Releu Electric Pentru Pornirea Motoarelor Asincrone Monofazate de Putere Mica

CUPRINS

Introducere …………………………………………………………………….. pag.

Capitolul 1.Concepte generale

1.1.Motorul electric monofazat asincron ………………………… pag.

1.2.Metode de pornire a motoarelor ……………………………… pag.

1.3.Concluziile analizei ……………………………………………….. pag.

1.4.Funcții minime pentru metoda propusă ……………………. pag.

Capitolul 2. Descriere generală a proiectului

2.1.Schema bloc a modulului ………………………………………. pag.

2.2.Modalități de comutare condensator ………………………. pag.

2.3.Modalități de alimentare…………………………………………. pag.

2.4.Modalități de comandă a comutatorului……………………. pag.

Capitolul 3. Proiectarea releului

3.1. Metode generale de proiectare ………………………………. pag.

3.2. Modul de alimentare …………………………………………….. pag.

3.3. Modul de comandă ………………………………………………. pag.

3.4. Modul de comutare ………………………………………………. pag.

Capitolul 4. Specificații economice

4.1. Analiza SWOT …………………………………………………….. pag.

4.2. Diagrama Gantt …………………………………………………… pag.

Concluzii

Evaluarea si definitivarea proiectului ………………………….. pag.

Anexe …………………………………………………………………………….. pag.

Bibliografie ……………………………………………………………………. pag.

Introducere

Datorită simplității în construcție si al prețului redus motoarele electrice asincrone sunt cele mai raspândite motoare electrice, astfel în urma unor studii s-a oservat ca peste 90% dintre motoarele electrice, la nivel mondial, sunt motoare electrice de mică putere. Mașina asincronă este întâlnită pe o scară foarte largă în diverse domenii, o mică parte fiind folosită în sectorul industrial, dar principalele aplicații ale acestor motoare se regăsesc în domeniul serviciilor și în sectorul casnic, deci ponderea cea mai mare a motoarelor asincrone sunt cele monofazate, un procent major fiind definit în special de cele cu condensator deoarece prezintă avantaje multiple precum: cuplu mare la pornire, randament crescut în fucționare, variație mică a curentului la pornire față de motoarele asincrone monofazate fără condensator, zgomot mic în timpul fucționării.

Domeniile în care se găsesc echipamentele ce folosesc aceste motoare sunt caracterizate în general de cicluri de pornire/oprire foarte dese. Acest lucru a făcut ca cercetările în domeniul motoarelor în ultimele decenii să cunoască o mare amploare accentul fiind pus pe modalitățile de pornire, deoarece motorul asincron monfazat nu poate porni fără un impuls din exterior. Astfel, a fost dezvoltată o gamă largă de produse, de diferite firme, care doresc să realizeze în linii mari aceași fucție și anume controlul conexiunii dintre un condensator de pornire conenctat în serie cu o înfășurare secundară si motor.

Prin această lucrare se dorește realizarea unui releu pentru comutarea condensatorului de pornire cât mai simplu, având referință un releu realizat de firma Reissmann, în vederea obținerii unei colaborări cu ELECTROPRECIZIA ELECTRICAL MOTORS, cel mai mare exportator de motoare electrice din România.

Petru realizarea unui releu care să se ridice la așteptările colaboratorilor au fost studiate modalitățile principale de pornire și a fost aleasă o soluție optimă, același lucru realizându-se și pentru blocurile de alimentare, control și comutație care alcătuiesc releul propriu-zis. La priectarea lui a fost pus accentul pe un format cat mai compact și simplu de montat la niveul motorului, totodată încercâdu-se minimizarea costului de producție, oferind astfel un produs util la un preț sub concurență care realizează aceiași fucție.

Capitolul 1. Concepte generale

1.1.Motorul electric asincron monofazat

Motoarele electrice asincrone sunt cele mai raspandite motoare, utilizate in siteme industriale pentru controlul miscarii, precum și în majoritatea aparatelor electrocasnice alimentate. Printre avantajele motoarelor monofazate asincrone se regăsește o proiectare simplă si robustă, au un cost mic, intretinere redusă si pot fi conectate direct la o sursă de curent alternativ.

Pe piata sunt disponibile diferite tipuri de motoare asincrone de curent alternativ .Deși motoarele asincrone de curent alternativ sunt mai usor de proiectat decat motoarele de curent continuu , viteza si contrlul cuplului în diferitele tipuri de motoare asincrone de curent alternativ, necesita o mai bună înțelegere a proiectului și al caracteristicilor acestora.

În prezent motoarele asincrone monofazate sunt utilizate probabil mai mult decat toate celelalte tipuri de motoare electrice puse laolaltă. Este normal ca cel mai ieftin tip de motor cu intretinerea cea mai scăzută să fie cel mai des folosit, iar motorul asincron monofazat se potrivește cel mai bine acestei descrieri.

Figura 1.1: Motorul asincron monofazat fără mecanism de pornire.

Sursă: AC inductions motor fundamentals, Microcip.

După cum sugerează și numele, acest tip de motor are o singură înfășurare principală alimentată cu o singură fază. La toate motoarele monofazate asincrone rotorul este format din un miez laminat cilindric cu un spațiu auxiliar plasat paralel pentru realizarea conducției.

Motorul asincron monofazat nu poate porni singur datorită celor două câmpuri magnetice. În momentul în care motorul este conectat la o alimentare monofazată , înfășurarea principală conduce curentul alternativ, curent care produce un câmp magnetic de pulsație. Când câmpul magnetic pulsează, cuplul necesar pentru rotația motorului nu este generat. Acest lucru provoacă vibrația rotorului, dar nu se roteste. Prin urmare motorul necesită un mecanism care să ofere un impuls pentru pornire.

Mecanismul de pornire este realizat de obicei de o înfășurare suplimentară, numită înfasurare secundară. Această înfășurare poate avea în serie un condesator cu sau fără comutator. În cazul în care tensiunea este aplicată, curentul în înfasurarea principală se situează sub tensiune datorita impedanței înfașurării principale. În același timp curentul în înfășurarea secundară conduce tensiunea de alimentare în funcție de impedanța mecanismului de pornire. Interacțiunea dintre câmpurile magnetice generate de înfășurarea primară și cea secundară oferă un câmp magnetic rotativ intr-o direcție, iar rotația motorului se realizează in sensul câmpului magnetic rezultat.

Motoarele asincrone monofazate pot fi realizate cu o singură înfășurare, pentru pornirea acestora trebuie folosită o fortă din exterior doearece nu au cuplu de pornire , dar se pot realiza configurații variate pentru realizarea cuplului de pornire.

Cazul motoarelor cu o sigură înfășurare este tratat doar din punct de vedere pur teoretic pentru că în practică nu sunt utilizate aceste motoare doarece sunt foarte zgomotoase cu un factor de putere scăzut, pentru pornire trebuie să intervenim cu o forță din exterior de antrenare a rotorului, iar cuplu util este foarte scăzut in timpul funcționării.

1.1.1. Principiul de funcționare al motorului asincron monofazat

Motorul asincron monofazat are statorul echipat cu o înfășurare, numită înfășurare principală, conectată la o rețea monofazată de curent alternativ și o înfășurare rotorică care este de tip colivie.

Curentul de intestitate absorbit de stator produce un câmp sinusoidal în spațiu și timp care poate fi descompus în două câmpuri care se rotesc în sensuri opuse, aceste câmpuri învârtitoare au aceiași viteză, iar amplitudinile sunt egale cu jumătate din amplitudinea câmpului sinusoidal.Ele sunt definite de relația:

(1.1)

Figura 1.2: Motorul asincron monofazat si cuplul electromagnetic.

Sursă: Mașina asincronă, http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%203.pdf

Câmpurile învârtitoare și interacționează cu curentul rotoric producând cupluri electromagnetice asupra rotorului de valori egale și sens contrar, și , fapt ce determină o imposibilitate de punere în mișcare a rotorului tocmai datorită cuplului care este evident nul. Dacă rotorul primește un impuls, din mediul exterior, într-un anumit sens, spre exemplu se dă un impuls în sensul câmpului , iar rotorul se învârte cu o viteză unghiulară , în acest moment câmpul învârtitor are viteza relativă în raport cu rotorul și frecvența curenților induși de acest câmp în înfășurarea rotorică va fi:

(1.2)

Câmpul învârtitor în raport cu rotorul o viteză relativă și frecvența curenților induși de acesta este:

(1.3)

În urma formulelor (1.2) și (1.3) se observă ca dacă rotorul are alunecarea s în raport cu câmpul învârtitor , el va avea alunecarea 2-s în raport cu câmpul învârtitor

În figura 1.2 este reprezentat cuplul electromagnetic care depinde de alunecarea s si cuplul electromagnetic care depinde de alunecarea 2-s care evident este de sens contrar.

Pentru s= 1, cuplul rezultat este nul, deci cuplu de pornire al unui motor electric asincron monofazat este nul. Pentru a reuși să se pornească motorul se impune a se da din exterior un impuls în aceași direcție a cuplului electromagnetic sau în sensul lui , motorul dezvoltă în derecția respectivă un cuplu, făcând motorul să se accelerează până atinge viteza apropiată de sincronism, moment în care poate fi încărcat cu o sarcină.

Deoarece această metodă de pornire este incomodă, în special pentru motoarele de puteri marii, s-a gasit o metodă prin care motorul să dezvolte cuplu de pornire, prin atașarea în stator a unei înfășurări auxiliare decalată spațial în raport cu înfășurarea monofazată de bază, aceasta având un număr de spire egal și fiind parcursă de un curent cu valoare efectivă egală, dar care este defazat față de curentul în timp cu . Acest curent fiind obținut în urma conectării în serie a înfășurării auxiliară cu un condensator , ca în figura 1.3.

Figura 1.3: Schema motorului electric asincron monofazat

cu înfășurare secundară și condensator

Sursă: Mașina asincronă,http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%203.pdf

Câmpurile magnetice care sunt date de cele două înfășurări sunt:

(1.4)

(1.5)

Câmpul rezultat este dat de suma:

(1.6)

Această sumă reprezintă expresia câmpului rotitor care produce cuplu de porinire. Înfășurarea auxiliară, în practică, după pornirea motorului este scoasă din circuit. Motoarele asincrone sunt răspândite in foarte multe domenii predominante fiind sectoarele industriale și electrocasnice, acestea fiind construite să dezvolte puteri mici.

1.2.Metode de pornire a motorului electric asincron monofazat

1.2.1.Motor electric asincron monofazat cu înfășurare secundară.

O metodă de pornire este reprezentată de o înfășurare secundară înseriată cu înfașurarea principală și un comutator centrifugal sau cu un releu, pentru asigurarea cuplului de pornire.Înfășurările sunt diferite, înfașurarea secundară are rezistența mai mare decât înfățurarea principală , deci o reactanță mai mică fapt ce determină un curent mai mic prin înfățurarea secundară decât prin cea principală.Aceste motoare au un cuplu de pornire redus și trage un curet mare la pornire, aproximativ 700-

1000% din curentul nominal.

Figura 1.2: Motorul asincron monofazat cu înfasurare secundara.

Sursă: AC inductions motor fundamentals, Microcip

1.2.2.Motor electric asincron monofazat cu condensator de pornire.

Motoarele asincrone monofazate care folosesc un condensator alcătuies cea de-a doua categorie.La aceste motoare condensatorul este cuplat în serie cu înfațurarea secundară , aceasta conectare facând ca puterea motorului să crească crească , reduce zgomotul si duce la obtinerea unui ramdament maxim. În această categorie se gasesc motoarele cu condensator de pornire și comutator , cu două condesatoare, unul conectat permanent si celălalt folosit doar pentru pornire.

Motorul asincron monofazat cu condensator de pornire este un motor modificat , condensatorul montat în serie cu înfășurarea secundară oferă un impuls la pornire.Ca și motorul asincron monofazat, motorul cu condensator are un întrerupator centrifugal care deconecteaza înfășurarea secundară și condensatorul atunci când motorul atinge aproximativ 75% din viteza nominală.Când condensatorul este în paralel cu circuitul de pornire creaza un cuplu de pornire mai mare 200% – 400% din cuplul nominal, iar curentul de pornire este cuprin între 450% – 575% din curentul nominal.

O versiune modificată a acestui motor este motorul cu rezistență de pornire.În acest tip de motor , condensatorul de pornire este înlocui cu un rezistor.Motorul cu rezistență de pornire este folosit în aplicații în care cerințele cuplului de pornire sunt mai mici decat cele ale motorului cu condensator.În afară de cost, acest motor nu oferă nici un avantaj major față de motorul cu condensator.

Figura 1.3.Motorul asincron monofazat cu condensator de pornire.

Sursă: AC inductions motor fundamentals, Microcip.

Aceste motoare sunt utilizate într-o gamă variată de aplicații cum ar fi: transportoare mici, suflante si pompe mari precum și în multe alte aplicații.

1.2.3. Motor electric asincron monofazat cu condensator permanent.

O altă metoda de conectare a condesatorului este întâlnită la motorul asincron monofazat cu condensatorul conectat permanent în serie cu înfășurarea secundară.Acesta transformă înfășurarea secundară în înfășurare auxiliară când motorul atinge viteza de deplasare, viteza normală.Deoarece condensatorul conectat permanent trebuie proiectat pentru o utilizare continuă, acesta nu poate oferii impulsul de pornire oferit de un condensator de pornire. Cuplu de pornire tipic al acestor motoare este scăzut, de la 30% – 150% din cuplul nominal.Motoarele cu condensatoare conectate permanent au un curent de pornire redus, mai puțin de 200% din curentul nominal, ceea ce le face excelente pentru utilizarea în aplicații cu rate ridicate ale ciclului pornit/oprit.

Motoarele cu condensatoare permanente au mai multe avantaje. Destinația motorului poate fi ușor modificată pentru a fi utilizate cu regulatoare de viteză. Ele pot fi de asemenea proiectate pentru eficiență optimă și factor de putere ridicat la sarcina nominală.Sunt considerate cele mai fiabile motoare monofazate, mai ales ca nu necesită nici întrerupător centrifugal pentru pornire.

Motoarele cu mondesatoare permanente au o mare varietate a aplicațiilor în funcție de destinație. Acestea includ ventilatoare, suflante care au cuplu redus de pornire și un cicluri intermitente de folosire, cum ar fi ajustarea mecanismelor, operatori de poartă și deschiderea ușilor de garaj.

Figura 1.4: Motorul asincron monofazat cu condensator permanent.

Sursă: AC inductions motor fundamentals, Microcip.

1.2.3. Motor electric asincron monofazat cu două condensatoare.

Motorul cu condensator conectat in serie cu infasurarea secundară și cu un condesator conectat permanent permite un cuplu mare la suprasarcină. Acest tip de motor este capabil să răspundă cerințelor dificile care ar fi prea solicitante pentru celelalte motoare. Aceste motoare sunt folosite de obicei la mașini de prelucrarea lemnului, compresoare de aer, pompe de apa cu presiune înaltă, pompe de vid si la alte aplicații cu un cuplu ridicat care necesită o putere de la 1 pană la 10 cai putere.

Figura 1.5: Motor electric asincron monofazat cu două condensatoare.

Sursă: AC inductions motor fundamentals, Microcip.

1.3.Concluziile analizei

Caracteristicile motoarelor asincrone monofazate cu diferite mecanisme de pornire sunt prezentate în Tabelul 1.1.

Dupa cum se observă motorul cu două condensatoare , unul conectat permanent folosit pentru funcționare , iar al doilea conectat doar la pornire prezintă cele mai bune caracteristici.Cuplarea și decuplarea condensatorului de pornire se poate realiza cu ajutorul unui intrerupător centrifugal ,cu un triac sau cu ajutorului unui releu.

Tabel 1.1:Concluziile analizei cu privire la modalitățile de pornire.

Ing. Mihai-Radu M.D. MERA, lucrare doctorat:”Optimizarea funcționării motoarelor electrice de mică putere”, Brașov, 2012.

1.4.Funcții minime impuse pentru metoda de pornire propusă.

Releul realzat în cadrul lucrării este destinat motoarelor electrice monofazate asincrone cu rotor în scurtcircuit echipate cu condensator de sarcină si condensator de pornire. Rolul lui este să decupleze condensatorul de pornire după un anumit interval de timp , de la 2 până la 4 secunde , de la punerea sub tensiune a motorului, evitându-se în acest mod distrugerea acestuia.

1.4.1Cerințe de mediu înconjurător:

Temperatura mediului ambiant la locul utilizarii: -10 … +60ºC

Temperatura de stocare în timpul transportului: -10 … +85ºC

Umiditate relativa la locul utilizării: 65±25% la 20ºC

1.4.2.Cerințe constructive și fucționale:

Tensiune nominală (Un): 220V

Domeniul de de variatie al tensiunii de alimentare: 0,9Un – 1,1Un

Frecvența tensiunii de alimentare (Fa): 50Hz

Valoarea condensatorului de pornire este conform datelor de catalog ale motoarelor utilizate

1.4.3.Durata temporizării:

Durata temporizării este timpul în care condensatorul de pornire este conectat în circuitul motorului.Durata maximă a temporizării este de 4,5s ,iar cea minimă măsurată în condițiile în care motorul este blocat trebuie sa fie de 2 secunde.

Capitolul 2. Descriere generală a proiectului

Comandarea dispozitivelor cuplatate la rețeaua de curent alternativ se poate realiza cu ajutorul microcontrolerelor în două moduri:

-prin intermediul releelor ( ON-OFF) ;

-cu componente semiconductoare: tricuri, tiristori, IGBT pentru comanda cu tensiune variabilă;

Releul propus în această lucrare este realizat prin intermediul unui microcontroler cu care se face cuplarea si decuplarea condensatorului de pornire cu ajutorul unui triac.În momentul pornirii motorului condensatorul este cuplat , iar dupa un interval cuprin între 2-4,5 secunde este decuplat.Un condensator de pornire conectat în serie cu înfașurarea secundară asigură pornirea motorului electric la punerea sub tensiune, dupa cum se poate observa în principiul de funcționare al motoarelor asincrone.

În soluțiile clasice după cum se poate observa în capitolul 1 condensatorul de pornire este decuplat cu ajutorul unui comutator centrifugal în momentul în care motorul atinge 75% din turația nominala, această turație numindu-se turație de prag.

2.1.Schema bloc a modulului.

2.2.Modalități de comutare condensator.

Conectarea sau întreruperea circuitelor electrice se realizează cu ajutorul unui ansamblu de componente electromecanice sau electrice numit echipament de comutație. Acestea pot fi clasificate în două mari categorii, din punct de vedere structural.

Prima categorie este definită de echipamentele de comutație mecanice, care au în construcția lor cel putin un element care este mobil pe durata efectuării comutației. În funcție de modalitatea de comutare acestea pot fi automate sau manuale. În categoria echipamentelor de comutare automată se găsesc: contactoarele, separatoarele galvanice și întrerupătoare de înaltă și joasă tensiune, iar printre comutatoarele mecanice manuale se numără: întrerupătoare cu pârghie, întrerupătoare basculante și butoane de acționare.

A doua categorie este definită de echipamentele cu comutație statică, acestea nu au componente în mișcare, iar cuplarea și decuplarea este realizată și comandată electronic. Echipamentele de comutație din această categorie sunt construite cu ajutorul unuor dispozitive semiconductoare de putere precum: diode, triacuri, tranzistoare de putere sau tiristoare.

2.2.1. Echipament de comutație cu tiristor.

Tiristorul este o componentă semiconductoare care blochează trecerea curentului în lipsa unei tensiuni pe poartă. La apariția unui impuls pozitiv de curent , tiristorul întra în conducție. Din figura 2.1 se observă că în funcție de cât de mare este curentul pe poartă cu atât valoarea tensiunii anodice de apariție a comutației poate fi mai mică. Trecerea curentului se realizează într-un singur sens de la anod la catod.

Ca orice element de comutație, tiristorul în momentul în care se află în stare blocată se comportă ca un întrerupător deschis între anod și catod, iar în momentul în care intră în conducție, tiristorul este amorsat si se comportă ca un întrerupător închis .

Figura 2.1: Caracteristica curent-tensiune a tiristoarelor

Sursă: http://www.tehnium-azi.ro/page/index/_/articles/notiuni-teoretice-din-electronica/Tiristorul

Dezamorsarea tiristorului se realizează prin inversarea polarității dintre anod si catod sau prin reducerea la zero a curentului dintre anod și catod, din acest motiv el este utilizat foarte rar.

Pentru a face o analiză a fenomenelor care se petre în cazul comutației statice de curent alternatic se presupune utilizarea unui contactor static de curent alternativ monofazat care este realizat cu tiristoare ideale, conectate în antiparalel și alimentat cu o tensiune sinusoidală. Parametrii R și L sunt considerați constanți. Cu privire la circuitul consumatorului (R,L) acesta pentru a fi parcurs de curent necesită comandarea celor două tiristoare în fiecare semiperioadă, în mod alternativ. În momentul în care se încetează comanda, curentul din circuit se va întrerupe.

Figura 2.2: Schema de principiu a unui contactor static de c.a.

Sursă:Popescu Lizeta, 2008, pagina 55.

Ecuația diferențială a circuitului prezentat în figura 2.2, dacă se consideră origine momentul trecerii prin 0 în sensul tensiunilor pozitive, este:

(2.1)

Această ecuație are ca soluție suma dintre termenii regimilui permanent și cel tranzitoriu.

(2.2)

În care este definit de relația:

(2.3)

Unde:

(2.4)

se deduce din , având în vedere condițiile inițiale, astfel încât dacă comanda tiristorului se produce la momentul ωt = α, curentul total este 0 din cauza inductivități circitului în primul moment., iar soluția este:

(2.5)

Cu T este notată constantă electrică a circuitului și are valoarea:

(2.6)

Forma soluției generale este următoare:

(2.7)

2.2.2. Echipament de comutație cu triac.

Cele mai folosite comutatoare utilizate în curent alternativ monofazat sunt cele care realizează comutarea cu ajutorul unui triac.

Triacul este o componentă semiconductoare care poate inlocui două tiristoare montate in antifază. El este un comutator bidirectional utilizat in curent alternativ.

Triacul are două terminale principale si unul prin care se face comanda numit poartă (Gate). Triacul în starea normală se afla in blocare împiedicând astfel trecerea curentului intre terminalele principale.Aplicarea unei tensiuni pe terminalul nimit poartă comandă intrarea in conducție si permite astfel trecerea curentului intre terminalele principale.

Blocarea triacului nu se realizaează doar prin intermediul terminalului portă. Pentru blocare este necesar pe langă lipsa tensiunii pe poartă și curentul intre terminalele principale să scadă sub o anumita valoare, mai exact curentul sa treacă prin 0.

Figura 2.3:Triacul-simbol si caracteristica curent-tensiune

Sursă: Controlul dispozitivelor cuplate la rețeaua de curent alternativ, http://vega.unitbv.ro/~ogrutan/Microcontrollere2011/

Tensiunea de străpungere (Vs) este definită când curentul de poartă are valoarea zero.Creșterea curetului de poartă face ca tensiunea la care triacul intra în conductie sa scadă. Triacul este usor de comandat in momentul în care curentul de poartă și curentul principal au același sens. Ca o masură de siguranță pentru amorsarea triacului amplitudinea impulsului și curentul pe poartă trebuie sa fie mai mari decat cerințele din catalog specifice modelului.Este indicat sa aplicam impulsuri de amorsare mai lungi pentru a avea un timp de amorsare scurt.

Pentru eliminarea supratensiunilor care ar putea avea drept rezultat producerea autoamorsării se folosește o rezistență(R) si un condensator(C) montate in serie, iar acest grup conectat in paralel cu triacul.

În cazul sarcinilor inductive unde iesirea triacului din conducție se face in aproierea valorii maxime pe care o are o alternanță a tensiunii de alimentare prezența grupuilui RC fiind indispensabilă.De regulă valorile lui R si C sunt regasite in specificațiile de catalog ale triacului.

Contactoarele statice de curent alternativ, pe langă cele două tiristoare montate în antiparalel ca în figura 2.2. se pot realiza și prin înlocuirea acestora cu un triac. Grupul R, C, prezentat în figura 2.4, are rolul de a reduce viteza de creștere a tensiunii pe triac, acest lucru fiind necesar în special în cazul sarcinilor puternic înductive.

Figura 2.4:Contactor static de c.a. cu triac

Autor:Popescu Lizeta, 2008, pagina 57

2.3.Modalități de alimentare.

2.3.1.Alimentarea blocului de comandă cu transformator de tensiune.

Transformatorul de tensiune este un echipament electrotehnic , care se bazează pe fenomenul de inducție electromagnetică, prin aplicarea unei tensiuni și intensități circuitului primar, se obține o tensiune și o intesitate în circuitul secundar.Puterea are aceeași frecvență si aceeași valoare la bornele ambelor circuite.

Figura 2.5:Schemă transformator.

Sursă: Surse și circuite de alimentare , http://ep.etc.tuiasi.ro

Aceste transformatoare au fost create pentru minimizarea pierderilor de energie electrică, în curent alternativ, din momentul transportului și distribuției.

Transformatorului monofazat.

Transformatorul monofazat este alcătuit dintr-un miez de fier, care formează un circuit magnetic închis,format din tole cu grosimi cuprinse între 0,3 și 0,5 milimetri, realizate dintr-un material numit ferosiliciu, acesta conținând o cantitate ce variază între 1,5 și 4 % Siliciu, iar restul aliaj de fier.Este folosit acest material deoarece pierderile de energie sunt minime în momentul în care energia se transformă în cădură la inversarea magnetizării. Pe acest miez sunt bobinate două înfășurări (bobine) din sârmă de cupru.Miezul magnetic are rolul de a realiza un cuplaj magnetic strâns între cele două înfășurări și mărirea fluxului de inducție magnetică prin spirele bobinelor. Este numit circuit primar, bobina căreia îi este aplicată tensiunea de alimentare, iar tensiunea necesară este dată de circuitul secundar.

Presupunând că înfășurările ambelor circuite au același sens, iar numarărul de spire au valorile și .Dacă transformatorul funcționează în gol (circuitul secundar nu are consumator) și ii se aplică o tensiune alternativă de valoare efectivă în circuitul primar apare un curent de intensitate care crează un flux magnetic alternativ de valoare:

= (2.8)

Acest flux variabil care străbate spirele ambelor înfâșurări face să apară în spirere circuitului primar o tensiune electromotoare(t.e.m) de autoinducție (2.9)

iar în circuitul secundar t.e.m.

. (2.10)

Raportul celor două relatii este:

(2.11)

Conform legii lui Ohm , în circuitul primar suma dintre tensiunea de alimentare și t.e.m. de autoinducție trebuie să fie egală cu căderea tensiunilor din primar .

(2.12)

Ținând cont că rezistența primarului este de obicei mică produsul se neglijează si se obține relația:

(2.13)

T.e.m.( la funcționarea în gol a transformatorului este egală cu cu tensiunea de la bornele circuitului secundar (, deci rezultă relația:

(2.14)

Din relațiile (2.3.4), (2.3.6) rezultă:

(2.15)

Unde k reprezintă raportul tensiunilor ,la mersul în gol și este numit raportul de transformare a transformatoarelor.Pentru k<1 , , transformatorul este denumit transformator ridicător de tensiune, pentru k>1, , transformatorul este denumit transformator coborâtor de tensiune, iar când k=1 transformatorul are rol de separator electric a circuitelor.

În momentul în care transformatorul funționează în sarcină , respectiv se aplică o tensiune circuitului primar și se conectează la circuitul secundar un consumator de circuit alternativ au loc următoarele procese fizice: circuitul secundar fiind închis t.e.m. produce în el un curent de intensitate ,curent care produce la rândul lui un flux care este de sens contrar celui creat de circuitul primar.este mai mic decât datorită pierderilor de natură electrică și magnetică din momentul transferului de putere din circuitul primar în circuitul secundar. Fluxul principal prin transformator este egal cu fluxul produs de de curentul primar la mersul în gol și reprezintă diferența celor două fluxuri(

(2.16)

Raportul dintre puterea furnizată de circuitul secundar și puterea primită în circuitul primar de la alimentare reprezintă randamentul transformatorului.

(2.17)

2.3.2.Alimentarea blocului de comandă cu transformator de curent.

Transformatoarele de curent sunt folosite pentru masurarea,sau monitorizarea curentului alternativ într-un circuit de putere. Alte aplicații ale transformatoarelor de curent sunt: detectarea supracurentului și subcurentului pentru protecția circuitului, cum ar fi, în cablu de alimentare al unui invertor sau convertor.

Figura 2.6: Schemă transformator de curent folosit pentru monitorizare.

Sursa: Colonel William T. McLyman, 1988.

În figura 2.7 este reprezentat un circuit echivalent al unui transformator de curent și elementele importante, în cazul în care raportul înfașurărilor este:

(2.18)

Figura 2.7: Circuitul echivalent al unui transformator de curent

Sursa: Colonel William T. McLyman, 1988.

Curentul de intrare, , este împărțit între mai multe componente în transformatorul de curent. Curentul de magnetizare , este definit ca:

(2.19)

Curentul de magnetizare, , din figura 2.7, determină precizia maximă care poate fi atinsă cu un transformator de curent, el fiind o parte din curentul primar , care satisface histerezisul și pierderile curenților turbionali ale miezului. Acest curent este desprins din curentul de intrare în scopul de a excita miezul.Dacă este necesară o precizie bună, cum este de obicei pentru instrumente, pierderea și magnetizarea curenților trebuie să fie păstrate la un nivel minim.

Funcționarea transformatoarelor de curent este diferită față de funcționarea transformatoarelor de tensiune. Un transformator de curent se folosește de un curent primar, încearcând să ofere la ieșire un curent constant, indiferet de sarcină. Transformatorul de curent v-a funcționa în scurt-circuit sau în sarcină rezistivă până când tensiunea indusă este suficientă pentru a satura baza sau să determine căderea tensiunii. Curentul primar dintr-un transformator de curent nu depinde de sarcina curentului secundar.

Figura 2.7: Transformatorul de curent cu ieșire de curent continuu

Sursă: Colonel William T. McLyman,1988.

Un transformator de curent, ca orice alt transformator satisface ecuația:

(2.20)

Tensiunea indusă, , a unui transformator de curent este determinată de rezistența de sarcină secundară, , rezistența înfășurării secundare,, și de curentul secundar, și este definită de relația:

(2.21)

Proiectarea transformatorului de curent se poate realiza cu ajutorul unui program specializat, cum ar fi cel oferit de catre firma Magnetics.

2.3.3.Alimentarea blocului de comadă cu surse de alimentare.

Sursele de alimentare transformatoare de curent alternativ transformă curentul de intrare ( de la priza din perete), ce are valoarea de 230V curent alternativ, într-o tensiune joasă de curent continuu ( cum ar fi 5V curent continuu). Tensiunea joasă de curent continuu este de obicei caracterizat de un curent de ieșire redus, de ordinul a zeci de miliamperi.

O metodă bine cunoscută de generare a unei tensiunii joase de la o tensiune înaltă este de a utiliza un circuit devizor de tensiune, asa cum se arată în figura 2.8 . În exemple impedanțele și din figura sunt înlocuite cu rezistențe și dacă doar curentul neglijabil iese prin , atunci tensiunea de iesire este:

(2.22)

Figura 2.8: Schema circuitului divizor de tensiune clasic.

Sursă:Designer Circuits, http://www.designercircuits.com/DesignNote1a.pdf

Folosind rezistoare în locul ambelor impedanțe, va avea ca rezultat, în general, o proiectare a unei surse de alimentare slabe. Sursele de alimentare bune suportă o gamă a curentului de ieșire de la , în timp ce ține tensiunea de ieșire constantă.

Pentru a îmbunătății performanța de alimentare, se poate înlocui rezistorul ( cu o diodă Zener. Această diodă are o caracteristică neobișnuită și anume peste o tensiune inversă specificată ( tensiune Zener) pentru dispozitiv, aceasta permite trecerea curentului în sens invers.

Figura 2.9: Schema divizorului de tensiune cu diodă Zener

Sursa: Designer Circuits, http://www.designercircuits.com/DesignNote1a.pdf

De obicei impedanța, , în practică este realizate prin două. Cea mai simplă modalitate și cu un cost redus este înlocuirea cu un rezistor, iar modalitatea mai eficientă este de utilizare a unui condensator. Mărimea rezistorului sau condensatorului împreună cu tensiunea Zener determină cantitatea curentului total de ieșire disponibil.

Pentru rectificare sunt două locuri unde pot fi plasat diode, înainte și după dioda Zener.În general, plasarea unei diode de blocare înaintea diodei Zener previne curentul invers care intră din ieșirea condensatorului prin dioda Zener. Când tensiunea de intrare, , este mai mică decât tensiunea de iesire din condensator este generat un curent invers prin Zener.

Pentru ca rectificarea să fie eficientă pentru toată unda,rectificarea trebuie efectuată înainte de dioda Zener , adică puntea redresoare trebuie sa fie între curentul alternativ și dioda Zener.

Configurații ale surselor de alimentare:

Sursă de alimentare rezistivă:

Figura 2.10: Sursă de alimentare rezistivă.

Sursă: Designer Circuits, http://www.designercircuits.com/DesignNote1a.pdf

Componenta cea mai ieftină și cea mai mică pe care o putem folosi pentru impedanța de intrare este un rezistor,notat cu . Prin el trece totă sarcina și curentul diodei Zener, iar el trebuie să fie destinat tensiunilor înalte, deoarece va trece o tensiune mare de vârf.

Un transformator rezistiv este de obicei dimensionat pentru a oferii un curent mic ( de câțiva miliamperi ) astfel încât să se limiteze căldura generată de rezistor.

Sursă de alimentare rezistiv-capacitivă:

Figura 2.11: Sursă de alimentare rezistivă.

Sursă: Designer Circuits, http://www.designercircuits.com/DesignNote1a.pdf

O sursă capacitivă este destinată pentru livrarea unor cantități mari de curent , zeci de miliamperi, acest lucru fiind posibil daorită imbunătățirii eficienței față de sirsele rezistive prin faptul că nu necesită o sursă suplimentară de răcire.

Prin folosirea unui condensator , , pentru impedanța de intrare , este îmbunătățită eficiența deoarece nu mai au loc pierderi de caldură la trecerea curentului, cum era în cazul surselor rezistive.

2.4.Modalități de comandă a comutatorului

2.4.1.Comanda comutatorului cu ajutorul unui diac.

Diacul este o componentă semiconductoare, cu două borne, conceput în scopul de a realiza împulsuri de curent necesare pentru amorsarea unor dispozitive de comutație, tiristoare și în special triace deoarece diacul conduce curentul în ambele sensuri.

Figura 2.12: Diacul-Simbol și caracteristica curent-tensiune.

Sursă: ––––

În figura următoare, Figura 2.13, o să prezint o aplicație a unui diac în comanda unui tiristor , injectând un impuls de curent în poarta tiristorului comandând deschiderea acestuia, reușindu-se în acest mod comutarea unor curenți foarte mari, de ordinul sutelor de amperi.

Figura 2.13: Comanda unui tiristor cu ajutorul unui diac.

Sursă: ––––-

2.4.2.Comanda comutatorului cu ajutorul unui microcontroler.

Bibliografie ……………………………………………………………………. pag.

[1] Mașina asincronă , http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%203.pdf

[2] AC inductions motor fundamentals, Microcip. http://www.t-es-t.hu/download/microchip/an887a.pdf

[2] Popescu Lizeta,(2008), Echipamene electrice ,Volumul ll, Editura Alma Mater , Sibiu.

[3] http://www.tehnium-azi.ro/page/index/_/articles/notiuni-teoretice-din-electronica/Tiristorul

[4] Controlul dispozitivelor cuplate la rețeaua de curent alternativ, http://vega.unitbv.ro/~ogrutan/Microcontrollere2011/

[5] Surse și circuite de alimentare, http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Introducere%20in%20Electronica/SCA3.pdf

[6] Colonel William T. McLyman(1988), Transformer and Inductor Design Handbook, Volumul ll, Marcel Dekker Inc., New York.

[7] http://www.designercircuits.com/DesignNote1a.pdf

Anexe ……………………………………………………… ……………. pag.