pentru experimentele sale.

Fizicianul german Georg Simon Ohm a descoperit legea care îi poartă numele legea lui Ohm sau legea conducției electrice (legea descrie proporționalitatea dintre tensiunea de la bornele unui circuit, intensitatea cuentului prin circuit și rezistența electrică din circuit)

Michael Faraday continuă experimentele fenomenelor electromagnetice și descoperă dinamul electric precum și motorul electric. Determină legea inducției electromagnetice precum și modalitățile de obținere a electricității: prin frecare, prin inducție, pe cale chimică sau termică

Este descoperit efectul Peltier ce constă în trecerea căldurii de la un metal spre un alt metal, cu care este în contact

James Prescott Joule elaborează legea de conservare a energiei, ce este valabilă și în cazul conversiei energiei dintr-o formă în alta, suma acestor energii (mecanică, termică și electrică) rămâne constantă.

Leon Foucault experimentează curenții turbionari (numiți apoi curenți Foucault), care apar într-un conductor masiv care este într-un câmp magnetic variabil

Inginerul belgian Zenobe Gramme construiește primul generator industrial prin conversia energiei mecanice în energie electrică folosind inducția electromagnetică

Este construit motorul electric de curent continuu

Se descoperă și se prezintă avantajele producerii energiei electrice trifazate

Se construiește și se dă în funcțiune prima centrală electrică experimentală pe cascada Niagara

În secolul al XX-lea

În anul 1904 fizicianul englez John Ambrose Fleming inventează dioda, însemnând începutul dezvoltării electronicii. La mijlocul secolului este realizat tranzistorul, apoi circuitul integrat, ducând la dezvoltarea ulterioară a microprocesoarelor

Este realizat și explicat efectul fotoelectric

Se construiește și se pune în funcțiune primul sistem complet de televiziune

Începând cu cea de-a doua jumătate a secolului se dezvoltă foarte mult cercetarea aplicată, tehnologiile de realizare a materialelor. Sunt așa de multe realizări că este greu să fie descrise cronologic toate.

În domeniul convertoarelor statice, evoluția este orientată în două direcții: o direcție dată de dezvoltarea elementelor semiconductoare (partea/circuitul de forță) și alta dată de strategiile/cerințele de comandă și protecție ale acestor dispozitive (partea/circuitul de comandă). După cum s-a prezentat, cele două diecții de evoluție s-au dezvoltat foarte mult de la mijlocul secolului al XX- lea.

Locul și rolul invertoarelor

Invertoarele sunt acele echipamente electrice care asigură conversia energiei de curent continuu în energie de curnet alternativ. Ele fac parte din categoria convertoarelor statice, împreună cu redresoarele, convertoarele de tensiune continuă și alternativă.

Invertoarele au tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire, frecvența de ieșire și puterea totală ce depind de proiectarea acestuia (a circuitelor de comandă și de forță). Invertorul nu produce nici o putere suplimentară, el „transmite la ieșire” puterea furnizată de sursa de curent continuu de la intrare.

Un convertor de putere poate fi în totalitate electronic sau poate fi o combinație dintre elemente mecanice (cum ar fi un dispozitiv rotativ) și circuite electronice [5].

Cum convertoarele statice nu utilizează componente în mișcare în procesul de conversie și după cum s-a prezentat la începutul subcapitolului (cum că invertoarele fac parte din categoria convertoarelor statice), înseamnă că și invertoarele sunt echipamente electrice statice (nu utilizează elemente în mișcare), acest aspect fiind detaliat în capitolul următor.

Invertoarele asigură conversia energiei de curent continuu în energie de curent alternativ. Se pune întrebarea, totuși, de ce este nevoie de aceste echipamente? Oricum este disponibilă energia de curent alternativ (deoarece sistemul energetic de transport oferă curent alternativ) și atunci de ce mai folosim invertoare?

Invertoarele se folosesc atunci când:

este disponibilă o sursă de curent continuu iar consumatorul/receptorul este de curent alternativ,

este necesară realizarea unei surse neîntruptibile de alimentare cu energie electrică,

se folosesc celule fotovoltaice pentru producerea energiei și se dorește conectarea/utilizarea acestei energii,

este necesară modificarea parametrilor electrici: tensiune, frecvență, număr de faze.

Cazul unei surse de curent continuu

În cazul utilizării unei surse de curent continuu (baterii/acumulatori, de exemplu la autoturism), invertorul poate oferi orice nivel pentru tensiunea de curent alternativ de ieșire, sau se poate modifica tensiunea de intrare în invertor folosind un alt tip de convertor: redresor sau variator de tensiune continuă.

Bateriile electrice convertesc energia chimică în energie electrică. Acestea pot fi normale (primary cell) sau reîncărcabile (rechargeable battery sau secondary cell). De regulă, în limba română, diferențierea între cele două tipuri se face simplu: bateriile sunt cele care seconsumă și nu se reîncarcă, iar acumulatorii se reîncarcă.

Folosirea bateriilor se face atunci când circuitul necesită un curent foarte mic ducând la o durată mare de utilizare a bateriei. Sunt circuite care nu consumă bateria mai repede de 5 ani și atunci ar fi dezavantajos să se utilizeze acumulatori care se descarcă mai repede și au un cost mai mare.

Acumulatorii au diferite forme și tipuri devenind sursa de alimentare standard pentru echipamentele portabile. Până în anii ’90 s-au realizat acumulatori NiCd (nichel-cadmiu), care s-au înlocuit cu acumulatorii NIMH (nichel-metal-hibrid) înlocuindu-se cadmiul care este toxic pentru mediu. Acumulatorii NIMH pot să asigure cu 40% mai multă energie decât acumulatorii NiCd.

Următoarea etapă în dezvoltarea acumulatorilor a fost micșorarea dimensiunilor. S-au obținut astfel acumulatori Li-Ion care produc aceeași energie, dar care cântăresc cu 30% mai puțin decât acumulatorii NIMH.

S-a reușit dezvoltarea unui alt tip de acumulator LiPo (Litiu-Polimer) care poate avea și alte forme nu numai cilindrice, este mai ușor dar și mai scump.

O altă posibilitate de a realiza o sursă de curent continuu se face prin utilizarea celulelor/pilelor de combustie (fuel cell) [6]. Acestea convertesc energia chimică dintr-un combustibil în electricitate printr-o reacție electrochimică dintre combustibil (pe bază de hidrogen) și oxigen (sau cu un alt agent de oxidare). „Reziduul” este de fapt apă pură și căldură, fără alte emisii importante (fără CO2 cu excepția unor cantități mici de dioxid de azot). Eficiența energetică a acestor celule poate crește până la 85% dacă se captează căldura reziduală printr-o schemă de cogenerare.

În figura 1.1 este prezentată schema bloc de construcție și funcționare pentru o celulă de combustie [7].

Fig. 1.1.

Celulele de combustie sunt diferite față de baterii prin faptul că, pentru întreținerea reacției chimice, necesită o alimentare continuă cu combustibil (hidrogenul este ținut la presiune ridicată în rezervoare de gaz) și oxigen (de regulă oxigenul este luat din atmosferă), iar bateriile susțin reacția chimică cu substanțe deja prezente acolo.

În anul 1838 au fost realizate primele celule de combustie. Apoi ele au fost utilizate după un secol la programele spațiale NASA, pentru a alimenta cu energie electrică sateliții și capsulele spațiale. Acum sunt utilizate în multe aplicații pentru alimentarea cu energie primară sau de rezervă a:

zonelor comerciale, industriale, rezidențiale

zonelor greu accesibile

vehiculelor:

stivuitoare

automobile

autobuze

bărci

motociclete

submarine.

Vehiculele dotate cu celule de combustie fac parte din categoria vehiculelor electrice, care folosesc celula de combustie în locul bateriei electrice sau folosesc o combinație între acestea (fiind prezentă atât celula de combustie cât și bateria electrică sau un supercapacitor).

În acest caz, celulele de combustie se folosesc pentru a furniza energie motorului electric sau/și pentru a încărca bateria sau/și supercapacitorul, ca în figura 1.2 [7].

Supercapacitorul stochează energia electrică, sub formă de energie electrostatică (pe suprafața unor armături) și va fi ulterior disponibilă fără a implica nicio reacție chimică, ca în cazul bateriilor [8].

Marele avantaj al acestor supercapacitoare este că se încarcă foarte repede (rezultând o densitate mare de putere) și nu își pierd capacitatea de stocare a energiei în timp (acceptând milioane de cicluri de încărcare/descărcare).

Marele dezavantaj al supercapacitoarelor este legat de densitatea mică de energie (adică nu pot susține o anumită putere decât pentru un interval de timp scurt) și de prețul mare.

Având în vedere progresele obținute în ultimul timp privind tehnologiile de fabricație (crearea de noi materiale, în general pentru orice produs), se pot crea în viitor superconductoare care să depășească sau să asigure nevoia de densitate de energie pentru unele aplicații.

În bibliografie [8], pentru a arăta caracteristicile/posibilitățile de furnizare a energiei, a celor două elemente descrise aici, se face o analogie între aceste două elemente și două animale. Astfel, bateria este caracterizată ca o broască țestoasă (ca un dispozitiv lent dar care poate asigura cerințe mari și constante de energie), iar supercapacitorul este caracterizat ca un ieoure (care aleargă repede pe distanțe scurte, adică se încarcă și se descarcă repede, asigurând o energie mică).

Fig.1.2.

Experiența a demonstrat că uneori, elementele care sunt în contradicție/concurență, se pot folosi împreună, pentru a se completa. De aceea, atât bateriile electrice cât și supercapacitorii pot să „lucreze” împreună, pentru a asigura/optimiza nevoile energetice ale unui vehicul. Supercapacitorii se pot folosi pentru a asigura surplusul de energie necesar la accelerare și s-ar încărca rapid în timpul frânării vehiculului (bateria neputând folosi energia de frânare). Prin combinarea celor două elemente rezultă o mașină electrică îmbunătățită, care are ar accelera utilizând energia supracapacitorului, ducând la reducerea greutății bateriei și implicit a mașinii.

Cazul unei surse neîntreruptibile de tensiune

O sursă neîntreruptibilă de tensiune (în limba engleză se spune UPS – Uninterruptible Power Source sau Uninterruptible Power Supply) se folosește pentru a prelua alimentarea cu energie electrică un consumator atunci când apare o întrerupere de tensiune la rețeaua de alimentare. În acest caz sursa neîntreruptibilă are în componență baterii/acumulatori (care sunt încărcate de un redresor în timpul funcționării normale a rețelei) și un invertor care convertește energia de curent continuu de la baterie în curent alternativ. Cănd tensiunea apare din nou, consumatorul este alimentat de la rețea.

Un UPS diferă față de un sistem de alimentare auxiliar sau de urgență sau față de un generator de rezervă, prezentând următoarele caracteristici:

asigură o protecție aproape instantanee la întreruperile de alimentare cu energie

alimentează cu energie electrică consumatorii (când dispare tensiunea rețelei) pentru o perioadă/durată scurtă de câteva minute, până revine tensiunea de alimentare (dacă nu apare teniunea până se consumă bateriile) sau până se pornește o sursă de alimentare auxiliară/rezervă/urgență

se folosesc pentru a proteja, de regulă sistemele numerice de calcul/comandă/control pentru prevenirea pierderilor de date sau pentru memorarea parametrilor de stare.

Ca și alte echipamente și UPS-urile au o dezvoltare/evoluție remarcabilă. Se dorește ca acestea să îndeplinească și alte funcții (pe lângă cea de a asigura alimentarea cu energie ân cazul defectării rețelei de alimentare), precum:

asigurarea tensiunii de alimentare între anumite limite (asigurarea în anumite limite a unei stabilizări a tensiunii rețelei), ceea ce reprezintă de fapt o protecție a consumatorului la supratensiunile și subtensiunile rețelei de alimentare

eliminarea instabiltății frecvenței rețelei

eliminarea distorsiunilor tensiunii rețelei

protecție la supracurent/scurtcircuit

protecție la supratemperatură

avertizare când scade capacitatea de stocare a bateriei

unele UPS-uri (care conțin funcție/circuit de management) pot închide automat calculatoarele, dacă alimentarea nu se reia după un anumit timp.

În funcție de tehnologiile utilizate, există mai multe tipuri UPS, prezentate în continuare [9] [10] [11].

UPS –uri de tip OFF-LINE / STANBY

La aceste UPS-uri tensiunea rețelei de alimentare este trimisă direct către consumatori și către circuitul de încărcare al bateriei.

Atunci când tensiunea de la rețea nu este prezentă, consumatorii sunt alimentați de la baterie prin invertor.

Acestor UPS – uri li se mai spune și UPS – uri dependente de tensiune și frecvență (Voltage and Frequency Dependent).

În figura 1.3 se prezintă schema bloc a unui astfle de UPS punând în evidență situația când este/nu este prezentă tensiunea de la rețea.

Fig. 1.3.

Caracteristicile UPS-urilor OFF-LINE:

cost redus

timp relativ mare de comutare (câteva ms, ar putea afecta consumatorii sensibili)

lipsă protecție la variațiile/perturbațiile rețelei de alimentare

se folosesc pentru consumatori: cu sensibilitate redusă, din domeniul IT și telecomunicații, precum și care au surse în comutație.

UPS – uri de tip LINE – INTERACTIVE

Acestora li se mai spune și UPS – uri independente de tensiune (Voltage Independent). Modul de funcționare este similar cu a celor de tip off-line, cu deosebirea că, în situații normale de funcționare (când este prezentă tensiunea rețelei), tensiunea de intrare (de la rețea) este transmisă consumatorilor cu mici ajustări și filtrări (filtrările sunt minimale).

Ajustările mici se fac cu un circuit de tip AVR (Automatic Voltage Regulator) sau de tip autotransformator pentru păstrarea nivelului tensiunii rețelei (dacă tensiunea scade sub valoarea nominală, circuitul crește tensiunea – boost sau dacă tensiunea crește peste valoarea nominală, atunci circuitul scade tensiunea – buck).

Dacă variațiile tensiunii de intrare sunt mari, depășesc un anumit prag, consumatorii vor fi alimentați de la baterie, până la revenirea tensiunii de intrare (de la rețea). În acest caz se prezintă două tipuri de UPS:

cu tensiune de ieșire dreptunghiulară sau sinus modificat; tensiunea de la baterii transmisă prin invertor consumatorilor este un „sinus modificat”

cu tensiune de ieșire sinusoidală; tensiunea de la baterii transmisă prin invertor consumatorilor este sinusoidală.

În figura 1.4 se prezintă un UPS de tip independent de tensiune care are aproximativ aceași structură ca cel prezentat anterior (de tip ) cu adăugarea unui autotransformator cu tensiune variabilă (cu mai multe trepte/mediane). Cu ajutorul treptelor se poate să se adauge sau să se scadă numărul de spire de unde se „culege” tensiunea de ieșire, pentru a se păstra tensiunea de la bornele consumatorului în limite „normale”.

Acest tip de UPS, prezentat în figura de mai sus, este capabil să „corecteze” creșterile și scăderile mici ale tensiunii de la rețea, fără a consuma puterea rezervată bateriei (care poate fi încărcată în timpul conversiei). Compensarea acestor mici variații se face prin selectarea automată a diferitelor trepte ale autotransformatorului. Sunt arătate schemele pentru 4 situații când tensiunea rețelei are: valoare „normală”, variații mici față de valoarea „normală”și variații mari față de valoarea „normală” sau nu există/este lipsă.

Autotransformatorul poate fi proiectat cu mai multe trepte/prize/mediane ca să asigure variații mai mari ale tensiunii de intrare. Numărul treptelor trebuie limitat ca să nu crească prețul și complexitatea echipamentului. Astfel că pentru variații mari ale tensiunii, consumatorii vor fi alimentați de la baterie.

Caracteristicile UPS-urilor LINE – INTERACTIVE:

cost redus

zgomot redus

grad de protecție mai mare decât cele anterioare

necesită timp de comutare între modurile de funcționare

nu elimină toate perturbațiile rețelei (de exemplu variația frecvenței)

autonomie redusă

se folosesc pentru consumatori: cu sensibilitate crescută, din domeniul IT și telecomunicații, precum și care au surse în comutație

tipurile cu ieșire dreptunghiulară pot fi folosite să alimenteze consumatori cu surse în comutație și nu pot alimenta consumatori care conțin bobine (transformatoare, motoare, de exemplu pentru alimentarea unei centrale termice)

tipurile cu ieșire sinusoidală se folosesc pentru a alimenta cam orice consumator (mai ales a centralelor cu combustibil solid-lemn, pentru care întreruperea tensiunii de alimentare ar putea duce la deteriorarea/explozia centralei prin oprirea pompei de recirculare la întreruperea alimentătării).

UPS – uri de tip ON – LINE

Acestora li se mai spune și UPS – uri independente de tensiune și frecvență (Voltage and Frequence Independent) sau UPS – uri dublă conversie. Acestea sunt cele mai performante tipuri de UPS-uri, deoarece urmăresc/analizează/filtrează în permanență alimentarea consumatorilor, nefiind conectați direct la tensiunea rețelei.

În timpul funcționării apar întotdeauna două conversii (de aici și denumirea de dublă conversie):

prima realizează conversia curentului alternativ de intrare în curent continuu

cea de-a doua conversie din curent continuu în curent alternativ se referă la refacerea formei și caracteristicilor curentului alternativ de ieșire perfect sinusoidal (având caracteristicile nominale).

Datorită celor două conversii, variațiile și perturbațiile, provenite de la rețeaua de alimentare, sunt eliminate și nu se transmit consumatorilor. Suplimentar, se montează filtre, atât la intrare cât și la ieșire.

Bateria este conectată/utilizată permanent (corespunzând topologiei on-line) nefiind necesare comutatoare care să o cupleze sau decupleze (eventual se montează un comutator static de transfer pentru creșterea fiabilității), așa cum se observă în figura 1.5.

UPS-ul on-line este ideal pentru aplicațiile la care izolarea electrică este necesară (sau pentru echipamente foarte sensibile la fluctuațiile de putere) comportându-se ca un „paravan electric de protecție” („electrical firewall”) între puterea utilă a rețelei și echipamentul sensibil.

Bateria fiind conectată permanent, circuitul de încărcare are rolul de a supraveghea/limita încărcarea bateriei, astfel încât să împiedice deteriorarea ei și să asigure o durată mare de viață.

Caracteristicile UPS-urilor ON – LINE:

cost mare

consum de energie permanent

grad de protecție ridicat (elimină toate perturbațiile rețelei – variația tensiunii și frecvenței – în timpul celor două convrsii cât și prin prezența unor filtre atât la intrare cât și la ieșire)

nu necesită timp de comutare între modurile de funcționare (bateria și invertorul sunt cuplate permanent „on-line”)

autonomia este mare

bateria are durată de viață mare

se folosesc pentru consumatori: cu sensibilitate mare, din domeniul IT și telecomunicații, precum și din mediul industrial.

Alte tipuri UPS – uri

UPS –uri hibride care funcținează ca un UPS off – line/standby atunci când caracteristicile tensiunii de alimentare sunt într-un domeniu prestabilit. Atunci când nu se mai respectă aceste cerințe (alimentarea prezintă perturbații mari) se trece în modul de lucru on-line/dublu conversie, ajustând variațiile/perturbațiile fără să utilizeze energia bateriei.

UPS – uri ferorezonante (acestea pot să fie de tip on-line) la care este prezent un transformator cu înfășurarea secundară în rezonanță cu un condensator, ducând la saturarea circuitului magnetic (la fiecare semiperioadă) și asigurând la ieșire o tensiune aproape constantă la o variație de aproximativ ± 40% a tensiunii de intrare [13].

UPS – uri de cc; sunt UPS – uri de tip on-line la care se elimină invertorul (sunt surse de curent continuu). Un exemplu tipic de astfel de UPS este sursa se alimentare de la Laptop.

UPS – uri rotative/mecanice; se poate spune că au fost printre primele tipuri de surse neîntreruptibile folosite la sistemele cu tuburi electronice și circuite integrate. Își bazează funcționarea pe acumularea energiei cinetice într-un volant (element mecanic/disc greu/cu inerție mare) care se află în mișcare. Se poate spune că este un UPS de tip on-line care oferă energie consumatorilor de la 10 până la 20 secunde (până se oprește sau scade turația prea mult; se poate crește timpul dacă se montează un volant mai mare), timp suficient pentru a porni generatarul de rezervă. În figura 1.6 se prezintă un astfel de UPS, punându-se în evidență două etape de lucru: a) când consumatorii primesc tensiune de la rețea (mașina asincronă lucrează în regim de motor, acționând volantul), și b) când apare o anomalie în alimntarea cu energie de la rețea și consumatorii sunt alimentați de mașina sincronă (care lucrează în regim de generator, primind energie de la volant câteva secunde până pornește motorul termic ce va antrena sistemul prin cuplajul electromagnetic) [14].

Cazul unui sistem fotovoltaic de producere a energiei

În activitățile zilnice omul folosește energia pentru a menține standardele moderne de bunăstare și anume pentru nevoile casnice (iluminat, încălzire, refrigerare, divertisment), la transport, în procesele industriale, sănătate, educație.

Este o cerere din ce în ce mai mare de servicii energetice și în același timp o necesitate crescândă de a proteja mediu ambiant. Din acest motiv se folosesc surse regenerabile cum ar fi energia solară.

În figura 1.7 este prezentat un sistem cu panouri fotovoltaice de producere și utilizare în același timp atât a curentului continuu cât și a celui alternativ [15].

Energia electrică nu se consumă toată în momentul producerii (în timpul zilei) și este nevoie să fie stocată în mai multe baterii, pentru a fi folosită la nevoie.

Fig. 1.7.

Deoarece intensitatea radiației solare nu este constantă, atunci tensiunea produsă de panourile solare este variabilă. Este nevoie de un regulator de încărcare a bateriilor care se montează între panourile fotovoltaice și baterie pentru a menține constanți parametrii electrici ai energiei produse.

Pentru a se produce o tensiune mai mare se conectează în serie mai multe panouri, iar pentru mărirea curentului disponibil se conectează în paralel panourile fotovoltaice.

Poziția relativă dintre Soare și Pământ nu este constantă/fixă și incidența razelor solare la nivelul suprafeței terestre se modifică. Pentru a optimiza/eficientiza/maximiza conversia energiei solare în energie electrică se poate monta un sistem electro-mecanic de urmărire (tracking) care să miște panourile pentru a asigura o poziție perpendiculară a razelor solare pe panourile fotovoltaice.

Consumatorii de curent continuu se pot conecta direct la ieșirea regulatorului de încărcare. Pentru conectarea consumatorilor de curent alternativ se folosește un invertor.

Dacă energia produsă nu este suficientă se conectează un generator care poate să producă atât curent continuu cât și alternativ.

Dacă se produce mai multă energie decât se consumă, atunci sistemul se conectează la rețeaua de alimentare cu energie, pentru ca surplusul să ajungă la alți consumatori. Este nevoie și de un contor bidirecțional care să măsoare energia debitată în rețea și pe cea primită din rețea. De asemenea și invertorul trebuie să aibă funcționare care să permită cnectarea la rețeaua de alimentare.

Astfel invertoarele folosite la sistemele solare (fotovoltaice) se pot clasifica în trei categorii [16] [17]:

Invertoare ce funcționează independent de rețea (cunoscute și ca off – grid sau stand – alone) fac parte din sistemele fotovoltaice izolate (neconectate la rețea). Energia produsă de panourile fotovoltaice este consumată sau este înmagazinată pentru a fi consumată pe timpul nopții. Există posibilitatea să nu poată fi produs tot necesarul de energie (mai ales pe timpul iernii) și este nevoie de o sursă de energie suplimentară (un generator). Dacă consumatorii nu în componență bobine, tensiunea de ieșire poate să fie de tip sinus modificat.

Invertoare ce funcționează conectate la rețea (cunoscute și ca on – grid, grid – tie sau grid – feed) fac parte din sistemele fotovoltaice conectate la rețeaua națională de distribuție. Energia produsă este direcționată spre consumul propriu sau, dacă este în exces către alți consumatori, nefiind necesare baterii de stocare. Un dezavantaj important al acestor tipuri de sisteme/invertoare este legat de incapacitatea furnizării energiei pentru consum propriu atunci când este întreruptă tensiunea rețelei, din motive de securitate (de fapt, întreruperea alimentării poate însemna o defecțiune a liniei, iar invertorul ar genera electricitate într-o rețea defectă riscând să accidenteze persoanele care lucrează la linie). Atunci când invertorul se cuplează la rețea trebuie să fie defazaj nul.

Invertoare hibride (numite și battery backup inverters sau hybrid grid – tie) permit ca surplusul de energie să fie injectat în rețea, la fel ca invertoarele on – grid. Diferența față de cele dinainte (de tip on – grid, grid – tie sau grid – feed) constă în faptul că permit alimentarea propriilor consumatori în timpul unei întreruperi a tensiunii rețelei (o defecțiune a rețelei), invertorul fiind capabil să se izoleze față de rețea (anti-islanding protection), protejând lucrătorii care pot fi pe rețea. Invertorul fiind conectat la rețea, la care se pot conecta și consumatori inductivi (ce conțin bobine), este necesar ca ieșirea invrtorului să fie sinusoidă.

Cazul unui sistem ce modifică parametrii electrici

Cu ajutorul unui astfel de sistem se pot modificarea parametrii electrici: tensiune, frecvență, număr de faze.

Controlul turației unui motor electric asincron

În prezent, în cele mai multe aplicații care necesită acționări electrice sunt, preferate motoarele asincrone trifazate față de motoarele de curent continuu, datorită avantajelor pe care le au (deoarece au o construcție simplă și robustă; raportul dintre greutate și cuplu este foarte bun; nu prezintă comutatoare / perii care să deterioreze elementele componente).

Modificarea turației motorului asincron (de inducție) se poate face prin variația tensiunii de alimentare, frecvenței sau ambele.

Pentru păstrarea câmpului magnetic în anumite limite în interiorul motorului este necesar ca în același timp cu variația tensiunii de alimentare să se regleze și frecvența de alimentare, dar încât să se mențină constant raportul tensiune/frecvență.

Acest lucru este evident pornind de la curentul de magnetizare și folosind relația următoare cu utilizînd simbolurile circuitului echivaent de magnetizare [18]:

Im = U / Xm = U / (2*π*f*Lm) = (U / f) * K

unde K = 1 / (2*π*Lm) = constant.

Pentru ca Im = constant =» (U / f) = constant.

Așadar se poate constata că pentru a menține un curent constant de magnetizare (pentru a controla „tăria/forța” câmpului magnetic) prin motor, trebuie să se mențină constant raportul tensiune/frecvență. Menținerea unui câmp magnetic între anumite limite este necesar deoarece, pentru un câmp slab scade cuplul motorului, iar pentru un câmp puternic apare saturația magnetică și supraîncălzirea motorului.

Totuși, raportul U / f nu poate fi tot timpul constant, deoarece:

La frecvențe mici apropiate de 0 Hz, înfășurările motorului se comportă ca niște rezistențe (curentul alternativ la frecvența de 0 Hz devine continuu), astfel că nu mai există curent de magnetizare (sau devine foarte mic odată cu scăderea frecvenței sub o anumită valoare, care se poate nota cu fmin). Pentru a compensa „influența” scăderii frecvenței sub o anumită valoare, nu se mai păstrează raportul U/f = constant. În acest fel, chiar dacă frecvența scade sub valoarea fmin, tensiunea rămâne la valoarea Umin, pentru a asigura cuplul de pornire al motorului.

La atingerea valorii nominale, Un, tensiunea nu mai poate fi crescută din motive de străpungere a izolației spirelor bobinajului motorului. Astflel, tensiunea rămâne constantă, crescând numai frecvența, peste valoarea fn (de 50 Hz). Între valorile fmin și fn, caracteristica U=funcție (f), rămâne liniară, U/f=constant, așa cum este prezentat în figura 1.8.

Pentru a realiza un sistem de control al turației unui motor asincron (astfel încât să corespundă caracteristicii din figura 1.8) se folosește un invertor special, care va modifica atât frecvența semnalului alternativ de ieșire, cât și amplitudinea lui.

Un astfel de echipament se numește convertor static de frecvență. El conține, pe lângă invertor, un rdresor, circuitul de comandă și filtre.

Convertorul static de frecvență convertește tensiuea alternativă de la intrare în tensiune continuă, iar apoi convertește tensiunea continuă în tensiune alternativă, modificându-i frecvența și amplitudinea, astfel încât, într-un anumit domeniu să rămână constant raportul U/f.

SC Electrotehnica Echipamente Electrice SRL a produs, pe lângă alte tipuri de echipamente electrice convertoare statice de frecvență de diferite puteri.

În figura 1.9 este prezentat un convertor static de frcvență de tip CFD 400V/xxx kW/S-zz, unde:

400V este tensiunea de alimentare

xxx reprezintă gama de putere în kW

S arată că este vorba numai de convertorul static, iar dacă este indicativul C, se referă la echipamentul complet echipat (convertorul propriu-zis plus aparatura de comutație și protecție: contactor, siguranțe ultrarapide, butoane de comandã, potențiometru de referințã)

zz indică curentul nominal.

Fig. 1.9.

Pentru puteri mici, tensiunea de alimentare poate să fie monofazată de 220V, iar pentru puteri mari se recomandă alimentarea trifazată pentru a încărca uniform rețeaua.

În figura 1.9 se poate identifica circuitul de forță pentru un convertor static de frecvență, care realizează, după cum s-a mai precizat:

redresează tensiunea de intrare cu un redresor comandat sau necomandat,

filtrează (cu un condensator) și „chopează” tensiunea de curent continuu din circuitul intermediar (folosind un tranzistor), pentru a avea o valoare medie constantă,

sintetizează/obține forma de undă sinusoidală (pentru un sistem monofazat sau trifazat) prin modularea în lățime/durată (PWM -Pulse Width Modulation) a impulsurilor de comandă (utilizând o structură de invertor realizată cu tranzistoare, care pot fi o structură de tip IGBT). Se obțin prin înfășurările motorului curenți de formă sinusoidală, ținând cont de caracterul inductiv al acestor înfășurări.

frânarea motorului prin descărcarea energiei din circuitul intermediar de curent continuu (ce alimentează invertorul) pe o rezistență de frânare de putere, Rf.

protecția dispozitivelor electronice din circuitul de forță cu ajutorul siguranțelor ultrarapide (care acționează la prima depășire a valorii curentului de scutcircuit).

Pe lângă circuitul de forță, convertorul static mai conține un circuit de comandă ce utilizează tehnici de comandă numerică folosind circuite integrate LSI/procesoare de semnal, pentru a realiza:

sintetizarea formelor de undă sinusoidale

comanda PWM a comutatoarelor de forță/tranzistoare

protecția echpamentului la:

suprasarcină motor

limitarea curentuui

subtensiune în circuitul intermediar

supratensiune în circuitul intermediar

supratemperatură pe radiator

supratemperatură motor cu ajutorul termocontactului Th1

supratemperatură pe rezistența de frânare cu ajutorul termocontactului Th2

interfațarea cu exteriorul prin:

9 intrări digitale la 24V izolate galvanic cu care se poate comanda:

activarea funcționării convertorului (ENABLE),

rotația motorului în sens direct (Fw),

rotația motorului în sens invers (Rv)

precum și alte acțiuni ale CSF

o ieșire digitală liberă de potențial, sub formă de contact cu două stări: normal închis și normal deschis, prin care se poate arăta starea convertorului

2 intrări analogice pentru culegerea valorii prescrisei de turație:

o intrare de tensiune 0-10V, pentru comanda manuală a valorii rescrisei de turație (folosind un potențiometru)

o intrare de curent 4-20mA, pentru prescrierea turației de la un alt echipament/calculator

o ieșire analogică cu care se poate afișa/vizualiza valoarea turației motorului:

atașarea unui panou operator pentru introducerea datelor/parametrilor de fabricație și de programare, precum și afișarea valorilor parametrilor/stării/alarmelor convertorului de frecvență

reglarea gamei frecvenței de ieșre: 0…500Hz

reglarea timpului/pantei de creștere a frecvenței/turației

reglarea timpului/pantei de scădere a frecvenței/turației.

Modificarea turației se face prin modificare tensiunii și frecvenței; până la frecvența nominală, motorul lucrează la cuplu constant, iar peste frcvența/turația nominală motorul lucrează la putere constantă (se diminuează fluxul și cuplul).

În funcție de aplicația unde se folosește CSF și motorul (pompe, ventilatoare, compresoare, benzi transportoare, mașini unelte etc) se alege caracteristica de ieșire corespunzătoare.

Bibliografie

[1]. https://www.stiintaonline.ro/cine-a-descoperit-electricitatea/

[2]. https://ro.wikipedia.org/wiki/Istoria_electricit%C4%83%C8%9Bii

[3]. http://homepages.uc.edu/~becktl/en17grad/electricity-history.pdf

[4]. https://descopera.info/stiinta/descoperirile-umanitatii-curentul-electric/

[5]. https://en.wikipedia.org/wiki/Power_inverter

[6]. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_cell

[7]. https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell

[8]. https://www.escomponents.com/blog/2017/9/8/batteries-versus-supercapacitors

[9]. https://shopniac.ro/ups-sursa-neintreruptibila-5940/

[10]. https://www.pchouse.ro/blog/categorizarea-ups-urilor/

[11]. https://en.wikipedia.org/wiki/Uninterruptible_power_supply

[12]. https://www.epasystems.ro/despre-ups-uri/

[13]. http://electronica-azi.ro/2007/11/20/surse-de-alimentare-fero-rezonante/

[14]. http://www.euro-diesel.com/english/operation-description/94/2

[15]. https://www.scribd.com/doc/295117255/Teza-sistem-fotovoltaic-pdf

[16]. https://www.cleanenergyreviews.info/blog/2014/5/4/how-solar-works

[17]. https://www.quickshop.ro/despre-panourile-fotovoltaice-a54

[18]. https://www.quora.com/What-is-the-necessity-of-V-F-control-in-induction-motor-drives

[19]. http://www.electrotehnica.ro/files/AE%20actionari%20electrice.pdf