Proiectarea Motorului Sincron Excitat cu Magneti Permanenti

Proiectarea motorului sincron excitat cu magneti permanenti

Cuprins

Introducere

Capitolul 1

MAȘINA SINCRONĂ

1.1 Elemente constructive ale mașinii sincrone

1.2 Generatorul sincron

1.2.1 Principiul de funcționare al generatorului sincron cu poli înecați

1.2.2 Ecuațiile de funcționare ale generatorului sincron cu poli înecați

1.2.3 Expresia cuplului electromagnetic la mașina sincronă

1.2.4 Caracteristicile generatorului sincron

1.2.5 Teoria generatorului sincron cu poli aparenți

1.2.6 Funcționarea în paralel a generatoarelor sincrone

1.3 Motorul sincron

1.3.1 Ecuațiile de funcționare ale motorului sincron

1.3.2 Pornirea motorului sincron

1.3.3 Caracteristicile motorului sincron

1.3.4 Particularități constructive și funcționale ale mașinilor sincrone excitate cu magneți permanenți

1.3.5 Motorul de curent continuu fără perii (cu comutație electronică)

1.3.6 Magneți permanenți utilizați în construcția mașinilor electrice

Capitolul 2

Studiu de caz: Proiectarea motorului sincron fără perii cu rotor disc excitat cu magneți permanenți din pamânturi rare

2.1 Calculul dimensiunilor principale

2.2 Calculul circuitului magnetic și înfașurării statorice

2.3 Calculul parametrilor. Calculul coeficientului CARTER

2.4 Calculul rezistenței statorice pe fază

2.5 Calculul reactanței de scăpări statorice

2.6 Calculul reactanțelor sincrone

2.7 Calculul pierderilor. Calculul pierderilor în fier.

2.8 Calculul pierderilor mecanice și de autoventilație

2.9 Determinarea caracteristicilor de funcționare

2.10 Dependența caracteristicilor de funcționare de unghiul intern pentru motorul cu disc excitator prin magneți cu pământuri rare

Capitolul 3

Analiza comportării în regim dinamic și staționar a motorului sincron excitat cu magneți permanenți

3.1 Simularea la mers în gol în PowerSim.

3.2 Simulare la mers în sarcină în PowerSim

Concluzii

Capitolul 4

Concluzii finale

Capitolul 5.

Norme de tehnica securității muncii specifice echipamentelor tehnice

Bibliografie

Introducere

În prezent, exista o mare diversitate de mașini electrice speciale de tip sincron, dintre care se pot menționa :

Mașini sincrone cu excitație cu magneți permanenți;

Mașini sincrone reactive;

Motoare pas cu pas;

Motoare sincrone cu histerezis;

Mașini sincrone cu comutație statică.

Mașini sincrone cu magneți permanenți

În ultima vreme, o dată cu dezvoltarea producției de magneți permanenți cu performanțe îmbunătățite, s-au trecut, pe scară largă, la folosirea lor în excitarea mașinilor sincrone. Această soluție conduce la o serie de avantaje importante cum ar fi:

Avantaje :

Pierderi în fier nule;

Randament ridicat;

Cupluri parazite de agățare nule;

Stabilitate ridicată ca servo-motor;

Funcționare silențioasă la turații reduse;

Zgomot scăzut;

Volum redus;

Număr de componente redus căldura degajată redusă;

Întreținere ușoară;

Cuplu proporțional cu valoarea curentului;

Pulsații reduse ale cuplului;

Construcție simplă – fără contacte alunecătoare și înfașurare de excitație

Fiabilitate sporită

Dimensiuni și greutăți specifice reduse

În anumite condiții motoarele cu magneți permanenți pot funcționa la sau chiar capacitiv (în regim de compensator sincron, când se comportă ca o baterie de condensatoare, livrând putere reactivă) ceea ce constituie un avantaj important în comparație cu motoarele asincrone și chiar cu cele sincrone reactive. Motoarele cu magneți permanenți se utilizează în actionări de viteză reglabilă, fiind alimentate prin convertizoare de frecvență.

Aplicații :

Mașini unelte;

Robotică;

Tracțiune electrică;

Mașini de ambalat;

Mașini textile;

Mașini în industria alimentară;

Mașini cu antrenare directă;

Servomotoare;

Generatoare eoliene/hidrogeneratoare

În acest proiect am tratat următoarele :

În Capitolul 1 am prezentat masina sincrona, aspecte generale de funcționare și construcție.

În Capitolul 2 am prezentat un studiu de caz și anume proiectarea motorului sincron fără perii cu rotor disc excitat cu magneți permanenți din pământuri rare.

În Capitolul 3 am analizat comportarea în regim dinamic și staționar a motorului sincron excitat cu magneți permanenți cu ajutorul programului PowerSim și am prezentat concluziile trase din rezultatul simularii.

În Capitolul 4 am prezentat concluziile finale ale acestui proiect.

În Capitolul 5 am prezentat Normele tehnice a securității muncii specifice echipamentelor tehnice.

Capitolul 1

MAȘINA SINCRONĂ

Mașina sincronă este tipul de mașină electrică rotativă de curent alternativ care, pentru o tensiune la borne de frecventă dată, funcționează cu o turație riguros constantă.

Regimul de bază în funcționarea mașinii sincrone este regimul de generator electric, la fel cum regimul de motor este cel de bază pentru mașina asincronă. Mașina sincronă în regim de generator reprezintă baza economică a producerii energiei electrice în toate centralele electrice actuale. În acest regim de funcționare mașinile sincrone ating cele mai mari puteri nominale fiind cele mai mari mașini electrice construite de om.

Considerații economice pledează pentru creșterea neîncetată a puterii nominale a generatoarelor sincrone (scad investițiile specifice în lei/kW, crește randamentul). Cele mai mari mașini sincrone actuale au atins puteri de 1200 MW ca turbogeneratoare și 700 MW ca hidrogeneratoare.

Regimul de motor sincron se folosește mai cu seamă datorită avantajelor față de motoarele asincrone (randament mai ridicat, factor de putere mergând până la unitate, cuplu invariabil cu turația, întrefier mai mare). Lucrul acesta a fost cu putință numai după ce tehnica a putut rezolva cu succes două deficiențe grave ale motorului sincron: absența cuplului de pornire și posibilitatea de pendulare cu pericolul desprinderii din sincronism (pierderea stabilității). În acest regim de funcționare mașina sincronă se folosește în toate acționările ce necesită o turație costantă (compresoare, mori cu bile, pompe de irigații, etc.) înlocuind din ce în ce mai mult motoarele asincrone (în special la puteri mari unde primează considerentele economice: randament, factor de putere).

Un alt regim de funcționare particular mașinii sincrone este compensatorul sincron regim în care axul mașinii se învârte în gol mașina servind la îmbunătățirea factorului de putere al rețelei, compensând energia reactivă consumată în special de motoarele asincrone alimentate din rețea.Regimul de frână este mai rar întâlnit la mașina sincronă.

1.1 Elemente constructive ale mașinii sincrone

În construcția uzuală, mașina sincronă se compune din două părți principale:

statorul, format de partea fixă, exterioară;

rotorul, așezat concentric în interiorul statorului și care constituie partea mobilă.

Statorul la mașina sincronă de construcție obișnuită reprezintă indusul mașinii și este format dintr-un miez feromagnetic care poartă în crestături o înfășurare de curent alternativ trifazat fiind foarte asemănător din punct de vedere constructiv cu statorul mașinii asincrone trifazate.

Miezul feromagnetic se realizează din tole sau segmente de tole ștanțate din oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime izolate între ele cu lac izolant sau oxizi ceramici împachetate în pachete de cca. 5 cm grosime, între pachete prevăzându-se canale radiale de răcire (figura 4.1). Miezul se consolidează cu tole marginale de (13)mm grosime și se presează cu ajutorul unor plăci frontale pentru a evita apariția vibrațiilor în timpul funcționării.

Înfășurarea statorică este repartizată (q1) și se conectează la rețeaua trifazată de c.a. Înfășurarea se realizează din conductor (bare) de cupru izolat cu fibre de sticlă, mecanită sau rășini sintetice în funcție de clasa de izolație și de tensiunea nominală. La mașina sincronă trifazată, înfășurarea statorului se conectează în stea pentru a se evita închiderea armonicilor curentului de ordinul 3 și multipli de 3, precum și apariția unor armonici de același ordin în curba tensiunii de fază.

Carcasa mașinii se realizează din oțel turnat (la mașinile mici) sau din tablă sudată de oțel (la mașinile de puteri mari și foarte mari) și poartă dispozitivele de fixare pe fundație (tălpi), inelele de ridicare, cutia de borne a indusului și a inductorului, plăcuța indicatoare și scuturile frontale (figura 1.1).

La mașinile mijlocii scuturile pe lângă rolul de protecție sunt prevăzute și cu lagăre, iar unul dintre scuturi susține port-periile cu periile de contact (figura 1.1).

Plăcuța indicatoare conține de obicei principalele date nominale ale mașinii: puterea nominală aparentă (kVA sau MVA) și activă (kW sau MW), factorul de putere nominal (cosn), tensiunea și curentul nominal de linie (V; kV; A; kA), tensiunea și curentul nominal de excitație (V; A), randamentul nominal n, turația nominală rot/min, frecvența nominală (Hz), numărul de faze și conexiunea lor.

Rotorul mașinii sincrone cuprinde miezul feromagnetic rotoric, înfășurarea rotorică, inelele colectoare, ventilatorul (figura 1.1).

Figura 1.1 Secțiune longitudinală printr-o mașină asincronă cu poli aparenți

Ansamblu rotor; 7. Inele colectoare; 13. Scut parte tracțiune;

Ansamblu înfășurare statorș 8. Port perii; 14. Căpăcel interior parte inele;

Borne statorș 9. Ventilator; 15. Capac;

Cutia de borne stator; 10. Capătul interior parte tracțiune; 16. Rulment parte tracțiune;

Ansamblu miez magnetic rotor; 11. Capătul exterior parte tracțiune; 17. Rulment parte opusă tracțiune;

Înfășurarea rotorului; 12. Inel regulator vaselină; 18. Scut parte opusă tracțiune.

Fig. 1.2 Miez rotoric cu poli aparenti Fig. 1.3 Miez rotoric cu poli inecati

Miezul rotoric are două variante constructive:

cu poli aparenți (figura 1.2);

cu poli înecați (figura 1.3).

Miezul cu poli aparenți este format dintr-o serie de poli (piese polare) fixați la periferia unei roți polare solidare cu arborele mașinii. Polii posedă înfășurări de excitație în curent continuu. Bobinele de excitație ale polilor se leagă în serie sau paralel, în așa fel încât polaritatea polilor să alterneze la periferia rotorului. Alimentarea bobinelor se face prin intermediul inelelor de contact solidare cu arborele (inele izolate între ele și față de masă și la care se leagă capetele înfășurării de excitație) și a două perii fixe care freacă pe inelele de contact.

La periferia interioară a statorului în această variantă întrefierul este neuniform, de grosime relativ mică sub piesele polare și foarte mare în zonele dintre poli.

Miezul polar cu poli înecați (figura 1.3) este o construcție cilindrică masivă din oțel de mare rezistență. La periferia rotorului se taie o serie de crestături în care se plasează spirele bobinelor de excitație în c.c. a polilor. Înfășurarea unui pol acoperă de obicei două treimi din deschiderea unui pol, în mijlocul polului rămânând o zonă de aproximativ o treime din deschiderea polului în care nu sunt practicate crestături. Această zonă se mai numește dinte mare spre deosebire de ceilalți dinți de deschidere mult mai mică care separă crestăturile. Capetele frontale ale bobinelor sunt puternic strânse prin bandaje masive pentru a face față solicitărilor centrifuge. Această variantă constructivă conduce la un întrefier constant la periferia interioară a statorului.

Generatoarele electrice de turații mari (1000 3000 rot/min) acționate de turbine cu aburi se mai numesc și turbogeneratoare și se construiesc cu poli înecați datorită rezistenței mai mari la solicitările mecanice centrifuge.

Generatoarele electrice de turații mici (sute de rot/min) antrenate de turbine hidraulice se mai numesc și hidrogeneratoare și se construiesc cu poli aparenți deoarece prezintă o mai mare simplitate tehnoloică. Hidrogeneratoarele se construiesc de obicei cu axa de rotație verticală.

Generatoarele sincrone de puteri sub 100 kW se mai construiesc și în construcție inversă, cu poli aparenți de excitație pe stator și înfășurarea trifazată cu inele de contact pe reagă în serie sau paralel, în așa fel încât polaritatea polilor să alterneze la periferia rotorului. Alimentarea bobinelor se face prin intermediul inelelor de contact solidare cu arborele (inele izolate între ele și față de masă și la care se leagă capetele înfășurării de excitație) și a două perii fixe care freacă pe inelele de contact.

La periferia interioară a statorului în această variantă întrefierul este neuniform, de grosime relativ mică sub piesele polare și foarte mare în zonele dintre poli.

Miezul polar cu poli înecați (figura 1.3) este o construcție cilindrică masivă din oțel de mare rezistență. La periferia rotorului se taie o serie de crestături în care se plasează spirele bobinelor de excitație în c.c. a polilor. Înfășurarea unui pol acoperă de obicei două treimi din deschiderea unui pol, în mijlocul polului rămânând o zonă de aproximativ o treime din deschiderea polului în care nu sunt practicate crestături. Această zonă se mai numește dinte mare spre deosebire de ceilalți dinți de deschidere mult mai mică care separă crestăturile. Capetele frontale ale bobinelor sunt puternic strânse prin bandaje masive pentru a face față solicitărilor centrifuge. Această variantă constructivă conduce la un întrefier constant la periferia interioară a statorului.

Generatoarele electrice de turații mari (1000 3000 rot/min) acționate de turbine cu aburi se mai numesc și turbogeneratoare și se construiesc cu poli înecați datorită rezistenței mai mari la solicitările mecanice centrifuge.

Generatoarele electrice de turații mici (sute de rot/min) antrenate de turbine hidraulice se mai numesc și hidrogeneratoare și se construiesc cu poli aparenți deoarece prezintă o mai mare simplitate tehnoloică. Hidrogeneratoarele se construiesc de obicei cu axa de rotație verticală.

Generatoarele sincrone de puteri sub 100 kW se mai construiesc și în construcție inversă, cu poli aparenți de excitație pe stator și înfășurarea trifazată cu inele de contact pe rotor.

Tipuri de sisteme de excitație

cu mașină excitatoare, de fapt un generator de curent continuu cu excitație separată sau derivație (autoexcitație) cuplat pe același ax cu generatorul sincron (figura 1.4). Avantajul metodei constă în faptul că tensiunea de excitație rezultă constantă nedepinzând de tensiunea rețelei. Probleme deosebite apar la turații mici (hidrogeneratoare) care au gabarit mai mare a excitațiilor și la turații mari (turbogeneratoare) unde apar limitări datorită comutației (apar scânteieri la perii). Aceste considerente limitează puterea excitatoarelor de curent continuu la cca. 500 kW.]

cu excitație statică (figura 1.5), de fapt o punte redresoare monofazată care redresează o fază statorică de c.a., rotorul fiind alimentat de la acest redresor prin intermediul periilor. Se elimină astfel dezavantajul folosirii mașinilor electrice, cu inerțiile maselor în mișcare și uzura în timp. Sistemele de excitație statice sunt simple, performante, cu întreținere minimă și cu siguranță în exploatare.

cu mașini excitatoare fără perii (figura 1.6). Generatorul sincron de excitație este de construcție înversată. Rotorul generatorului principal GS și rotorul generatorului sincron de excitație GSe sunt realizate “în continuare”, iar pe rotorul comun se dispun montate pe două discuri diodele ce alcătuiesc redresorul rotitor. Legăturile redresorului cu înfășurarea de excitație devin fixe dispărând astfel sistemul de perii.

1.2 Generatorul sincron

Generatorul sincron trifazat prezintă caracteristici extrem de convenabile pentru producerea energiei electrice de curent alternativ și reprezintă unica soluție general acceptată de constructorii de centrale electrice și de sisteme electro-energetice.

Ansamblul format din motorul primar și generatorul sincron poartă denumirea de grup electrogen. După natura mașinii primare care furnizează energie mecanică înâlnim: dieselgeneratoarele, turbogeneratoare, hidrogeneratoare.

1.2.1 Principiul de funcționare al generatorului sincron cu poli înecați

În regim de generator mașina sincronă transformă energia mecanică primită pe la ax de la un motor primar în energie electrică debitată prin stator într-o rețea de curent alternativ.

Să presupunem o mașină sincronă cu poli înecați (figura 1.3) al cărei rotor este excitat cu un curent continuu I1, și este rotit din exterior cu viteza unghiulară 1. Se obține astfel un câmp magnetic învârtitor inductor pe cale mecanică, al cărei armonică fundamentală are expresia:

(1.1)

unde pulsația câmpului învârtitor , indicele “1” referindu-se la faptul că deși este produs în rotor acest câmp învârtitor are funcție de “câmp inductor ”.

Față de înfășurarea statorică acest câmp învârtitor va produce sistemul trifazat simetric de fluxuri:

(1.2)

Sistemul trifazat simetric de fluxuri (1.2) va induce în înfășurarea statorică un sistem trifazat simetric de t.e.m.:

(1.3)

Dacă înfășurarea statorică este conectată pe o rețea trifazată echilibrată sau pe un consumator trifazat echilibrat, atunci sistemul de t.e.m. (1.3) va produce un sistem simetric de curenți:

(1.4)

Sistemul de curenți trifazați simetrici (1.4) va produce la rândul său un câmp magnetic învârtitor de reacție al cărei fundamentală (armonica de ordinul 1) va avea expresia:

(1.5)

Comparând relația (1.1) cu (1.5) se constată că cele două câmpuri învârtitoare (inductor și de reacție) au aceeași pulsație și viteză unghiulară 1= /p, deci se rotesc sincron, de unde și denumirea de mașină sincronă.

Cele două câmpuri, de excitație și de reacție se compun pentru a produce câmpul magnetic învârtitor rezultant al mașinii, care este câmpul util, prin intermediul lui având loc cuplajul magnetic al celor două armături.

Câmpul învârtitor de reacție Br exprimat prin relația (4.5) va produce la rândul său față de înfășurarea statorică un sistem trifazat simetric de fluxuri:

(1.6)

care va induce în stator sistemul trifazat de t.e.m. :

(1.7)

În realitate în mașina sincronă nu există două câmpuri învârtitoare (B1 și Br), două fluxuri (Ψo și r) sau două t.e.m. (e0 și er) ci aceste mărimi se compun într-o singură mărime.

Astfel, în figura 1.7 se reprezintă comunerea fazorială a acestor mărimi considerând rețeaua pe care debitează generatorul inductivă: (0, /2).

După cum se vede din figura 4.7a, câmpul rezultant Bm pe care îl găsim în întrefierul mașinii face unghiul față de axa câmpului inductor B1; același unghi îl face și fluxul rezultant față de fluxul inductor E0. Unghiul electric este numit și unghi intern al mașinii.

1.2.2 Ecuațiile de funcționare ale generatorului sincron cu poli înecați

Vom considera o mașină sincronă trifazată în următoarele ipoteze simplificatoare:

circuitul magnetic al mașinii este liniar (nu se saturează și nu prezintă fenomenul de histerezis);

pierderile în fier sunt neglijate (ulterior vom face corecția necesară) mașina are o simetrie perfectă constructivă, magnetică și electrică, ceea ce include ipoteza unui întrefier constant la periferia rotorului, adică se consideră o mașină cu poli înecați;

nu vom lua în considerație decât armonicele fundamentale ale câmpurilor de excitație și de reacție;

înfășurarea statorică este conectată la o rețea trifazată echilibrată cu caracter inductiv;

rotorul mașinii este rotit din exterior cu turația constantă ;

înfășurarea de excitație este alimentată la tensiunea constantă nominală Uen.

De asemenea în cele ce urmează vom considera doar regimul staționar de funcționare, regim în care viteza unghiulară a rotorului 1 și tensiunea de excitație rămân constante.

Procedând în mod analog ca la mașina asincronă (sau ca la transformator), vom introduce așa-numitul curent de magnetizare, care are toate atributele câmpului rezultant Bm.

În ceea ce privește câmpul de excitație, vom înlocui rotorul real cu un rotor fictiv imobil, posedând o înfășurare trifazată simetrică, cu același număr de spire pe fază și același coeficient de înfășurare ca și statorul mașinii.

Valoarea efectivă I1’a curentului ce va străbate această înfășurare rotorică trifazată fictivă rezultă din egalitatea amplitudinii câmpului magnetic de excitație real produs pe cale mecanică de înfășurarea monofazată și a amplitudinii câmpului magnetic învârtitor obținut pe cale electrică de înfășurarea fictivă:

de unde rezultă:

Curentul se numește curent de excitație raportat la stator.

Prin acest artificiu de calcul compunerea fazorială a celor două câmpuri învârtitoare (de excitație și de reacție) din figura 4.7a se poate înlocui prin compunerea curenților din figura 1.9 curenți având aceeași pulsație și defazaje reciproce cu câmpurile.

Se obtine astfel prima ecuație funcțională în regim staționar a generatorului sincron:

(1.10)

ecuația pusă în evidență în diagrama de fazori din figura 4.10.

Dacă se iau în considerație și pierderile în fierul statoric, atunci ecuația 4.10 suferă o corecție uzuală folosită și la transformator și la motorul asincron:

(1.11)

Im fiind componenta de magnetizare, iar Ia componenta corespunzătoare pierderilor în fier ale curentului rezultant I0 numit și curent de mers în gol.

Pentru găsirea celei de-a două ecuații (de tensiuni) a generatorului sincron vom aplica cea de-a doua teoremă a lui Kirchhoff pe un ochi de circuit ce cuprinde o fază statorică ce se închide prin nul (figura 1.8):

în care:

(1.12)

– em t.e.m. rezultantă indusă în stator;

– este t.e.m. indusă de fluxul statoric de dispersie, L2d fiind inductivitatea statorică de dispersie;

– R2 este rezistența de fază înfășurării statorice;

– i2 este curentul de fază statoric;

– u2 este tensiunea de fază la bornele înfășurării statorice.

Ecuația (4.12) scrisă în complex devine:

(1.13)

unde X2d=1L2d este reactanța de dispersie statorică.

Figura 1.10 Figura 1.11

În figura 1.10, 1.11 s-au reprezentat diagrama de fazori respectiv schema echivalentă a generatorului sincron în regim permanent.

T.e.m. rezultantă Em indusă în stator de câmpul util rezultant Bm va avea expresia:

Introducând expresia curentului Im din relația (1.10) în relația (1.14) obținem:

în care mărimea :

reprezintă chiar t.e.m. indusă în stator de câmpul învârtitor de excitație,

iar mărimea

este t.e.m. indusă în stator de câmpul învârtitor de reacție.

Înlocuind pe Em în relația (4.13) obținem o nouă formă a ecuației de tensiuni a generatorului sincron:

(1.16)

sau dacă se notează numită reactanță sincronă:

(1.17)

ecuația pusă în evidență de diagrama de fazori din figura 1.12a unde se poate observa că unghiul dintre t.e.m. Em și E0 este chiar unghiul intern al mașinii.

De multe ori datorită valorii foarte mici a rezistenței R2 se poate neglija termenul R2I2 în raport cu U2 diagrama de fazori căpătând forma simplificată din figura 1.1.2b cu schema echivalentă 1.13. Ecuația curenților (1.11) împreună cu ecuația tensiunilor (1.17) și cu ecuația (1.14) formează sistemul ecuațiilor de funcționare a generatorului sincron trifazat cu poli înecația în regim staționar.

1.2.3 Expresia cuplului electromagnetic la mașina sincronă

Pentru a deduce expresia cuplului electromagnetic la o mașină sincronă vom porni de la relația generală a cuplului electromagnetic la mașinile de curent alternativ :

(1.18)

Dar cum viteza unghiulară a indusului (statorului) este 2=0 și cum unghiul (E0, I2)=+ (conform diagramei din figura 1.12) relația (1.18) se poate scrie:

(1.19)

Tot din figura 1.12 se poate scrie următoarea identitate trigonometrică:

Înlocuind termenul I2cos(+) în relația (1.19) obținem:

(1.20)

relație ce reprezintă expresia cuplului electromagnetic dezvoltat de o mașină sincronă cu poli înecați în regim staționar de funcționare.

În ceea ce privește semnul cuplului electromagnetic, trebuie remarcat faptul că în relația (1.18) este explicitat cuplul exercitat de armătura inductoare asupra armăturii induse. În cazul mașinii sincrone cuplul exercitat asupra rotorului care este armătura inductoare va avea semnul schimbat. Dar cum sin 0 pentru orice unghi intern (0,) rezultă cuplul electromagnetic din relația (1.20) care se exercită asupra rotorului antrenat din exterior (cazul generatorului) are sens opus sensului de mișcare și reprezintă un cuplu rezistent. În același timp asupra rotorului se mai exercită și cuplul rezistent de frecări mecanice Mm.

1.2.4 Caracteristicile generatorului sincron

În scopul aprecierii performanțelor generatoarelor electrice se trasează grafic pe baza încercărilor experimentale la bancul de probă curbe numite caracteristicile generatorului. Ele reprezintă dependența a două mărimi considerându-le pe celelalte constante.

De obicei la generatoarele sincrone se trasează caracteristicile următoare:

– caracteristica de mers în gol:

;

– caracteristica externă:

;

– caracteristica de reglaj:

.

Caracteristica de mers în gol, reprezintă dependența dintre tensiunea la bornele statorului și curentul de excitație, când curentul debitat de stator este nul (mers în gol), viteza rotorului mentinându-se de asemenea constantă.

Această caracteristică are forma unei curbe de saturație care nu pornește din origine (figura 1.14). Valoarea U2r este tensiunea la bornele statorului atunci când curentul de excitație este nul și se datoarează câmpului inductor remanent din rotor (care rămâne de la o funcționare anterioară). Se observă că pe porțiunea AB (mașina nesaturată magnetic) practic există o relație liniară între tensiunea U20 și curentul continuu de excitație I1. Pe această porțiune este posibil să se regleze tensiunea acționând asupra curentului rotoric. Evident, la creșterea curentului de excitație I1 curba nu va coincide cu cea de la micșorarea acestuia datorită fenomenului de histerezis magnetic.

Caracteristica externă, reprezintă dependența dintre tensiunea de la bornele statorului U2 și curentul debitat pe rețea (consumatori) I2 de către mașină când curentul de excitație I1 se menține constant ca și turația rotorului. În figura 1.15 s-au trasat trei caracteristici externe pentru sarcină rezistivă (1), sarcină inductivă (2), și sarcină capacitivă (3).

După cum rezultă din figura 1.15 în cazul sarcinii rezistive și inductive caracteristicile sunt ușor căzătoare, iar în cazul sarcinii capacitive caracteristica este crescătoare.

Explicația formelor (2) și (3) din figura 1.15 se poate da cu ajutorul diagramei de fazori. Astfel, în figura 1.26a este trasată caracteristica externă pentru sarcină inductivă (0, /2), iar în figura 1.16b la sarcină capacitivă ( /2, ).

În aceste diagrame fazorul t.e.m. induse de fluxul de excitație E0 depinzând de curentul de excitație I1, rămâne constant. Odată cu variația curentului de sarcină I2 variază fazorul jXsI2.

Menținându-se =constant (nu se modifică caracterul sarcinii), atunci și = +/2 =const. Ca urmare locul geometric al punctului de funcționare B va fi un arc de cerc capabil de unghiul . Punctul A va corespunde mersului în gol (I2=0), iar punctul C va corespunde funcționării în scurtcircuit (U2=0).

La sarcină inductivă se observă că la creșterea curentului I2 tensiunea la borne U2 scade (curba(2) din figura 1.15), iar la sarcină capacitivă odată cu creșterea curentului I2 crește și U2 (curba (3) din figura 1.15).

Variația tensiunii la borne de la mersul în gol (U2) la mersul în sarcină nominală se definește ca:

(1.21)

și pentru a considera tensiunea de la bornele generatorului constantă această variație de tensiune nu trebuie să depășească 10% (u 10%).

Caracteristica de reglaj, reprezintă dependența dintre curentul de excitație I1 și curentul debitat în rețea de către stator I2, atunci când tensiunea la borne și turația rotorului se mențin constante U2=const., 1=const., caracterul sarcinii menținându-se de asemenea constant cos =const.

Caracteristica ne arată cum să reglăm curentul de excitație I1 în așa fel încât la orice curent debitat I2 tensiunea la bornele generatorului să nu se modifice.

Aliura acestor caracteristici pentru trei tipuri de sarcină:

(1)- rezistivă;

(2)- inductivă;

(3)- capacitivă.

1.2.5 Teoria generatorului sincron cu poli aparenți

La această mașină întrefierul variază de-a lungul periferiei rotorului și statorului. Astfel, sub piesa polară este mult mai mic față de restul polului (figura 1.2). Putem afirma că de-a lungul axei longitudinale a polului avem o reluctanță mică, iar de-a lungul axei transversale aceasta este foarte mare. Altfel spus reactanța fluxului de reacție după axa longitudinală este mult mai mare decât după axa transversală (Xrl Xrt).

Fluxul inducției magnetice de reacție poate fi descompus după cele două axe:

(vezi diagrama din figura 1.18)

Cele două componente ale fluxului de reacție induc tensiunile electromotoare:

Il și It sunt componentele curentului din indus;

Cu aceste precizări putem scrie:

Iar ecuația de tensiuni devine:

unde s-a notat:

care se pot numi respectiv reactanță longitudinală și reactanță transversală.

Diagrama de fazori a ecuației de tensiuni este reprezentată în figura 1.19:

1.2.6 Funcționarea în paralel a generatoarelor sincrone

Pe o rețea de transport și distribuție a energiei electrice funcționează la un moment dat mai multe generatoare sincrone conectate la aceeași tensiune, deci în paralel.

Funcționarea a două sau mai multe generatoare sincrone în paralel pe aceleași bare de distribuire a energiei electrice impune o circulație a curenților de la generatoare spre rețea sau invers dar niciodată între generatoare (curent de circulație). Existența unui curent de circulație de la un generator la altul conduce la o încărcare suplimentară a înfășurărilor uneia dintre ele cu efecte termice neplăcute ducând la perturbarea funcționării acestuia.

Pentru a nu exista acest curent de circulație se impune îndeplinirea unor condiții numite “condiții de funcționare în paralel ” și care sunt:

– egalitatea tensiunilor la borne ca mărime și opoziția de fază;

– egalitatea frecvențelor tensiunilor de la borne;

– aceeași succesiune a fazelor.

Pentru a arăta apariția curenților de circulație în cazul neîndeplinirii uneia dintre aceste condiții să considerăm circuitul din figura 1.20 și scriem ecuația tensiunilor pe conturul ce include două faze omoloage statorice și se închide prin nul. Această ecuație pentru faza R va avea forma:

(1.22)

Presupunând că cele două tensiuni nu sunt egale ca modul (figura 1.21a) sau ca fază (figura 1.21b) din diferența lor va rezulta o tensiune ufR care va genera un curent de circulație prin acest circuit. Tensiunea ufR va fi nulă numai atunci când toate cele trei condiții de funcționare în paralel vor fi îndeplinite.

Înainte de a închide întrerupătorul K2 trebuie să ne asigurăm că sunt îndeplinite toate condițiile de funcționare în paralel.

Acest lucru se poate realiza cu ajutorul aparatelor de măsură corespunzătoare care de regulă se întegrează într-un singur aparat numit sincronoscop.

Sincronoscoapele moderne pot realiza o conectare automată în paralel în sensul că pot lua decizii în funcție de îndeplinirea condițiilor de funcționare în paralel, decizii cum ar fi cuplarea și reglarea curentului de excitație, cuplarea întrerupătorului de punere în paralel, reglarea turației motorului primar de antrenare, etc.

1.3 Motorul sincron

În regim de motor mașina sincronă primește energie electrică de la rețeaua de c.a. trifazată prin stator pe care o transformă în energie mecanică furnizată axului motorului.

1.3.1 Ecuațiile de funcționare ale motorului sincron

Procedând în mod analog ca în cazul regimului de generator (vezi subcap. 1.2.2) ecuația tensiunilor pe o fază statorică corespunzător circuitului din figura 1.22 va avea forma:

(1.23)

Ecuația tensiunilor (1.23) scrisă în complex și ținând cont de expresia reactanței de dispersie statorice va deveni:

(1.24)

sau în funcție de t.e.m. indusă de fluxul de excitație ecuația (1.24) devine:

(1.25)

în care: – reactanța sincronă

Ecuația curenților va avea aceeași formă ca la generator:

în care s-au neglijat pierderile în fier (Iw=0), iar I1’este curentul de excitație raportat la stator (vezi rel. 1.9).

Diagrama de fazori a motorului sincron în regim staționar s-a reprezentat în figura 1.23a și forma simplificată (R2I2 0) în figura 1.23b.

1.3.2 Pornirea motorului sincron

Deoarece mașina sincronă nu poate funcționa decât la sincronism, evident la pornire când 1=0 (viteza rotorului este nulă) nefiind îndeplinită condiția de sincronism, motorul sincron nu poate dezvolta cuplu electromagentic.

Într-adevăr dacă 2 este viteza unghiulară a câmpului învârtitor statoric obținut prin curenții trifazați absorbiți de la rețea, curenți de forma:

(1.26)

iar dacă 1 este viteza rotorului considerată diferită de 2, atunci sistemul trifazat de fluxuri produse de câmpul inductor din rotor față de stator va avea forma:

(1.27)

Energia de interacțiune dintre fluxul inductor 2A și curentul de pe faza A va avea expresia:

unde s-a notat:

– coordonata unghiulară a rotorului față de o axă de referință statorică

Cuplul electromagnetic dezvoltat de faza A a înfășurării statorice și transmis rotorului se poate afla aplicând teorema forțelor generalizate:

Procedând analog pentru fazele B și C se obține pentru cuplul electromagnetic instantaneu total dezvoltat asupra rotorului:

Cuplul mediu dezvoltat pe o perioadă T va fi:

(1.28)

Examinând expresia (1.28) se constată că pe un număr oarecare de perioade ale funcției sinusoidale (T=2k) cuplul electromagnetic mediu în timp este nul exceptând cazul 1= 2.

Deci motorul sincron nu poate dezvolta cuplu electromagnetic decât dacă este îndeplinită condiția de sincronism 1=2.

Pentru a putea porni motorul sincron se poate aplica una din metodele:

– pornirea cu ajutorul unui motor auxiliar;

– pornirea în asincron.

Pornirea cu ajutorul unui motor auxiliar, mai rar folosită în practică, constă în antrenarea cu ajutorul unui motor auxiliar a rotorului motorului sincron până la turația de sincronism, moment în care se conectează statorul la rețea. Motorul sincron va dezvolta cuplu electromagnetic și deci motorul auxiliar se poate decupla.

Metoda este neeconomică deoarece mai necesită un motor care chiar dacă este de putere mai mică (pornirea este recomandabil să se facă în gol) ridică totuși prețul instalației.

Pornirea în asincron, este posibilă numai atunci când polii rotorici sunt prevăzuți cu o înfășurare suplimentră în scurtcircuit care joacă rolul coliviei la motorul asincron. Barele coliviei sunt plasate în crestături practicate în piesele polare (figura 1.2) și sunt din alamă sau aluminiu. În aceste bare se induc curenți atunci când câmpul învârtitor al statorului are o anumită viteză relativă față de rotor, așa cum este cazul la pornire. Interacțiunea dintre acești curenți și fluxul inductor va da naștere unui cuplu electromagnetic asincron de pornire.

După ce motorul a pornit (înfășurarea de excitație fiind scurtcircuitată la perii pentru a ajuta pornirea) motorul se turează atingând turația subsincronă de regim staționar. În acest moment se injectează curent continuu în înfășurarea de excitație, obținându-se un câmp învârtitor care inițial are aceeași turație sincronă, dar care apoi într-un proces tranzitoriu capătă viteza de sincronism.Și această metodă este dificilă conținând multe manevre.În general se poate afirma că motorul sincron are o pornire dificilă.

1.3.3 Caracteristicile motorului sincron

Pentru aprecierea performanțelor motorului sincron de obicei se trasează experimental la bancul de probă următoarele caracteristici:

– caracteristica mecanică: n1 = f(M);

– caracteristica unghiulară: M = f();

– caracteristica în “V”: I2 = f(I1).

Caracteristica mecanică

Întrucât motorul sincron nu poate funcționa decât la sincronism, caracteristica mecanică n1 = f(M) va fi o dreaptă paralelă cu axa cuplului (figura 1.24). Cuplul electromagnetic poate crește până la valoarea MC (cuplul critic) după care mașina se oprește.

Caracteristica mecanică ne poate arăta că în domeniul M(0, MC) motorul sincron dezvoltă o viteză riguros constantă. Pentru acest motiv se utilizează la acționarea mașinilor de lucru care trebuie să aibă o viteză constantă odată cu creșterea cuplului rezistent (de ex. acționarea compresoarelor în industria frigului).

Caracteristica unghiulară

Reprezintă dependența dintre cuplul electromagnetic M și unghiul intern , și se trasează la U2=const., I1=const. Din expresia cuplului electromagnetic:

(1.29)

Unde : este cuplul maxim (critic) dezvoltat de motor rezultă forma acestei caracteristici reprezentată în figura 1.25.

Punctul nominal de funcționare se află pe porțiunea OA pentru care: și care reprezintă porțiunea stabilă de funcționare a motorului. Într-adevăr pe această porțiune orice creștere a cuplului rezistent la axul motorului nu poate duce la micșorarea vitezei ci la creșterea unghiului intern ceea ce înseamnă o creștere a cuplului electromagnetic dezvoltat care va putea prelua creșterea cuplului rezistent. O creștere a cuplului rezistent peste valoarea MC conduce la creșterea valorii lui peste deci la scăderea cuplului dezvoltat ducând la oprirea motorului. Porțiunea AB este considerată deci o porțiune instabilă de funcționare.

Caracteristica în “V”

Reprezintă dependența dintre curentul absorbit de la rețea în stator I2 și curentul de excitație din rotor I1 în situația menținerii constante a tensiunii la borne U2=const. și a cuplului rezistent M = const.

Din expresia:

rezultă:

(1.30)

Expresia (1.30) ne arată că locul geometric al punctului de funcționare A (din diagrama de fazori din figura 1.26) este o dreaptă paralelă cu fazorul U2.

În figura 1.26 sunt reprezentate trei poziții ale punctului de funcționare:

A1 când motorul se comportă față de rețea ca un receptor rezistiv inductiv;

A2 când motorul se comportă față de rețea ca un receptor pur rezistiv;

A3 când motorul se comportă față de rețea ca un receptor rezistiv – capacitiv.

Din aceste trei poziții rezultă forma caracteristicii I2 = f(I1) (t.e.m. E0 fiind direct proporțională cu curentul de excitație I1), care se prezintă sub formă de “V”.

Din examinarea acestei caracteristici rezultă că atunci când curentul de excitație I1 crește, curentul absorbit de la rețea I2 scade (scade fazorul jXsI2) atât timp cât motorul se comportă ca un receptor rezistiv – inductiv (curentul I2 se află în urma tensiunii U2), adică până în punctul A2 căruia îi corespunde curentul de excitație I10 (curent de excitație optim) când motorul se comportă ca un receptor pur rezistiv (curentul I2 se află în fază cu tensiunea U2). Continuând să creștem curentul de excitație I1 peste valoarea I10, curentul I2 va crește (punctul A3), motorul comportându-se ca un receptor rezistiv – capacitiv (curentul I2 se află înaintea tensiunii U2).

Când I1 I10 se spune că motorul funcționează subexcitat, iar când I1 I10 se spune că motorul funcționează supraexcitat.

Rezultă de aici clar că reglând curentul de excitație se poate ajusta factorul de putere cos al motorului. În figura 1.26 pe lângă variația curentului absorbit I2 funcție de I1 s-a reprezentat (cu linie punctată) și variația factorului de putere cos față de curentul de excitație I1.

Astfel deși motorul sincron poate avea întrefierul relativ mare (ca în cazul rotorului cu poli aparenți) el poate funcționa cu factor de putere foarte bun (chiar capacitiv dacă se dorește) fiind preferat în acționările de putere mare și foarte mare cu turație constantă (stații de pompare, propulsia electrică a navei) unde motoarele asincrone datorită factorului de putere mai prost nu sunt acceptate.

Funcționarea în regim supraexcitat este utilizată la compensarea energiei reactive a rețelelor inductive în vederea îmbunătățirii factorului de putere, înlocuind cu succes bateriile de condensatoare care la puteri mari devin foarte voluminoase.

Folosit la îmbunătățirea factorului de putere în rețele inductive (ca motor în gol supraexcitat) motorul sincron poartă denumirea de compensator sincron.

1.3.4 Particularități constructive și funcționale ale mașinilor sincrone excitate cu magneți permanenți

Magneții permanenți și-au găsit aplicația și în construcția mașinilor sincrone înlocuind sistemul de excitație cu ajutorul unor înfășurări străbătute de curent continuu. Mașinile sincrone cu magneți permanenți se utilizează în deosebi ca generatoare autonome funcționând la frecvență standard sau frecvențe mai ridicate, cu puteri ajungând până la câteva sute de kVA.

Avantajele acestor mașini constau, în afară de lipsa înfășurării de excitație, în : simplificarea construcției, lipsa contactelor alunecătoare asociate excitației electromagnetice, siguranță mărită în funcționare, dimensiuni de gabarit și greutate mai reduse, preț de cost mai scăzut decât mașinile generatoare de construcție clasică și, bineînțeles, randament superior datorită lipsei pierderilor de excitație.La toate acestea adăugăm că nu mai este nevoie de o sursă de excitație.Dezavantajul principal al generatoarelor cu magneți permanenți constă în imposibilitatea reglării fluxului de excitație, ceea ce limitează domeniul lor de funcționare.

Motoarele sincrone cu magneți permanenți prezintă aceleași avantaje ca și generatoarele similare. Pentru motoare nu este importantă cerința reglării fluxului de excitație. Calculându-se corespunzător circuitul magnetic al motorului este posibilă funcționarea la și chiar la capacitiv. Motoarele sincrone cu magneți permanenți concurează din punctul de vedere al indicatorilor energetici – randament și factor de putere – atât motoarele reactive cât și cele cu histerezis, dar chiar și cele asincrone, fiind depășite doar de cele universale cu colector. Din punct de vedere al utilizării materialelor active, motorul cu magneți permanenți concurează pe cel reactiv, și este oarecum egal cu motorul cu histerezis fiind depășit de cel asincron. Alte aspecte funcționale vor fi semnalate mai jos.

Generatoarele sincrone cu magneți permanenți, cu excepția celor de foarte mică putere, prezintă două variante constructive : cu poli cu gheară (fig 1.28) și cu poli aparenți de construcție obișnuită (fig 1.29). Rotorul cu poli în formă de gheare constă dintr-un magnet cilindric magnetizat în sens axial și două șaibe din material feromagnetic de o parte și de alta a magnetului, șaibele prezentând o serie de armături polare care se întrepătrund alternativ la periferia exterioară a magnetului, formând un sistem magnetic multipolar. Statorul nu prezintă nimic deosebit. În cealaltă construcție, magneții permanenți inlocuiesc miezurile pieselor polare aparente din construcția obișnuită. Piesele polare din material feromagnetic lipite de magneți prezintă colivii separate.

În ceea ce privește motorul sincron cu magneți permanenți evidențiem un fenomen neplăcut care apare la pornire. Fluxul constant al rotorului induce în timpul regimului tranzitoriu al pornirii o t.e.m în stator, în fiecare înfășurare de fază conectată la rețeaua de alimentare. Curentul produs de aceasta t.e.m are o frecvență variabilă o dată cu turația rotorului. El cauzează apariția unui cuplu de pornire care influențează destul de puternic curba cuplului rezultant în domeniul alunecărilor mari, așa cum se arată în figură (1.30). un asemenea fenomen nu se întâlnește la mașina cu excitație electromagnetică care în timpul pornirii are circuitul de excitație ori deschis, ori nealimentat și închis de o rezistență de mare valoare. În plus, în timpul pornirii la viteze subsincrone în circuitul statoric apar curenți care depășesc curenții de scurtcircuit și care pot demagnetiza magneții permanenți.

1.3.5 Motorul de curent continuu fără perii (cu comutație electronică)

Motoarele de curent continuu convenționale sunt foarte eficiente și caracteristicile lor le fac convenabile ca servomotoare. Singura lor deficiență constă în faptul că au nevoie de un colector și perii care se uzează cu timpul și necesită întreținere. Dacă se implementează în locul colectorului și periilor contactoare electronice, atunci se obține un motor care nu necesită întreținere. Astfel de motoare sunt cunoscute sub denumirea de motoare de curent continuu fără perii sau motoare cu comutație electronică.

La motoarele de curent continuu convenționale, excitația este plasată pe stator, iar înfășurarea indusă pe rotor. În astfel de condiții este imposibilă realizarea unui motor fără perii. De aceea acest tip de motor utilizează construcția inversă, similară oarecum celei a unui motor sincron cu magneți permanenți. Înfășurarea indusă este deci pusă pe stator și este similară unei mașini de curent alternativ polifazată, în cel mai eficient caz trifazată, ca în fig 1.31. Rotorul este bipolar și realizat din magneți permanenți. Motorul fără perii diferă însă de motorul sincron prin faptul că primul trebuie prevăzut cu un dispozitiv care să detecteze poziția rotorului și să comande contactoarele electronice prin semnale adecvate. Cele mai frecvente traductoare de poziție utilizează fie efectul HALL, fie senzori optici.

Pentru a înțelege principiul de funcționare a motorului de curent continuu fără perii, ne vom referi la figura 1.31, în care statorul are trei înfășurări de fază concentrate respectiv pe proeminențele polare P1, P2, P3 fig 1.31a. În serie cu fazele statorice sunt conectate tranzistoarele T1, T2, T3. Cele trei tranzistoare sunt comandate de trei fototranzistoare FT1, FT2, FT3 plasate pe o placă frontală imobilă a statorului fig 1.31a,b, la unghiuri de . Aceste fototranzistoare sunt expuse succesiv la o sursă de lumină cu ajutorul unui ecran mobil, solidar cu arborele, care lasă un fototranzistor expus, în timp ce celelalte două sunt obturate.

Să presupunem că înainte de a se conecta sursa de curent continuu, rotorul motorului și ecranul se află în poziția arătată în figura 1.31a. La conectarea sursei, în situația precizată este iluminat FT1 și tranzistorul T1 intră în conducție, curentul debitat de sursa de curent continuu trecând prin spirele fazei 1. Polul P1 este de polaritate N, liniile de câmp ieșind din pol. rotorul magnet permanent se va roti și va tinde să se așeze cu polul sau S în dreptul polului N1 statoric, deviația fiind de , în sens trigonometric.

Dar înainte dea a realiza rotirea de , fototranzistorul FT1 va fi obturat, iar faza 2 va fi alimentată prin tranzistorul T2. Rotorul își va continua rotația căutând să își plaseze polul S în dreptul polului N2 s.a.m.d. Energia localizată în câmpul magnetic al fazei 1 alimentată anterior se va epuiza printr-un curent care se va închide prin dioda de recuperare D1, faza 1 influențând deci mișcarea rotorului printr-un cuplu de sens opus mișcării principale impuse acum de faza 2.

Motorul descris prezintă și un alt dezavantaj, și anume curentul prin fazele statorice trece numai printr-un singur sens, cel permis de tiristorul și dioda respectivă. Se poate crește eficiența motorului, dacă curentul de fază va fi alternativ, ceea ce se poate obține cu motorul prezentat schematic în fig 1.32a. Cele trei faze statorice sunt alimentate printr-o punte de tranzistoare T1…T6, comandate prin același traductor optic de poziție cu șase fototranzistoare și ecran solidar cu arborele. Ecranul este astfel realizat (fig. 1.32b,c) încât ține în conducția simultană trei tranzistoare, conform schemei din tabelul 1.1, în care cifra 1 semnifică starea de conducție, iar cifra 0 starea de blocare.În figură 1.32d se precizează poziția rotorului-magnet permanent înainte de a se conecta sursa de curent continuu la puntea de tiristoare. În momentul conectării sursei (intervalul 1, în tabelul 1.1), fototranzistoarele FT1, FT4 și FT5 fiind iluminate de sursa de lumină, vor comanda intrarea în conducție a tranzistoarelor respective T1, T4, T5.

Curentul sursei va trece prin faza U1-U2 și respectiv V1-V2, cu sensurile indicate și în figurile 1.32a,d. Liniile câmpului magnetic statoric vor polariza statorul după axa înfășurării W1-W2, neparcursă de curent. Rotorul va fi solicitat de un cuplu electromagnetic în sens trigonometric și va tinde cu axa sa S-N să se plaseze pe această axă W1-W2.

Dar odată cu deplasarea sa, ecranul obturează fototranzistorul FT5 și permite iluminarea fototranzistorului FT6. Tranzistorul T5 se va bloca, iar tranzistorul T6 intră în conducție. Începe intervalul 2 din tabelul 1.1. Curentul debitat de sursă va trece jumătate prin faza U1-U2 și jumătate prin faza W2-W1, axa câmpului statoric mutându-se pe axa V2-V1. Rotorul va fi atras spre noua axă statorica s.a.m.d..

Tabelul 1.1

Se remarcă imediat că printr-o fază statorica oarecare curentul este alternativ, faza respectivă contribuind la dezvoltarea cuplului activ la ambele alternanțe ale curentului. Evident, tensiunea aplicată unei faze este de asemenea alternativă.

În cazul mașinii de curent continuu fără perii, faza tensiunii de alimentare față de poziția rotorului, respectiv unghiul dintre fazorul tensiunii U aplicate și cel al t.e.m induse de excitație (rotor) este fixată prin poziția traductorului de poziție. Rezultă deci că, în comparație cu motorul sincron, acest motor funcționează la unghiul intern constant, independent de gradul de încărcare al motorului. Această proprietate face ca acest motor să aibe caracteristici mecanice distincte.

Ca la orice mașină sincronă, presupunând poli înecați pe rotor și stator cilindric cu neglijarea rezistenței de fază, rezultă pentru cuplu electromagnetic expresia :

Ω – fiind viteza unghiulară, – reactanța sincronă.

Cum , p prezentând numarul de perechi de poli ai mașinii, pulsația tensiunii, inductivitatea sincronă, rezultă :

Dar = constant și deci dependența =f(M), adică chiar caracteristica mecanică, este o hiperbolă echilaterală, deci o caracteristică foarte apropiată de a motorului de serie de curent continuu.

Avantajele motorului de curent continuu fără perii sunt importante :

dispariția colectorului și a periilor (lipsa uzurii și a întreținerii )

reducerea dimensiunilor (prin dispariția colectorului, polilor auxiliari)

sursa de căldură cea mai importantă, adică înfășurările de fază, sunt plasate pe stator, facilitând transmisia căldurii spre exterior

viteze ridicate până la 30.000 rot/min, cât permite comutația tranzistoarelor

funcționare silențioasă.

Ca dezavantaje, cităm :

necesitatea unei instalații electronice relativ complexe

preț de cost mai ridicat

sensibilitate la suprasarcini și la scurtcircuit

motorul de curent continuu fără perii (cu comutație electronică) se aplică la puteri foarte mici și mici cu deosebit succes la imprimante cu raze laser, acționarea Floppy- discurilor, sonare, pick-upuri, etc precum și la puteri medii la acționarea avansurilor mașinilor unelte cu comandă prin calculator și a roboților industriali.

1.3.6 Magneți permanenți utilizați în construcția mașinilor electrice

Magneții permanenți, utilizați astăzi în construcția mașinilor electrice, se pot împărți în cinci mari grupe, corespunzător proprietăților de material, după cum se poate vedea în tabelul 1.1.

Tabel 1.1 : Caracteristicile magnetice ale diverselor tipuri de magneți permanenți

Se poate observa că proprietățile ideale privind inducția remanentă maximă, câmpul coercitiv maxim și energia magnetică maximă nu se întâlnesc la unul și la același tip de magnet . Cu toate acestea, deficiențele de mai sus se pot elimina printr-o proiectare judicioasă a mașinii. Magneții permanenți cei mai utilizați în construcția mașinilor electrice sunt de tip Alnico, aliaj ce conține cobalt între 10% și 40%, material ce le asigură o inducție remanentă ridicată contra însă unui preț de cost ridicat.

Magneții sunt obținuți prin turnare, după ce au fost omogenizați la temperaturi ridicate și răciți în câmp magnetic. Pentru ridicarea câmpului coercitiv, ei sunt supuși la tratamente de revenire. Magneții permanenți Alnico cu cele mai bune performanțe sunt cei anizotropi, cu cristale orientate. Magneții de tip alnico au diverse denumiri comerciale, clasificarea lor diferind de la țară la țară.

În tabelul 1.2 se face o prezentare a magneților permanenți de tip Alnico cu informații referitoare la compoziția aliajului respectiv, remarcându-se faptul că prezintă inducții remanente între 0.7 și 1.2 T, câmpuri coercitive între 70 și 160 kA/m și energii maxime de până la 90kJ/.

Tabelul 1.2 : Caracteristicile magnetice ale aliajelor Alnico

În general, cu cât performanțele acestor magneți sunt mai bune, cu atât prețul lor este mai ridicat. Din punct de vedere economic, prețul de cost cel mai scăzut pe unitate de densitate de energie îl prezintă feritele, de câteva ori mai ieftine decât magneții de tip Alnico. Materialele de bază ale feritelor, oxid de fier și oxid de stronțiu, se găsesc din abundență, iar fabricarea lor prin presare și sintetizare în câmp magnetic este relativ simplă. Din păcate, inducția remanentă redusă a acestor materiale cere utilizarea unor soluții constructive mai complicare, cu concentrare de flux care mărește coeficientul de dispersie și reduce eficiența de utilizare a energiei magnetice a feritei.

Se observă că ferită de stronțiu anizotropă FS-4 se apropie ca performanțe de cele mai bune materiale de acest fel existente pe plan mondial. Se remarcă faptul că inducțiile remanente maxime sunt în jur de 0.39 T, câmpul coercitiv 250-365 kA/m, iar energiile maxime de peste 30kJ/.

O a treia clasă de magneți permanenți sunt aliajele mangan-aluminiu-carbon (Mn-Al-C), magneți care deși nu auinca o utilizare practică în construcția mașinilor electrice, aflându-se în faza de laborator prin prețul de cost scăzut al materialelor de bază, reprezintă o soluție interesantă pentru viitor. Ele prezintă o inducție remanentă superioară feritelor, pentru câmpuri coercitive egale.

Se observă că acești magneți permanenți prezintă energii magnetice maxime față de ferite, de peste 50kJ/, pentru câmpuri coercitive de 250 kA/m și inducție remanentă de 0.58 T.

A patra clasă o reprezintă magneții permanenți pe bază de samariu-cobalt, magneți premanenti obținuți prin sintetizare și care prezintă inducții remanente medii, câmpuri coercitive și energii magnetice maxime foarte ridicate. Din păcate aceste materiale magnetice cu performanțe foarte ridicate sunt de preț ridicat datorită faptului că în compoziția lor intră materiale rare – materiale scumpe, deficitare pe plan mondial. Din această cauză aceste materiale magnetice erau utilizate, până nu demult, numai în tehnica aerospațială, în tehnicile spațiale, unde obținerea unor mașini de volum mic și ușoare ai prioritate față de prețul de cost.

A cincea clasă de materiale magnetice și cea mai recentă din punct de vedere al abordării în timp, o constituie magneții pe bază de Neodym. Aceștia sunt, de fapt, combinații Neodym-Fier-Bor, cu performanțe magnetice foarte ridicate, superioare aliajelor cu samariu.

Aliajul Neodym-Fier-Bor prezintă energii magnetice de peste 10 ori mai ridicate ca al feritelor și cel puțin cu o treime peste Samariu-Cobalt. Trebuie remarcat faptul că în rețeta de bază cobaltul este înlocuit cu fier, ceea ce nu numai că reduce prețul produsului final, dar elimină un material strategic greu de obținut. Neodym este un material de cinci ori mai răspândit decât Samariu, iar conținutul pur în minereurile de bază este de 17-25%.

Din păcate, acest aliaj prezintă un punct Curie scăzut, 310°C, ceea ce îi limitează utilizarea la temperaturi peste 115°C. Aliat cu un procent redus de cobalt această temperatură poate fi crescută în limita a 20-40°C.

Utilizarea aliajului Nd-Fe-B depinde exclusiv de raportul performanță/preț, care la ora actuală este superior tuturor celorlallti magneți, cu excepția feritelor, și nu este exclus ca într-un viitor apropiat să le elimine și pe acestea din competiție printr-o reducere esențială a cheltuielilor de fabricație.

Așa cum se vede în tabelul 1.3, magneții de tip Nd-Fe-B disponibili pe piața mondială prezintă inducții remanente între 1.1 și 1.3 T, câmpuri coercitive între 800 și 1050 kA/m și energii între 240 si 290 kJ/.

Tabelul 1.3 : Caracteristicile magnetice ale aliajelor pe bază de Neodym

Deosebit de important, pentru construcția mașinilor electrice, este cunoașterea proprietăților fizice ale acestor clase de magneți permanenți. Tabelul 1.4 oferă o privire sintetică asupra acestor proprietăți.

Densitatea cea mai mică o au feritele și aliajele Mn-Al-C, magneții Alnico și cei cu pământuri rare fiind mai grei. Atât feritele cât și magneții Alnico și aliajele cu pământuri rare sunt foarte ducre, casante, prelucrarea lor ulterioară turnării făcându-se doar prin rectificare. Magneții Mn-Al-C, și aliajele cu pământuri rare ( numai cele înglobate în rășini polimerice) se prelucrează pe mașini unelte obișnuite, se pot strunji, freza etc. [1]

Tabelul 1.4 : Caracteristicile fizice ale materialelor magnetice

Capitolul 2

Studiu de caz: Proiectarea motorului sincron fără perii cu rotor disc excitat cu magneți permanenți din pamânturi rare

Tema de proiectare cuprinde urmatoarele date :

Cuplul nominal :

Tensiunea nominală :

Turația nominală :

Frecvența tensiunii de alimentare la turația nominală :

Numarul de faze : m=3 faze

Clasa de izolatie : F

Gradul de protectie : IP-44

Puterea nominală :

2.1 Calculul dimensiunilor principale

Numarul de perechi de poli :

Se adoptă pentru excitație magneți permanenți din pământuri rare cu următoarele caracteristici magnetice : și caracteristica liniară de demagnetizare.

Din relația următoare se determină volumul de magnet permanent necesar :

Unde, estimând coeficientul de acoperire polară mediu , sau calculat coeficienții :

Unde , iar , considerând că rotorul este anizotrop magnetic pentru închiderea câmpului statoric, permeabilitatea relativă a materialului magnetic fiind

Coeficientul de utilizare al magnetului din pământuri rare este de , dată fiind caracteristica sa de demagnetizare aproape liniară.

Diametrul rotorului se determină din relația următoare :

Unde : – înalțimea magnetului, egală cu grosimea rotorului disc;

– raportul dintre diametrul exterior al magnetului și diametrul exterior al rotorului;

– raportul dintre diametrul interior al magnetului și diametrul exterior al rotorului;.

Distanța dintre magneții vecini :

Diametrul exterior al magnetului :

Diametrul interior al magnetului :

Suprafața unui pol magnetic este :

Mărimea întrefierului, din punct de vedere tehnologic se adoptă g=0.5 mm.

2.2 Calculul circuitului magnetic și înfașurării statorice

Se adoptă q=2 crestături pe pol și fază.

Numarul de crestături statorice :

Pasul diametral al înfașurării statorice :

Pentru eliminarea armonicii 3 din tensiunea electromotoare se adoptă o înfășurare cu pas scurt cu două crestături.

În aceste condiții, factorul de înfășurare este :

Inducția magnetică în întrefier se determină cu relația :

Fluxul magnetic pe pol :

Numarul de spire pe fază :

unde : , iar este coeficientul de demagnetizare.

Numarul de bobine pentru înfașurarea în două straturi :

Numarul de bobine pe fază :

Numarul de spire pe bobină :

Se adopta

Numarul de spire pe fază recalculat :

Numarul de conductoare într-o crestatură :

Pasul dentar la nivelul diametrului interior al magnetului :

Se adopta , rezultând lățimea crestăturii statorice :

Curentul presupus absorbit de motor :

Alegând pentru densitatea de curent o valoare de , pentru clasa de izolație F, secțiunea necesară a conductorului de cupru este :

Se adoptă din STAS conductorul de cupru cu si .

Considerând un coeficient de umplere a crestăturii , înălțimea parții active a crestăturii rezultă din relația :

Datorită valorii relativ ridicate a înălțimii crestăturii, se adoptă o soluție constructivă cu două statoare, de o parte și de alta a rotorului, înălțimea crestăturii împărțindu-se în mod egal pe cele două părți.

Înălțimea totală a crestăturii pe un stator fiind :

Se adoptă

Deschiderea crestăturii spre întrefier :

unde este lățimea crestăturii.

Înalțimea jugului statoric se calculează cu relația :

2.3 Calculul parametrilor. Calculul coeficientului CARTER

,

Unde :

Calculul coeficientului de saturație

Inducția magnetică medie în dinții statorici :

Unde :

Căderea de tensiune magnetică în dinții statorici :

Inducția magnetică în jugul statoric :

Lungimea medie a liniei de câmp în jugul statoric :

Căderea de tensiune magnetică în jugul statoric :

Căderea de tensiune magnetică în întrefier :

Coeficientul de saturație :

2.4 Calculul rezistenței statorice pe fază

Pentru clasa de izolație F, încălzirea maximă admisă pentru bobinaj este de rezistivitatea conductorului de bobinaj la această încălzire este , unde este rezistivitatea cuprului la , iar este coeficientul de variație cu temperatura rezistivității cuprului.

Lungimea capetelor frontale ale bobinelor se determină cu relațiile :

, unde :

, prelungirea tehnologică a izolațiilor de crestatură;

;

fiind deschiderea bobinelor în partea interioară, iar – pasul polar la nivelul diametrului interior al statorului.

,

,

.

Rezistența pe fază pentru ambele statoare înseriate se determină cu relația :

.

2.5 Calculul reactanței de scăpări statorice

Se consideră o crestătură cu pereții paraleli și o înfășurare în două straturi, cu pasul scurtat cu două crestături.

Calculul permeanței specifice de scăpări în crestătură

Permeanța specifică de scăpări corespunzătoare stratlui 1 de pe un stator este :

Permeanța specifică de scăpări corespunzătoare stratului 2 de pe un stator este :

==1.13.

Permeanța specifică de scăpări corespunzătoare interacțiunii dintre straturile 1 și 2 este :

Coeficientul de defazaj al curenților din aceeași crestătură, pentru înfășurarea în două straturi cu scurtare de două crestături, conform distribuției de curenți este .

Permeanța specifică de scăpări în crestătură se determină cu relația :

.

Calculul permeantei specifice de scapari la capetele frontale de bobine

,

unde : sunt elemente ale geometriei capetelor frontale de bobine.

c. Calculul permeanței specifice de scăpări diferențiale

=

unde:

iar: se determină în funcție de pasul înfășurării și numărul de crestături pe pol și fază.

Reactanța de scăpări se determină cu relația

Ținând cont că pe fiecare fază sunt inserate bobinele de pe cele două statoare.

2.6 Calculul reactanțelor sincrone

Considerând rotorul anizotrop din punct de vedere magnetic, permeabilitatea mgneților () fiind practic egală cu a zonelor interpolare unde se găsește material nemagnetic, reactanțele de magnetizare pe cele două axe sînt egale.

Reactanțele sincrone se determină cu relațiile:

unde:

Reactanțele sincrone sunt: . Se constată valori scăzute pentru reactanțele sincrone, aceasta datorîndu-se faptului că întrefierul echivalent pentru cîmpul de reacție, constituit din înălțimea magnetului permanent plus cele două întrefieruri reale, este relative mare.

2.7 Calculul pierderilor. Calculul pierderilor în fier.

Pierderile în jugurile statorice

unde: -coeficientul de majorare a pierderilor în jug datorită prelucrărilor;

.

Pierderile în dinții statorici

,

unde: – coeficientul de majorare a pierderilor în dinți datorită prelucrărilor,

.

Pierderile în fier sînt:

2.8 Calculul pierderilor mecanice și de autoventilație

=22 W,

unde

Pierderile suplimentare se evaluează:

Pierderile prin efect Joule se vor calcula în funcție de curentul absorbit, când se vor calcula caractericticile de funcționare.

2.9 Determinarea caracteristicilor de funcționare

Calculul tensiunii electromotoare induse pe fază la turația nominală:

În tabelul 12.3 sînt date caracteristicile de funcționare ale motorului, calculate cu relațiile(11.127-11.134).

Tabelând pentru se obțin caracteristicile de funcționare reprezentate graphic în figura 12.5, din care se extrag valorile pentru punctual nominal, corespunzătoare cuplului nominal

2.10 Dependența caracteristicilor de funcționare de unghiul intern pentru motorul cu disc excitator prin magneți cu pământuri rare

Tabelul 12.3

Se obțin A, , , pentru unghiul intern . S-au considerat reactanțele sincrone constant și anume cele pentru circuitul magnetic nesaturat, ipoteză valabilă pentru sarcini până la sarcina nominal.

Pentru cazul încărcării motorului peste sarcina nominal, saturația circuitului magnetic duce la scăderea reactanțelor sincrone și, în final, la scăderea corespunzătoare a cuplului dezvoltat de motor(curba trasată cu linie punctată în figura 12.5). [2]

Capitolul 3

Analiza comportării în regim dinamic și staționar a motorului sincron excitat cu magneți permanenți

3.1 Simularea la mers în gol în PowerSim.

Fig. 3.1 Schema de principiu pentru vizualizarea comportării la funcționarea în gol a motorului sincron fără perii

Fig. 3.2 Variația curenților prin fazele motorului sincron fără perii la funcționarea în gol (Cuplul de sarcină )

Fig. 3.3 Variația turației la arbore și a cuplului electromagnetic dezvoltat de motorul sincron fără perii

3.2 Simulare la mers în sarcină în PowerSim

Figura 3.5 b Variația curenților la mersul în sarcină la motorul sincron fără perii în regim stabilizat pentru (detaliu)

Figura 3.6 Turația vitezei la arborele motorului sincron fără perii la funcționarea în sarcină ()

Figura 3.7 Variația cuplului electromagnetic dezvoltat de motorul sincron fără perii și a cuplului de sarcină ()

Figura 3.8 Variația cuplului electromagnetic dezvoltat de motorul sincron fără perii și a cuplului de sarcină ()

Concluzii

În urma simulărilor făcute în mediul de programare PowerSim, pot fi formulate următoarele concluzii :

Motoarele sincrone fără perii sunt motoare sincrone autopilotate motiv pentru care în schemele de principiu comanda în bază a tranzistoarelor bipolare se face prin intermediul semnalelor primite de la traductoare Hall plasate în întrefierul acestor motoare. Rolul lor este de a vizualiza efectuarea mișcării la arbore (a pasului) și a comanda continuarea acestui proces (prin intrarea în conducție a altui tranzistor);

Datorită acestei particularități de funcționare (secvențială) variația curenților prin înfășurările statorice ale motorului este diferită de variația sinusoidală fiind practic un tren de impulsuri apropiate de forma trapezoidală (de fapt exponențială la creșterea și descreșterea curentului prin înfășurare);

Acest fenomen este întâlnit atât la funcționarea în gol a motorului analizat cât și la funcționarea în sarcină a acestuia.

Funcționarea secvențială a motorului sincron fără perii se reflectă din fazele statorice și în variația mărimilor culese la arborele rotoric. Deoarece datorită densității mări a magneților permanenți utilizați pe rotor, masa acestei armături și implicit momentul de inerție sunt mari, amplitudinea oscilațiilor din curbele vitezei și cuplului la arbore sunt mult atenuate în raport cu pulsațiile curenților din înfășurarea statorica și acest fenomen poate fi observat atât la funcționarea în gol cât și la funcționarea în sarcină;

Datorită frecvenței ridicate (utilizate de obicei la aceste motoare pentru mărimile electrice) variația în timp a mărimilor mecanice culese la arbore deși secvențială, macroscopic este cvasicontinua ( în special la funcționarea în gol ). La funcționarea în sarcină, oscilațiile din curbă cuplului în special sunt mai ridicate datorită regimului dinamic al asamblului rotor al motorului, arbore al mașinii de lucru;

Pe măsură ce cuplul de sarcină crește pentru aceleași mărimi electrice de intrare ale motorului se constată o apropiere din ce în ce mai bună a curbelor cuplului electromagnetic a motorului sincron fără perii și cuplul rezistent al mașinii de lucru. Practic echilibrul dintre cele două cupluri este atins numai atunci când este bine utilizată capacitatea motorului sincron, capacitate livrată practic de sistemul integrat de alimentare, comandă și motor de execuție.

Concluzie generală

Motorul sincron fără perii (cu comutație electronică) funcționează practic la parametrii pentru care a fost proiectat numai dacă se obține o armonie în cadrul sistemului integrat format de blocul de alimentare și comandă cu ansamblul electromagnetic constituit de motor.

Capitolul 4

Concluzii finale

Pe baza amplului studiu întreprins, în cadrul acestui proiect au rezultat următoarele concluzii :

Proiectarea motoarelor sincrone fără perii și care înglobează și magneți permanenți pe armătura rotorică (pentru asigurarea excitației) urmărește o metodologie asemănătoare cu proiectarea mașinilor electrice clasice cu înfășurări de tip electromagnetic pe ambele armături;

Particularitatea pe care o îmbracă astfel de motoare este legată desigur de dimensionarea rotorului echipat cu magneți permanenți. Volumul acestei armături la motoarele de mică putere este bine să fie cât mai mic lucru ce recomandă utilizarea unor magneți permanenți din clasa pământurilor rare. Pe de altă parte obținerea turației adecvate la arbore, reclamate de sistemele de acționare, presupune condiții de alimentare deosebite ale înfășurării statorice ale acestora : o anumită amplitudine a tensiunii respectiv o anumită frecvență a mărimilor electrice. Cu cât turația reclamată la arbore trebuie să fie mai înaltă ceea ce înseamnă număr redus de poli și frecvența tensiunii de alimentare trebuie să fie mai ridicată;

Deoarece volumul armăturii rotorice la aceste clase de motoare ce utilizează magneți permanenți din pământuri rare este redus, nici dimensiunile globale de gabarit ale mașinii nu pot fi excesiv de mari, iată motivul pentru care la această clasă de motoare tip sincron fără perii se adoptă de obicei o variantă de rotor disc cu magneți permanenți plasați pe suprafața discului (de o parte și de alta pe fețele acestuia) caz în care crestătura statorica va trebui să fie divizată, în modul acestuia dimensiunile de gabarit globale se reduc adaptându-se topologiei noi utilizate;

Datorită modului de plasare a magneților permanenți pe armătura rotorică tip disc (magneți ce au grosimi deosebit de mici) practic se obține o mașină sincronă asemănătoare cu cea clasică de medie și mare putere cu poli înecați. Din acest motiv nu există un fenomen de anizotropie puternică în cadrul structurii proiectate și reactanțele longitudinale (după axă ) respectiv transvesale () sunt practic egale. Lipsa anizotropiei de formă are desigur și un dezavantaj în funcționarea unui astfel de motor respectiv nu permite și apariția unui cuplu suplimentar numit cuplu de anizotropie care ar oferi posibilitatea acestui motor de a dezvolta forțe mult mai mari pentru dimensiuni date;

Pe de altă parte motorul sincron fără perii cu armătura rotorică disc ce utilizează magneți permanenți din pământuri rare, datorită energiei magnetice specifice maxime () deosebit de ridicate permite totuși dezvoltarea de forțe relativ ridicate la dimensiuni date în comparație cu motoare din aceeași clasă dar ce utilizează magneți mai slabi și topologii clasice (motoare cu magneți tip Alnico). Mai mult caracteristica unghiulară a acestor motoare fără perii cu rotor disc și magneți permanenți din pământuri rareeste foarte apropiată de o sinusoidă fapt ce conferă motorului o plajă de stabilitate statică și dinamicarelativ largă. În practică unghiul intern de regim nominal al acestor servomotoare de tip sincron fără perii este în plaja 30-45̊, în timp ce cuplul maxim al lor este atins la un unghi intern de 90̊;

În literatura de specialitate motoarele tip sincron fără perii în funcție de forma tensiunii/curentului de comandă se împart în două mari clase : comandate cu undă sinusoidală respectiv comandate cu undă trapezoidală. Deoarece tehnicile de comandă actuale permit sinteza mai ușoară a unor unde trapezoidale decât a celor sinusoidale, cea mai largă răspândire o au motoarele comandate cu o astfel de undă (denumite în literatura angloxaxona BLDC). Iată motivul pentru care simulările efectuate în mediul PowerSim au abordat comportarea în regim dinamic și staționar a unui motor tip sincron fără perii (brushless DC) din această categorie;

Simulările efectuate la funcționarea în gol respectiv la funcționarea în sarcină (cu sarcina variabilă la arbore) pentru un astfel de motor, asemănător cu cel proiectat, au reliefat o bună comportare a unui astfel de sistem integrat (bloc de alimentare comanda-motor și traductoare) și în cazul comenzii cu undă trapezoidală. Deoarece mărimile de la arbore în special viteza sunt cvasicontinue semnalele astfel obținute convin acționarilor de mare viteză și cu sarcini reduse.

Toate aceste rezultate obținute în urma poiectarii, modelării și simulării motoarelor sincrone fără perii vor putea fi utilizate în viitor pentru găsirea de noi topologii și noi modalități de comandă capabile să ofere beneficiarilor rezultatelor dorite în cazul sistemelor de acționare.

Capitolul 5.

Norme de tehnica securității muncii specifice echipamentelor tehnice

Este interzis ca în exploatarea, întreținerea și repunerea în funcțiune a unei instalații sau a unui echipament electric, să se aducă modificări față de proiect. În cazurile speciale, se pot efectua modificări numai cu acordul proiectantului.

Pentru operațiile de montare, întreținere și reparare a instalațiilor, rețelelor, utilajelor și echipamentelor electrice, în instrucțiunile de securitatea muncii trebuie prevăzute măsuri privind eșalonarea corectă a lucrărilor și organizarea locului de muncă, astfel încât să se evite accidentele.

(1) Instalațiile electrice în faza de experimentare trebuie să îndeplinească toate condițiile prevăzute în standarde și norme specifice pentru protecția împotriva electrocutării sau a accidentelor tehnice.

(2) Este interzisă folosirea instalațiilor sau a echipamentelor improvizate sau necorespunzătore.

Recepționarea și punerea în funcțiune a unei instalații sau a unui echipament electric trebuie făcute numai după ce s-a constatat că s-au respectat normele de securitatea muncii.

La exploatarea echipamentelor electrice trebuie să existe următoarele documente

instrucțiuni de exploatare

instrucțiuni de protecție împotriva pericolului de electrocutare

instrucțiuni de intervenție și acordare a primului ajutor în caz de electrocutare

programul de verificări periodice ale echipamentelor electrice și ale mijloacelor de protecție împotriva pericolului de electrocutare.

Pentru protecția împotriva electrocutării prin atingere directă trebuie să se aplice măsuri tehnice și organizatorice. Măsurile organizatorice le completează pe cele tehnice în realizarea protecției necesare.

Măsurile tehnice care pot fi folosite pentru protecția împotriva electrocutării prin atingere directă sunt următoarele

acoperiri cu materiale electroizolante ale părților active ale instalațiilor și echipamentelor electrice

închideri în carcase sau acoperiri cu învelișuri exterioare

îngrădiri fixe

îngrădiri mobile

protecția prin amplasare (asigurarea unor distanțe minime de protecție )

scoaterea de sub tensiune a instalației sau echipamentului electric la care urmează a se efectua lucrări și verificarea lipsei de tensiune

legări la pământ și în scurtcircuit, direct sau prin dispozitive speciale

folosirea mijloacelor de protecție electroizolante

alimentarea la tensiune redusă de protecție

egalizarea potențialelor și izolarea față de pământ a platformei de lucru.

Măsurile organizatorice împotriva electrocutării prin atingere directă sunt următoarele

executarea intervențiilor la instalațiile electrice trebuie să se facă numai de personal calificat în meseria de electrician, autorizat și instruit pentru lucrul respectiv

executarea intervențiilor în baza autorizației de lucru, a sarcinilor de serviciu sau a unui proces verbal

delimitarea materială a locului de muncă (îngrădire)

eșalonarea operațiilor de intervenție la instalațiile electrice

elaborarea unor instrucțiuni de lucru pentru fiecare intervenție la instalațiile electrice

organizarea și executarea verificărilor periodice a măsurilor tehnice de protecție împotriva atingerilor directe.

Pentru protecția împotriva electrocutării prin atingere indirectă trebuie să se realizeze și să se aplice numai măsuri și mijloace de protecție tehnice. Este interzisă înlocuirea mijloacelor tehnice de protecție cu măsuri de protecție organizatorice.

(1) Pentru evitarea electrocutării prin atingere indirectă trebuie să se aplice două măsuri de protecție o măsură de protecție principală, care să asigure protecția în orice condiții, și o măsură de protecție suplimentară, care să asigure protecția în cazul deteriorării protecției principale. Cele două măsuri de protecție trebuie să fie astfel alese încât să nu se anuleze una pe cealaltă. În locurile puțin periculoase din punct de vedere al pericolului de electrocutare este suficientă aplicarea numai a unei măsuri, considerate principale.

(2) Pentru evitarea accidentelor prin atingere indirectă, măsurile de protecție care pot fi aplicate sunt următoarele

folosirea tensiunilor foarte joase de securitate TFJS

legarea la pământ

legarea la nulul de protecție

izolarea suplimentară de protecție aplicată utilajului sau amplasamentului

separarea de protecție

egalizarea sau dirijarea potențialelor

deconectarea automată în cazul apariției unei tensiuni sau a unui curent de defect periculoase

folosirea mijloacelor de protecție electroizolante.

(3) Este interzisă folosirea drept protecție principală a măsurilor indicate la punctul f, g și h. Fac excepție instalațiile electrice casnice, la care deconectarea automată la curenți de defect constituie mijloc principal de protecție, și stâlpii liniilor electrice aeriene de joasă tensiune, la care dirijarea distribuției potențialelor constituie mijloc principal de protecție.

(4) Pentru instalațiile și echipamentele electrice de înaltă tensiune, sistemul de protecție împotriva electrocutării prin atingere indirectă se realizează prin aplicarea uneia sau cumulativ a mai multor măsuri de protecție, dintre care însă legarea la pământ de protecție este totdeauna obligatorie.

(1) La acoperirea cu materiale electroizolante a părților active ale instalațiilor și echipamentelor electrice, materialele electroizolante folosite trebuie să fie rezistente la solicitările fizice și chimice din mediul în care trebuie să funcționeze.

(2) Acoperirea cu vopsea, lac, email, stratul de oxid, material fibros nu constituie o izolare, în sensul protecției împotriva electrocutării prin atingere directă.

(1) Carcasele și învelișurile exterioare ale instalațiilor și echipamentelor electrice trebuie să fie rezistente la solicitări fizice și chimice în mediul în care funcționează. În afară de condiția impusă privind protecția împotriva electrocutării prin atingere directă, carcasele și învelișurile trebuie să fie în construcție corespunzătoare protecției împotriva incendiilor și exploziilor.

(2) La instalațiile de înaltă tensiune trebuie să fie prevăzute blocări mecanice sau electrice, astfel încât deschiderea carcaselor și a îngrădirilor de protecție să fie posibilă numai după scoaterea de sub tensiune a echipamentului electric respectiv. Manevrarea dispozitivului de blocare trebuie să poată fi făcută numai cu o sculă specială.

(1) La proiectarea, executarea și montarea instalațiilor electrice trebuie să se prevadă distanțe și spații în apropierea echipamentelor electrice și îngrădiri de protecție în jurul acestora, astfel încât deservirea, întreținerea și repararea acestora să se poată efectua fără pericol. Distanțele și spațiile minim admise sunt stabilite în normele speciale de securitate a muncii.

(2) Îngrădirile de protecție trebuie să fie astfel realizate încât să nu existe elemente sub tensiune neîngrădite în zona de activare a omului.

(1) În cazul lucrărilor care se execută cu scoaterea de sub tensiune a instalațiilor sau echipamentelor electrice, trebuie scoase de sub tensiune următoarele elemente

părțile active aflate sub tensiune, la care urmează a se lucra

părțile active aflate sub tensiune la care nu se lucrează, dar se găsesc la o distanță mai mică decât limita admisă la care se pot apropia persoanele sau obiectele de lucru, indicată în documentația tehnică specifică

părțile active aflate sub tensiune ale instalațiilor situate la o distanță mai mare decât limita admisă, dar care , datorită lucrărilor care se execută în apropiere, trebuie scoase de sub tensiune.

(2) Detaliile și precizările privind realizarea celor menționate mai sus se stabilesc în documentația tehnică specifică în vigoare pentru securitatea muncii la instalațiile electrice, în funcție de condițiile specifice.

(1) În cazul lucrărilor cu scoatere de sub tensiune este necesară legarea la pământ și în scurtcircuit a conductoarelor de fază, operație care se execută după verificarea lipsei de tensiune.

(2) Prin efectuarea legăturilor la pământ și în scurtcircuit trebuie să se asigure protecția omului împotriva apariției accidentale a tensiunii la locul de muncă, descărcarea părților scoase de sub tensiune de sarcinile capacitive remanente și protecția împotriva tensiunilor induse.

(3) Dispozitivele de scurtcircuitare și legare la pământ trebuie să fie conform standardelor în vigoare.

(4) Secțiunile minime ale conductoarelor și elementelor, modul de aplicare a dispozitivelor de scurtcircuitare, precum și măsurile organizatorice legate de aplicarea acestor dispozitive, trebuie să fie indicate în instrucțiunile de securitatea muncii pentru instalațiile electrice, în funcție de condițiile specifice.

(1) Folosirea mijloacelor de protecție electroizolante este obligatorie atât la lucrări în instalații scoase de sub tensiune, cât și în cazul lucrărilor efectuate fără scoatere de sub tensiune a instalațiilor și echipamentelor electrice.

(2) Acestea din urmă se efectuează de către personal autorizat pentru lucrul sub tensiune. La instalațiile de joasă tensiune folosirea mijloacelor individuale de protecție electroizolante constituie singura măsură tehnică de protecție și se folosește cumulat cu măsurile organizatorice.

(3) La instalațiile de înaltă tensiune, această măsură se aplică cumulat cu alte mijloace de protecție.

Instalațiile sau locurile unde există sau se exploatează echipamente electrice trebuie să fie dotate, în funcție de lucrările și condițiile de exploatare, următoarele categorii de mijloace de protecție

mijloace de protecție care au drept scop protejarea omului prin izolarea acestuia față de elementele aflate sub tensiune sau față de pământ

indicatoare mobile de tensiune, cu ajutorul cărora se verifică prezența sau lipsa tensiunii

garnituri mobile de scurtcircuitare și legare la pământ

panouri, paravane, împrejmuiri și semnalizări sau indicatoare mobile, folosite pentru a delimita zona de lucru

plăci avertizoare, care au rolul

de avertizare a pericolului pe care îl reprezintă apropierea de elementele aflate sub tensiune

de interzicere a unor acțiuni care ar putea duce la accidente

de siguranță, prin care se încunoștiințează lucrătorii că au fost luate măsuri înainte de începerea lucrului și că pot executa anumite manevre și lucrări

Exploatarea echipamentelor electrice trebuie făcută numai de către personal calificat, autorizat și instruit a lucra cu respectivele echipamente.

Bibliografie

I.Voncilă, D. Caluianu „Mașini electrice” , Ed. Fundației Universitare Dunărea de Jos Galați 2008.

Razvan Magureanu, Nicolae Vasile „Servomotoare fără perii tip sincron”.

http://www.powersim.com/ programul de unde am luat PowerSim .

Alexandru Fransua și R. Magureanu „Mașini și acționari electrice. Elemente de execuție” .

Ion Cioc , Nicolae Cristea , Năstase Bichir „Mașini electrice. Îndrumar de proiectare volumul III”

Bibliografie

I.Voncilă, D. Caluianu „Mașini electrice” , Ed. Fundației Universitare Dunărea de Jos Galați 2008.

Razvan Magureanu, Nicolae Vasile „Servomotoare fără perii tip sincron”.

http://www.powersim.com/ programul de unde am luat PowerSim .

Alexandru Fransua și R. Magureanu „Mașini și acționari electrice. Elemente de execuție” .

Ion Cioc , Nicolae Cristea , Năstase Bichir „Mașini electrice. Îndrumar de proiectare volumul III”