SPECIALIZAREA: Energetica industriala [307084]

UNIVERSITATEA: "Vasile Alecsandri" Bacău

FACULTATEA: Inginerie

SPECIALIZAREA: Energetica industriala

LUCRARE DE LICENȚĂ

Studiul generatoarelor sincrone cu magneți permanenți

de putere mica

BACAU 2016

Cuprins

1. Introducere

1.1 Mașina sincrona

1.2 Motorul sincron

1.3 Generatorul sincron

1.4 Principiul de funcționare

1.5 Bilanțul de puteri al generatorului sincron

2. Tipuri constructive de generatoare sincrone cu magneți permanenți

3. Prezentarea standului microgeneratorului cu magneți permanenți

3.1 Construcția microgeneratorului cu magneți permanenți

3.2 Scheme de conexiuni pentru infașurarile microgeneratorului

4. Caracteristicile generatorului sincron

4.1 Caracteristica de mers in gol

4.2 Caracteristica de mers in sarcina

4.3 Caracteristica externa

4.4 Caracteristica de reglaj

4.5 Determinari experimentale la turația de sincronism de 3000 rot/min

5. Concluzii

6. Desene

7. Bibliografie

1.Introducere

1.1 MAȘINA SINCRONA

Mașina sincronă este o mașină de curent alternativ a cărei turație este constantă indiferent de regimul de funcționare (stabilizat) și independent de valoarea sarcinii (în limite normale). Această turație este cea de sincronism și este legată riguros de frecvența f a rețelei de curent alternativ la care este cuplată mașina. [anonimizat]. [anonimizat]-o rețea de curent alternativ. În regimul de motor mașina transformă puterea electrică primită de la o [anonimizat]. Mașina sincronă poate funcționa și drept compensator al factorului de putere. Regimul de compensator nu este însă un regim de bază distinct ci un regim de motor funcționând în gol. Cea mai largă răspândire, o [anonimizat]. Motoarele sincrone se utilizează în instalațiile la care este necesară menținerea turației riguros constantă și un factor de putere bun la turații mici. Compensatoarele sincrone se folosesc pentru compensarea puterii reactive în sistemele electroenergetice.

CONSTRUCȚIA MAȘINII SINCRONE

Mașina sincronă se compune din două părți principale: statorul, [anonimizat], așezat concentric în interiorul statorului și care constituie partea mobilă. După poziția axei de rotație mașinile sincrone pot avea o construcție orizontală sau verticală. [anonimizat]. Alternatoarele bipolare sunt de tip orizontal: pentru acționarea lor se utilizează turbine cu abur și sunt denumite turbogeneratoare.

a) Statorul la mașina sincronă de construcție normală reprezintă indusul mașinii și este format din miezul feromagnetic care poartă o înfășurare de curent alternativ polifazată (de obicei trifazată), așezat în interiorul unei carcase de consolidare și protecție.

[anonimizat], [anonimizat] 0,5 mm grosime; tolele sunt izolate între ele cu o [anonimizat]-un strat de oxizi. [anonimizat]nțare. De partea carcasei se prevăd numai crestături de ghidare la procesul de împachetare; ele servesc totodată la fixarea pachetului de carcasă cu ajutorul unor pene. Tolele se împachetează în interiorul carcasei în pachete de aproximativ 5 cm grosime; între pachete se prevăd canale radiale de răcire. Înfășurarea statorului mașinii sincrone este repartizată (numărul de crestături pe pol și fază q > 1) și se conectează la rețeaua electrică de curent alternativ. Înfășurarea se execută din conductori de cupru izolat cu hârtie, fibre de sticlă, micanită sau rășini sintetice în funcție de clasa de izolație a mașinii și de tensiunea nominală. La mașina sincronă trifazată înfășurarea statorului se conectează în stea, pentru a se evita închiderea armonicelor curentului de ordinul 3 sau multiplu de 3. Carcasa mașinii se execută din oțel turnat la mașinile de puteri mici, sau din tablă sudată de oțel la mașinile de puteri mari și foarte mari. Carcasa poartă dispozitivele de fixare, pe fundație și dispozitivele de ridicare, cutia de borne a indusului și cutia de borne a inductorului, plăcuța indicatoare și scuturile frontale. Ele sunt prevăzute cu lagăre, iar unul dintre scuturi susține portperiile împreună cu periile de contact.

b) Rotorul mașinii sincrone de construcție normală constituie inductorul mașinii și este format din miezul feromagnetic echipat cu o înfășurare de excitație.

După construcția miezului rotorului, se deosebesc mașini sincrone cu poli înecați și mașini sincrone cu poli (ieșiți) aparenți. La mașina sincronă bipolară rotorul se execută cu poli înecați; miezul feromagnetic este construit dintr-un cilindru masiv din oțel care formează corp comun cu axul rotorului . În miez sunt frezate crestături radiale, repartizate uniform pe aproape 23 din periferia rotorului. Dacă se neglijează deschiderea crestăturilor din rotor, lărgimea întrefierului dintre stator și rotor este constantă. Înfășurarea de excitație este repartizată în crestăturile rotorului. În figura 1.1 este prezentată o secțiune transversală printr-un alternator bipolar.

La mașina sincronă multipolară (), rotorul se execută cu poli (ieșiți) aparenți. Miezul feromagnetic este format dintr-un jug masiv de oțel. La mașinile de turație ridicată (cu număr mic de poli) miezul polilor inductori formează corp comun cu jugul inductor iar piesele polare sunt realizate din tole și sunt fixate de poli. La mașinile de turație joasă (cu un număr mare de poli) miezul polilor inductori formează corp comun cu piesa polară și sunt fixați de jugul inductor. La motoarele sincrone mari piesele polare se execută din oțel masiv. La mașina cu poli aparenți întrefierul dintre rotor și stator nu mai este constant; în dreptul polilor inductori întrefierul este mic, iar în spațiul dintre poli întrefierul este mult mai mare.

Înfășurarea de excitație este realizată din bobine concentrate așezate pe poli inductori; bobinele polare sunt conectate în circuitul înfășurării astfel încât să se obțină un inductor heteropolar; denumirea provine din faptul că la periferia rotorului polii de un nume alternează cu polii de nume contrar. În figura 1.2 este prezentată o secțiune transversală printr-un alternator cu poli aparenți, având p = 2 perechi de poli. În piesele polare ale polilor aparenți executate din tole se prevăd crestături în care se așează o înfășurare în colivie; înfășurarea în colivie servește la pornirea în asincron a motoarelor sincrone și la amortizarea pendulațiilor rotorului, fiind denumită și înfășurare de amortizare. Pe axul rotorului sunt dispuse în general două inele, la care se conectează capetele infasurarii de excitatie:periile care calca pe inele, asigura legatura dintre sursa exterioara de curent continuu si infasurarea de excitatie.

În figura 1.3.a si b este prezentată o secțiune longitudinală și transversală a unei mașini sincrone.

S-au utilizat următoarele notații:

1- carcasă; 2- pachet de tole stator; 3- ansamblu bobinaj stator; 4- scut; 5 – arbore; 6 – ansamblu lagăr; 7 – nervuri pentru fixare obadă rotor; 8- jug rotoric; 9 – miezul polului; 10 – bobină de excitație; 11 – bară colivie rotorică; 12- carcasa excitatoarei; 13- bloc redresare; 14- ansamblu inele; 15- ansamblu portperii; 16- cablu de legătură spre înfășurarea de excitație; 17- ansamblu rezistență de descărcare; 18- cutie de borne; 19- scut răcitor; 20- răcitor; 21- ventilator interior; 22- ventilator exterior; 23- vizor nivel ulei; 24- șasiu;

1.2 MOTORUL SINCRON

Motorul sincron trifazat este o masina electrica la care turația rotorului este egala cu turația campului magnetic invartitor indiferent de incarcarea motorului. Motoarele sincrone se folosesc la acționari electrice de puteri mari si foarte mari de pana la zeci de MW. Statorul motorului sincron este asemănator cu statorul motorului de inducție (este format dintr-o armatură feromagnetică statorică și o infăsurare trifazată statorică). Rotorul motorului sincron este format dintr-o armatura feromagnetică rotorică și o infașurare rotorică de curent continuu. Motoarele sincrone se folosesc la acționarea unor utilaje de mare putere la care nu este necesară reglarea turației și care nu necesită porniri prea dese.

Motorul sincron prezintă indicatori energetici superiori si siguranța marita in funcționare fața de motorul asincron. Randamentul mare (0,96 … 0,98) se datorește inexistenței pierderilor in rotor.
   Factorul de putere depinde de curentul de excitație: in regim supraexcitat motorul sincron are factor de putere capacitiv, furnizand rețelei de alimentare putere reactivă, reglabilă, inlocuind o parte din bateriile de condensatoare de imbunatațire a factorului de putere.
intrefierul nu influențeaza factorul de putere, ca la motorul asincron si poate fi de 2 … 4 ori mai mare decăt al acestuia, mărindu-se astfel siguranța in funcționare (se evită situațiile de avarie cănd rotorul freacă statorul ca urmare a uzării lagărelor).
   Cuplul electromagnetic depinde de puterea tensiunii de alimentare incăt motorul sincron nu este atat de sensibil la variații de tensiune ca motorul asincron. La scăderea tensiunii, printr-o măărire corespunzatoare a excitației (forțarea excitației) se poate păstra valoarea maxima a cuplului electromagnetic. La puteri peste 200 kW si turații sub 600 rol/min, motoarele sincrone sunt mai ieftine decăt motoarele asincrone iar la puteri peste 2 000 kW, masa lor este CU 10… 20 %  mai mica. .   Pornirea motorului sincron (care nu dezvoltă cuplu de pornire sincron la frecvența constanta se poate face cu motor auxiliar (de lansare) sau in asincron. in perioada pornirii in asincron, care este cea mai folosită, infașurarea de excitație se conecteaza la o rezistența de descarcare (de 7 … 10 ori mai mare decit rezistența infașurarii de excitație), in scopul micșorarii tensiunii  induse de cămpul magnetic invărtitor in infăsurarea inductorului, care poate depași 10 kV, dacă infăsurarea de excitație este deschisă si poate periclita izolația dintre inelele colectoare. La atingerea  alunecarii minime (3 .. 5%) infașurarea de excitație se deconectează de pe rezistența de descarcare si se conectează la sursa de curent continuu de excitație. Comanda automată a pornirii in asincron se poate face, in funcție de timp (cu relee de timp), in funcție de curentul statoric sau in funcție de tensiunea indusa in rotor (cu relee de tensiune minima, polarizate.   Reglarea curentului de excitație urmarește asigurarea funcționării optime a motorului sub aspectul stabilitații (la acționari cu șocuri de sarcina), furnizarea puterii reactive maxime sau menținerea factorului de putere optim.

1.3 GENERATORUL SINCRON

Mașina sincronă poate fi utilizată atât în regim de generator cât și în regim de motor. Totuși, în marea majoritate a aplicațiilor ea este utilizată ca și generator.

Generatoarele sincrone sunt realizate ca mașini sincrone trifazate și servesc pentru producerea energiei electrice

Generatoarele sincrone de turație mare (1500 sau 3000 rot/min) și de putere nominală mare se construiesc cu poli înecați și sunt antrenate de turbine cu abur, turbogeneratoare. Generatoarele sincrone cu poli aparenți, de turație redusă și putere nominală mare sunt antrenate, de regulă, de turbine hidraulice și se numesc hidrogeneratoare.

Încărcarea mașinii sincrone la arbore determină modificarea unghiului intern dintre tensiunea electromotoare indusă în înfășurarea statorică și tensiunea la bornele înfășurării statorice.

Acest unghi θ ia valori intre 0 grade pentru funcționarea în gol și 90 de grade pentru încărcarea maximă pe care o poate suporta în mod ideal mașina sincronă.

1.4 PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE A MAȘINII SINCRONE

Principiul producerii unui sistem de tensiuni trifazat este același cu cel al tensiunii electromotoare monofazate și anume rotirea unei spire într-un câmp magnetic omogen. Fiind vorba de trei tensiuni, evident vor exista trei înfășurări.………………………………………..
Rotirea spirelor se efectuează cu viteza unghiulară constantă, fiind egal decalate spațial în structura statorului. Se consideră că rotorul masinii (inductorul) este antrenat cu viteza unghiulară de către motorul său primar, care dezvoltă un cuplu activ.
Înfășurarea de excitație a celor 2 poli, alimentată în curent continuu, produce un câmp magnetic învârtitor inductor, care se rotește cu viteza unghiulară în același sens cu rotorul.
Corespunzător acestui câmp, spirele înfășurărilor de fază ale statorului (indus) sunt întretăiate de un flux ,variabil in timp.……………………………………………………………………
Dacă câmpul învârtitor inductor are o repartiție sinusoidală în spațiu, fluxul va avea o variație sinusoidală în timp, de pulsație. Într-o înfășurare de fază se va induce o tensiune electromotoare sinusoidală în timp, de aceeași pulsație, iar în cele trei înfășurări de fază se va induce un sistem de 3 tensiuni electromotoare simetrice, echilibrate.
Succesiunea în timp a celor 3 tensiuni electromotoare este impusă de sensul de rotație a câmpului învârtitor inductor. Dacă înfășurarea statorului este conectată pe o impedanță trifazată simetrică, aceasta va fi parcursă de curenții de fază care formează un sistem simetric echilibrat.  Masina furnizează impedanței de sarcină o putere activă P, funcționând deci, în regim de generator.Se consideră mașina sincronă trifazată cu 2p poli, a cărei înfășurare de excitație este alimentată în curent continuu de la o sursă oarecare, iar rotorul mașinii este antrenat de un motor primar, cu turația n, respectiv cu viteza unghiulară într-un sens dat. Înfășurarea de excitație rotorică, fie că rotorul are poli aparenți sau poli înecați, produce un câmp magnetic învârtitor inductor cu viteza unghiulară . Acest câmp magnetic învârtitor produce un flux magnetic variabil în timp, care înlănțuie spirele unei înfășurări de fază a statorului.Acest flux se poate pune sub forma: , fiind pulsația acestui flux. În înfășurarea considerată se induce deci o t.e.m. sinusoidală în timp și de aceeași pulsație . În ansamblul celor trei înfășurări se vor induce t.e.m. de forma:

Succesiunea în timp a celor trei t.e.m. este impusă de sensul de rotație al câmpului învârtitor inductor.

Dacă înfășurarea statorului este conectată pe o impedanță trifazată simetrică, atunci prin înfășurările de fază se vor stabili curenți care formează un sistem trifazat simetric. Dacă se notează cu decalajul în timp dintre t.e.m. din faza respectivă și curentul care parcurge aceeași fază, atunci expresiile curenților vor fi:

(1.2)

Acest sistem trifazat de curenți va da naștere unui câmp magnetic învârtitor numit câmp magnetic de reacție care are aceeași viteză unghiulară ca și câmpul magnetic învârtitor inductor. Compunând câmpul magnetic inductor cu câmpul magnetic de reacție se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină.

În această situație mașina debitează în impedanța de sarcină o anumită putere activă pe care o ia de la motorul primar; mașina funcționează în regim de generator electric.

BILANȚUL DE PUTERI AL GENERATORULUI SINCRON

Motorul primar dezvoltă un cuplu al cărui sens coincide cu sensul de rotație al rotorului și deci și cu sensul de rotație al câmpului magnetic învârtitor inductor. Motorul primar cedează mașinii sincrone puterea: .

Asupra statorului se exercită cuplul electromagnetic:

Acest cuplu este pozitiv pentru că oricare ar fi natura impedanței de sarcină, .

Acest cuplu tinde să rotească inductorul în sensul câmpului învârtitor inductor, adică în sensul succesiunii fazelor statorului. Cum statorul este fix, conform principiului acțiunii și reacțiunii, asupra rotorului se exercită un cuplu egal ca mărime și de sens opus. Prin urmare cuplul electromagnetic care se exercită asupra rotorului este un cuplu rezistent. În același timp asupra rotorului se mai exercită cuplul rezistent al frecărilor mecanice și cuplul rezistent exercitat de către excitatoarea de curent continuu dacă aceasta este cuplată pe același arbore cu rotorul mașinii sincrone.

Dacă rotorul se învârtește cu viteză unghiulară constantă și dacă se consideră ca sens pozitiv al cuplului electromagnetic sensul câmpului magnetic învârtitor inductor, atunci relația între cupluri va fi:

sau după înmulțirea cu viteza unghiulară :

unde :

– reprezintă pierderile mecanice ale mașinii

– reprezintă puterea mecanică preluată de excitatoare, dacă aceasta este cuplată pe același arbore

– reprezintă puterea electrică transmisă statorului prin intermediul câmpului electromagnetic și este denumită putere electromagnetică. Din puterea electromagnetică preluată de către stator cea mai mare parte se transmite impedanței de sarcină, o parte mai mică se pierde prin efect Joule în înfășurarea trifazată a statorului și o ultimă parte acoperă pierderile în fierul statorului:

În fierul rotorului nu se produc pierderi deoarece rotorul este străbătut de flux constant în timp. Bilanțul de puteri în regim de generator pentru mașina sincronă este redat în figura 1.4.

2. Tipuri constructive de mașini sincrone cu magneți permanenți

Statorul mașinilor sincrone cu magneți permanenți este similar cu al mașinilor asincrone, prezentând o înfășurare mono – bi – sau trifazată. Această înfășurare este introdusă în crestături sau poate fi concentrată în jurul unor poli aparenți, mai ales la generatoarele sincrone.

Pentru a evita demagnetizarea in timpul funcționarii datorită campului magnetic de reacție, se utilizează pentru talpa polară un material de mare permeabilitate, pentru a dirija liniile de camp in afara magnetului.

Fig. 2.1 Mașina de curent continuu cu magneți permanenți:

1 – magnet permanent; 2 – jugul statoric; 3 – talpă polară din material de mare permeabilitate pentru dirijarea campului magnetic de reactive; 4 – rotor.

Pentru imbunătatirea performanțelor se utilizează diferite sisteme constructive funcție si de calitațile magnetului permanent.Pentru a se obține o construcție compacta și o consolidare corespunzatoare cu menținerea performanțelor tehnice se poate utiliza varianta din figura 2.2.

Fig.. 2.2 Motor de curent continuu cu magneți permanenți:

1- carcasa din aluminiu; 2- magnet permanent; 3- polul mașinii; 4- secție in comutație;

5- rotor; 6- tălpi de prindere; 7- ax.

Cămpul magnetic de reacție care se inchide prin talpile polare si magneții permanenți se află in afara acestui cămp.La o astfel de construcție tehnologia de realizare este mai costisitoare.O variantă simplă din punct de vedere tehnologic este cea din figura 2.3 insă performanțele tehnice sunt mai scazute;cămpul de reacție se inchide prin magneții permanenți, fapt care produce o demagnetizare a acestora, liniile de cămp se inchid prin partea laterală a magnetului și in consecința sunt micșorate performanțele acestuia.

In figura 2.4 se prezintă o mașina de c.c. cu magneți permanenți și cu poli auxiliari.Chiar și in cazul cănd magneții permanenți au o inducție magnetică mică, sub pol se obține inducția magnetică corespunzătoare datorita faptului că suprafața polului magnetului permanent este mai mare decat suprafața polului masinii.

Fig 2.3 Configurația circuitului magnetic al unui motor de curent continuu cu magneți permanenți din ferita de bariu (construcție avantajoasa tehnologic)

Fig 2.4 Motor cu magneți permanenți si poli auxiliari:

1 – magnet permanent; 2 – pol principal: 3- crestătură pentru dispunerea infașurarii polilor auxiliari; 4 – infășurarea polilor auxiliari; 5 – polii auxiliari: 6 – linii ale cămpului magnetic creat de infăsurarea auxiliara; 7 – linii ale campului magnetic determinate de magneții permanenți.

O construcție tipică pentru magneții cu inducție mica se prezintă in figura 2.5.Suprafața polară a celor doi magneți este mult mai mare decat suprafața polului mașinii realizandu-se in acest fel o inducție magnetică corespunzatoare in intrefier.Construcția este compacta si simpla tehnologic.

Fig 2.5 Motor de curent continuu cu magneți permanenți cu inducție remanentă mică

1-jug statoric:2a si 2b-magneți permanenți.

Rotorul prezintă o mare diversitate constructivă din care se pot distinge variantele: în construcție normală (cu poli aparenți și colivie de pornire), (fig.2.6.a.b), cu poli gheară (fig.2.6.c).

În fig.2.6.a, roata polară-magnet permanent plasată pe un butuc neferomagnetic poartă la exterior o coroană lamelară, în care sunt turnate barele din Al, Cu sau aliaje, scurtcircuitate.

În fig.2.6.b, este prezentat un rotor din tole, în care sunt ștanțate locașurile unde se introduc pastilele din magneți permanenți precum și barierele de flux și crestăturile barelor înfășurării în colivie. Magneții sunt protejați de câmpurile puternic de reacție create de stator.

În fig.2.6.c, magnetul permanent are o formă de coroană cilindrică, magnetizată axial. Cele două șaibe feromagnetice masive prezintă gheare,care constituie polii mașinii. Câmpul magnetic iese dintr-o gheară N, traversează întrefierul, o porțiune a statorului, alt întrefier și se închide prin gheara vecină S.

Prezența magnetului axial exclude posibilitatea demagnetizării sale datorită câmpurilor de reacție ale statorului.

Ghearele masive permit pornirea acestor motoare datorită curenților turbionari induși, întocmai ca la motoarele asincrone cu rotor masiv.

CLASIFICAREA MICROMASINILOR SINCRONE

În funcție de principiul de conversie al energiei, μMS cu mișcare de rotație continuă se clasifică în:

sincrone cu magneți permanenți (de tip activ), μMS -MP;

sincrone cu reluctanță variabila (reactive) μMS-RV;

sincrone cu histerezis MS-H.

După modul de alimentare-comandă și caracterul mișcării realizate sincrone pot fi:

– cu alimentare și mișcare continue;

– cu alimentare prin impulsuri și mișcare innementală (pas cu pas).

După relația dintre viteza de rotație și viteza lor de sincronism, μM sincrone se clasifică în:

– normale (viteza de rotație egală cu viteza de sincronism ).

– reductoare (viteza de rotație un submultiplu al vitezei de sincronism).

Micromotoarele sincrone se construiesc într-o gamă foarte largă de puteri, de la zecimi de watt până la zeci de kilowati, într-un domeniu larg de turație, de la 300 000 rot/min la 1 rot/min. Constructiv aceste mașini sunt alimentate monofazat sau polifazat, astfel încât să se asigure în întrefier un câmp învârtitor care să antreneze rotorul într-o mișcare sincronă. Avantajul tuturor acestor micromotoare sincrone față de motoarele sincrone clasice constă în lipsa contactelor alunecătoare, a uzurii periilor și inelelor, a întreținerii ușoare, în posibilitatea funcționării lor în medii explozive.

Micromașini sincrone cu magneți permanenți

În prezent, mașinile de curent continuu cu magneți permanenți se folosesc pe scara largă datorită imbunatățirii procedeelor de fabricație și a performanțelor acestor magneți.Avantajele mai importante ale acestor mașini sunt:constructive mai simplă, greutate mai mică, dimensiuni de gabarit mai mici, pierderi reduse și deci randament ridicat.Mașinile cu magneți permanenți au cost mai ridicat, deoarece magneții permanenți au un cost ridicat; in plus iși pot modifica in timp caracteristicile fie prin imbătrănirea magneților, fie sub influența unor cămpuri magnetice puternice cu acțiune demagnetizantă.Materialele cele mai utilizate in construcția magneților permanenți sunt aliaje pe baza de aluminiu, cobalt și crom; se mai folosesc feritele moi precum și magneții ceramici.Caracteristica de bază a materialului magneților permanenți este curba de histerezis.Pentru magnetizarea magnetului permanent se folosesc bobine parcurse de curent continuu sau pulsuri puternice de curent care sa satureze materialul.Magnetizarea se face fie cu magnetul separat de circuitul magnetical mașinii, fie cu magnetul inglobat in circuitul magnetic al acesteia.

În ultimul timp, o dată cu dezvoltarea producției de magneți permanenți cu performanțe îmbunătățite, din categoria acestora facand parte magnetii Neodim, s-a trecut la folosirea lor în excitarea mașinilor sincrone.

Caracteristici˶ magneti.Neodim:Magneții neodim.fier bor, cunoscuți ca și magneți din pămanturi rare sau neo magneți, oferă cea mai buna alegere cănd sunt comparate performanța, dimensinea si costul. Magneții neodim au un preț moderat si magneții tipici din neodymium permit reducerea dimensiunii. Magneții neo sau din pămaturi rare au rezistența slaba la coroziune si trebuie sa fie imbracați sau placați. Atenție trebuie acordată tipului de aliaj atunci cănd expunem magneții neodymium fier bor (neo sau magneți din pămanturi rare) la temperaturi peste mediul ambiant .Magneții neodim au o rezistența buna la cămpurile externe de demagnetizare datorită forței coercitive intrinseci (Hci) ridicate. Această rezistența face magneții neodymium fier bor o alegere excelentă pentru aplicații electromecanice si nu numai.Magneții denși din neodim fier bor „magneți neo- și magneți din pămanturi rare" sunt de obicei fabricați metalurgic dintr-o pulbere. Pulberea formată din neodim fier bor cu dimensiune de microni este produsă intr-o atmosferă de gaz inert și apoi compactata intr-o matrită de oțel sau de cauciuc. Matrița de cauciuc este comprimată pe toate parțile de lichide și este numită presare izostatica. Matrițele de oțel produc forme identice cu produsul final, in timp de matrița de cauciuc va crea numai blocuri mari de neodim fier bor. Performanța aliajului neodim fier bor in ambele metode de compactare este optimizata prin aplicarea unui cămp magnetic, inainte sau in timpul operației de presare. Acest cămp aplicat confera o direcție preferată de magnetizare sau de orientare pentru aliajul magnetului neodim fier bor.Alinierea particulelor rezulta intr-un aliaj anizotropic si imbunatateste semnificativ inducția reziduală (Br) și alte caracteristici magnetie ale magneților finali numiti si „neomagneți”. După presare, neo „neodymium fier bor” magneții sunt sinterizați si tratați la cald pănă ating condiția lor deplin densă. Magneții presați din neodim fier bor ajung astfel la dimensiuneaă, pe cănd magneții bloc rezultați prin metoda presarii in matrița de cauciuc sunt de obicei indreptați pe mașini mari de taiat si apoi taiați in geometria finală. Aliajele presate isostatic au proprietați magnetice mai ridicate decat materialul presat simplu, dar poate sa le lipsească uniformitatea. Alegerea metodei de fabricare a magneților neodim fier bor este de obicei determinată de aplicația dorită .

Caracteristicile de temperatură ale magneților neodim fier bor (NdFeb)

Magneții sinterizați neodim fier bor "neo pămănturi rare" sunt sensibili la demagnetizare atunci cănd sunt expuși la temperaturi mari. Există mai multe clase care pot rezista la temperaturi ridicate, dar mai mulți factori vor determina performanțele magneților neodim fier bor. Una dintre cele mai pertinente variabile este geometria magnetului neo sau din pămănturi rare sau a circuitului magnetic. Magneții neodim care sunt relativ subțiri in secțiunea transversală la pol (lungimea magnetului/ aria polului) se vor demagnetiza mai ușor decăt magneții neodim care sunt groși. Geometriile magnetice folosind placi de suport sau coliere vor raspunde mai bine la temperaturi crescute. Temperaturile de funcționare maximă recomandate sunt listate in pagina caracteristicilor magnetice ale magneților neodim și nu iau in calcul toate condițiile de geometrie ale acestora. Diferitele elemente care compun un magnet de neodim sunt: neodim praseodim (PRND), fier (Fe), bor fier (Fe-B) si disprosiu fier (DyFe).

Caracteristicile la coroziune ale magnetilor” neodymium “(tratamentul suprafeței)

Magneții din neodim sunt foarte sensibili la coroziune. O varietate de optiuni de acoperire si placare sunt disponibile pentru a proteja magnetul neo de mediul inconjurator. Oxidarea rapidă a magneților necesită o pregatire riguroasă a suprafeței inainte de acoperire sau placare. Cele mai multe instalații de tratare a suprafetelor magneților de neodim fier bor nu sunt adaptate pentru acest tip de aliaj magnetic și nu pot ăa le acopere sau placheze cu succes. Aliajul de NeodimFierBor nu poate sa fie acoperit ca alte aliaje metalice și se vor coroda din interior spre exterior daca nu este realizat corect.

Prelucrarea magneților din neodim

Magneții neodim din pămanturi rare sunt produși dintr-un material foarte dur si casant. În medie, duritatea acestui material este 58 Rc si mașinile-unelte convenționale de prelucrat și tăiat sunt inadecvate. Duritatea combinată cu structura granular cristalină nu permite utilizarea instrumentelor cu carbid. Instrumente cu diamant, mașini de descarcare electrostatică (EDM) și anumite abrazive reprezintă metodele convenționale de fabricare pentru aliajele magnetice din neodim sau pămănturi rare. Altă preocupare in prelucrare este volatilitatea ridicata a pulberii sau șpanul din țlefuirea uscată. Aceste particule pot arde in timpul prelucrarii sau in containerele de depozitare a așchiilor. Prelucrarea va elimina de asemenea suprafața aliajului neodim fier bor și il va face mai sensibil la coroziune. Cele mai multe materiale magnetice sunt prelucrate in stare nemagnetizata. Odată ce operațiunile de fabricare și curțare sunt complete magnetul este magnetizat pana la saturație.

Procesul de magnetizare al magnetilor neodim

Magneții neodim, cunoscuți și ca neomagneți, sunt magneți din pămanturi rare care cer un cămp puternic de magnetizare. Cămpurile puternice de magnetizare au nevoie echipament special și magnțtii din neodim nu sunt, in general, magnetizați de către clienți. Natura anisotropică a magneților neodim sinterizați rezultă într-o singură direcție de magnetizare. Direcția trebuie observată atunci cănd sunt magnetizați și apoi magnetul este integrat în ansamblul final rezultat. De multe ori este folosit un indicator pentru a marca un pol anume al magnetului neodim-fier-bor (NdFeB) în procesul de asamblare. Acest indicator poate fi un simplu punct de vopsea de o anumită culoare sau o marcă gravată cu laser.Cămpul mare necesar pentru magnetizarea magnetului NeodimFierBor va restricționa de multe ori designul și forma magnetului neodim sau ansamblul magnetic din neodium.În tabelul urmator sunt prezentate cateva dintre tipurile constructive de magneți neodium ̋[1], [2], [3], [4].

Tabel 2.1 Caracteristici magneți Neodim

Magneți neodim – inel

Magneții neodim inel sunt magneți mai greu de fabricat datorită formei lor.
Majoritatea magneților neodim tip inel au polii pe suprafețele circulare plate (magnetizare axială). Excepție face magnetul HR-10-07-03-N care este magnetizat diametral, cămpul magnetic este paralel cu diametrul..
Magneții neodim tip inel pot avea diametre cuprinse intre 6 mm si 60 mm.

Fig.2.7 Magnetizare transversală Fig.2.8 Magnetizare diametrală

3. Prezentarea standului pentru studiul microgeneratorului cu magneți permanenți

Standul pentru studiul microgeneratorului cu magneți permanenti prezentat în continuare se compune din:

-Cutie metalica suport aparate (desen anexa)

-Motor electric acționare microgenerator

-Cuplaj elastic (asigură legatură dintre motor și microgenerator)

-Microgenerator cu magneți permanențți

-Suport susținere microgenerator

-Tahometru(pentru masurarea turației)

-Senzor de proximitate

-Variator de turație

-Buton pornit/oprit

-Borne- 12 bucați, (culoare roție) pentru începuturile bobinajului statoric al microgeneratorului

-Borne- 12 bucați, (culoare negru) pentru sfărșiturile bobinajului statoric al microgeneratorului

-Releu termomagnetic (GV2ME08/2,5-4A) pentru protecția la supracurent a electromotorului

Fig. 3.1 Stand pentru studiul microgeneratorului cu magneți permanenți

3.1 Construcția generatorului sincron cu magneți permanenți

Generatorul sincron transformă energia mecanică primită pe la arbore de la motorul primar, care in acest caz este un motor asincron cu colector provenit de la o mașina de spalat, în energie electromagnetică cedată pe la borne. În construcție normală, rotorul(inductorul)mașinii este antrenat cu viteza unghiulară Ω într-un anumit sens de catre motorul sau primar, care dezvoltă un cuplu activ Ma.Microgeneratorul sincron cu magneți permanenți prezentat pe stand este realizat în construcție “ inversă”, în sensul că rotorul reprezintă partea fixă (indusul), iar inductorul, realizat dintr-un magnet permanent , cilindric de tip Neodium se rotește în jurul statorului(fix) .În continuarea descrierii standului pentru studiul microgeneratorului cu magneți permanenți, și în realizarea microgeneratorului vom folosi noțiunea de “stator” in loc de” rotor”.Inductorul, antrenat de motorul primar produce un camp magnetic învărtitor de viteza unghiulară ce se rotește ăn același sens cu inductorul.Corespunzator acestui camp, spirele infasurarii de faza ale statorului(indus) sunt parcurse de un flux φ variabil in timp,dand nastere in infasurarile polifazate ale acestuia la o tensiune care depinde de numarul de spire ale infasurarii si de turatia motorului primar.Fiind un stand experimental pentru studiul generatoarelor sincrone cu magnenet permanent de putere mica de tip Neodim cu polarizare diametral opusa, s-a cautat adaptarea unui stator la dimensiunile magnetului .Pentru adaptarea unui stator la dimensiunile magnetului, avand in vedere lungimea pachetului de tole, diametrul si numarul de crestaturi, s-a tinut cont de numarul si diversitatea lor, acestea echipand diferite unelte electrice (polizoare unghiulare, bormasini, mixere, etc) .Statorul a fost confectionat din rotorul unui polizor unghiular “BOSCH”de 750w, la care dupa indepartarea bobinajului original si a colectorului, au fost prelucrate cotele pentru rulmenti cat si diametrul exterior al acestuia.Prelucrarea diametrului exterior a necesitat o atentie deosebita deoarece cu cat intrefierul (distanta pe raza dintre interiorul magnetului si indus) este mai mica cu atat si performantele generatorului sunt mai bune, aerul fiind cel mai greu de magnetizat.

Fig. 3.2 Statorul dupa eliminarea bobinajului initial

-vedere longitudinala-

In figura 3.2 si 3.3 este reprezentat statorul dupa indepartarea bobinajului vechi si prelucrarile mecanice, inclusive cotele de rulment.Datele tehnice ale statorului sunt urmatoarele:

diametrul exterior: 41 mm

lungimea pachetului de tole: 46 mm

lungimea totala a rotorului: 140 mm

numarul de canale(crestaturi) ale rotorului:12

Pentru rebobinare s-a ales varianta bobinajului ondulat cu scoaterea capetelor de bobine (inceputuri si sfarsituri) in exterior deoarece s-a renuntat la colector.In mod normal pentru ca tensiunea electromotoare indusa intr-o sectie (bobina) sa fie maxima, trebuie ca pasul elementar y1 sa fie egal cu pasul polar, adica:

y1=τ =Ze/2p 2p=2 unde:

y1-pasul elementar

τ-pasul polar

Ze-numarul de crestaturi

2p-numarul de perechi de poli

Fig.3.3 Statorul dupa eliminarea bobinajului initial

-vedere transversala-

In cazul nostru y1=12/2=6 crestaturi, adica manunchiul de ducere se va afla in crestatura 1 iar manunchiul de intoarcere a aceleiasi sectiuni in crestatura6.

Fig. 3.4 Bobinaj ondulat Fig. 3.5 Bobinaj buclat

Pentru realizarea bobinajului statorului, s-a pornit de la datele initiale ale acestuia, respectiv bobinaj ondulat, 12 bobine, 45 spire pe bobina, diametrul conductorului de cupru Ø 0,38.

Bobinajul executandu-se manual, s-au introdus 70 spire pe bobina respective 140 spire in crestatura , cu conductor de bobinaj de cupru Cu ET1 ,Ø 0,4. Specificatia simbolurilor este urmatoarea:

-Cu –conductor de bobinaj din cupru

-ET1 –conductor acoperit cu un strat de email tereftalic

-Ø 0,4 – diametrul conductorului de bobinaj

Dupa bobinaj manunchiurile din crestatura au fost fixate cu ajutorul unor baghete din textolit de 1mm grosime si 5 mm latime , iar apoi impregnate cu lac electroizolant pentru consolidare.Dupa impregnare statorul a fost uscat in cuptor la 80°C timp de 48h.

Fig. 3.6 Statorul microgeneratorului dupa rebobinare

Constructia rotorului este realizata dintr-un magnet permanent de tip Neodim –inel, care este mai greu de fabricat datorita formei sale.

Acesta este de tipul HR-10-07-03-N care este magnetizat diametral, campul magnetic este paralel cu diametrul.Caracteristicile si performantele magnetilor Neodim au fost descrise pe larg in capitolul II.

Dimensiunile constructive ale magnetului sunt urmatoarele:

– diametru interior 41,5 mm

– diametru exterior 53,5 mm

– lungime 46 mm

Magnetul este incasetat intr-o carcasa din otel (OL 37) al carei desen cu cotele de prelucrare si desen sunt prezentate in anexe.Dupa introducerea magnetului in caseta , au fost aplicate cele doua flanse exterioare la capetele acesteia , avand prelucrate la interior cotele de rulment care au fost introdusi pe axul statorului.Rulmenții folosiți sunt 6007 ZZ si 607 ZZ .O flanșa asigura legatura dintre microgenerator si cupla elastica a electromotorului, iar cealalta prinderea si consolidarea cu ajutorul unui suport in “T”de stand.

Fig 3.7 Magnet neodim. Vedere longitudinala

¹

Fig 3.8 .Elementele componente ale microgeneratorului

Legatura mecanica dintre microgeneratorul sincron cu magneti permanenti si electromotorul electric este asigurata de un cuplaj elastic care are urmatoarele caracteristici:

– transmiterea exacta a momentului

– rigiditate torsionala maxima(fara abateri la inversarea de sens) pana la 300 grd.

– moment de inertie mic

– echilibrare perfecta

– fixare pe arbore cu bratara si transmiterea momentului fara pana

– calitate superioara, precizie ridicata, durata mare de viata.

Fig. 3.9 Cuplaj elastic

3.2 Scheme de conexiuni pentru înfașurarile microgeneratorului

Datorita faptului ca inceputurile si sfarsiturile bobinajului statoric au fost scoase in exteriorul microgeneratorului (12 inceputuri si 12 sfarșituri) , se pot realiza mai multe modalitati de conexiuni ale acestora pentru a determina varianta cea mai avantajoasa.In continuare vom enumera cateva posibilitati de conexiuni ale bobinajului statoric:

– conexiune serie

– conexiune paralel

– conexiune serie-paralel

– conexiune in doua căi de curent

-conexiune in patru căi de curent

– conexiune in doua căi de curent legarea in stea

– conexiune in doua căi de curent cu legarea in triunghi

– conexiune in patru căi de curent cu legarea in stea

– conexiune in patru căi de curent cu legarea triunghi

4. Caracteristicile generatorului sincron

Functionarea masinii sincrone ca generator de curent continuu este definit de o serie de marimi ca:t.e.m.E, tensiunea la borne Ua, curentul din infasurarea indusului Ia, curentul din infasurarea de excitatie Ie si turatia n. Aceste marimi sunt , in general, dependente unele de altele. Caracteristicile masinii sincrone reprezinta functia care descrie dependenta dintre doua din marimile de mai sus, celelalte ramanand constant.Importante pentru functionarea unui generator de curent continuu sunt urmatoarele caracteristici:

E˳= f(Iₑ) pentru n=const. si Ia=0, denumita caracteristica de mers in gol

Uₐ= f(Iₑ) pentru n=const. si Ia=const., denumita caracteristica de mers in sarcina

Uₐ= f(Iₐ) pentru n=const.si Iₑ=const., denumita caracteristica externa

Iₑ=f(Iₐ) pentru n=const.si Uₐ=const., denumita caracteristica de reglaj.

Caracteristicile masinii sincrone se pot determina fie direct pe cale experimentala, fie prin calcul, cunoscand caracteristica magnetica a masinii si valorile parametrilor ei determinate experimental sau prin calcul.

Un generator sincron poate functiona in mai multe situatii din punctul de vedere al legaturii sale cu sarcina.Cazul cel mai simplu este acela cand o retea receptoare, de impedanta echivalenta data, este alimentata direct de un singur generator sincron.In aceasta situatie tensiunea la bornele generatorului, frecventa acestuia si curentul debitat depend numai de parametrii generatorului (rezistente, reactante), de curentul de excitatie si de puterea mecanica transmisa de motorul primar propriu.O asemenea functionare se intalneste mai rar in practica actual si se refera la generatoare de putere relative redusa.Cea mai raspandita situatie este aceea cand generatorul sincron, de regula de putere mijlocie sau mare, reprezinta doar un element dintr-un sistem electroenergetic care reuneste un numar mare de central electrice si o retea corespunzatoare de receptoare, fiecare centrala avand mai multe generatoare sincrone, functionand in paralel pe aceleasi bare, iar centralele find interconectate intre ele prin linii de transmisie a energiei electrice.In acest caz un generator sincron are o tensiune la borne si o frecventa dependente de sistemul electroenergetic.

Caracteristica la funcționarea in gol

E =f (Iₑ) pentru n=constant Iₐ=0. unde:

E- tensiunea indusa de campul invartitor

Iₑ-curentul de excitatie

n-turatia

Se stie ca t.e.m. E indusa de campul invartitor de excitatie este proportionala cu fluxul maxim Øm si ca acesta este functie de curentul de excitatie Iₑ . Pe masura ce curentul de excitatie Iₑ creste, creste si fluxul Øm si deci t.e.m E.

Cand circuitul magnetic al masinii incepe sa se satureze cresterea curentului de excitatie nu mai conduce la o crestere proportionala a fluxului magnetic, acest flux creste mai putin si deci si t.e.m. E creste mai putin .Daca masina a functionat anterior, atunci in cazul Iₑ=0, fluxul magnetic nu este nul, desi este foarte redus.Acest fapt se explica prin existent unui camp remanent al polilor, fenomen caracteristic materialelor feromagnetice. De obicei t.e.m. remanenta reprezinta 5-10% din tensiunea la borne corespunzatoare regimului nominal.Deoarece circuitul magnetic realizat din material feromagnetice prezinta si fenomenul de histerezis, caracteristica de mers in gol ridicata experimental are doua ramuri:una pentru current de excitatie crescator, iar cealalta pentru current de excitatie descrescator.

Caracteristica in sarcina

Uₐ= f(Iₑ) pentru n=const. si Ia=const.,unde:

Uₐ-tensiunea la borne

Iₑ-curent excitație

Ia-curentul din infasurarea indusului

n-turația

Aceasta caracteristica arata cum variaza tensiunea la borne cand se modifica Iₑ, la o anumita sarcina pastrata constanta.

.

4.3 Caracteristica externa

Uₐ= f(Iₐ) pentru n=const.si Iₑ=const.,unde:

Uₐ-tensiune la borne

Iₑ-curent excitatie

n-turatia

Aceasta caracteristica evidentiaza capacitatea generatorului de a-si mentine tensiunea la borne, in anumite limite accesibile pentru receptoare, atunci cand sarcina variaza, fara a interveni in excitatia masinii.

4.4 Caracteristica de reglaj

Iₑ=f(Iₐ) pentru n=const.si Uₐ=const.,unde:

Iₑ-curent excitație

Ia-curentul din infasurarea indusului

Uₐ-tensiune la borne

n-turația

Aceasta caracteristica arata cum trebuie variat curentul de excitație pentru ca in condițiile variației curentului de sarcina Iₐ, tensiunea la borne sa nu se modifice.

4.4 Determinari experimentale la turatia de sincronism de 3000 rot/min

4.1. Caracteristica de mers in gol

Caracteristica externa

5. Concluzii

Mașinile sincrone cu magneți permanenți reprezintă o alternativă importantă la utilizarea mașinilor asincrone în sistemele de acționări electrice de medie și mare viteză. MSMP se utilizează în acționarea mașinilor-unelte, a perifericelor de calculatoare, în aparatura medicală, roboți, tracțiune electrică, producerea energiei electrice, propulsarea navelor, aplicații eoliene etc. Utilizarea acestor mașini este în special datorată următoarelor caracteristici principale:

inerție mică, din cauza absenței coliviei rotorice și deci un răspuns rapid în cuplu;

pierderi neglijabile în rotor;

cuplu cu conținut de armonici redus;

răcire mai ușoară (pierderi concentrate în stator) .

Într-o formă inedită se evidențiază importanța alegerii: materialelor magnetice; configurației rotorului și caracteristicilor mașinii. Comparația dintre MSMP și MA, luând în considerare nu numai caracteristicile mașinii dar și întregul sistem de acționare, arată o creștere de cca. 4% a randamentului în favoarea MSMP.

CAP. 6. Desene

Fig. 6.1 Schema electrică

Fig 6.2 Carenaj generator

Fig.6.3 Caseta rotor (desen prelucrari mecanice)

Fig.6.4 Caseta rotor

Fig.6.5 Flansa antrenare generator ( prelucrari mecanice)

Fig.6.7 Flansa antrenare generator

Fig.6.1 Schema conexiuni generator pentru 1500 rot/min

Fig 6.2 Schema conexiuni generator pentru 3000 rot.min

CAP.7. Bibliografie

[1]http://www.hobber.ro/index.php?main_page=page&id=3&chapter=100

[2]http://www.hobber.ro/index.php?main_page=page&id=8&chapter=100

http://www.hobber.ro/index.php?main_page=page&id=8&chapter=100

[3]http://www.hobber.ro/forum/viewtopic.php?f=4&t=16652

http://www.hobber.ro/forum/viewtopic.php?f=4&t=16652

[4]https://www.supermagnete.es/data_table.php

https://www.supermagnete.es/data_table.php

[5]https://www.supermagnete.pt/data_table.php

https://www.supermagnete.pt/data_table.php

[6]https://www.supermagnete.fr/data_table.php

https://www.supermagnete.fr/data_table.php

[7]http://documents.tips/documents/46564457-2-sub2-masina-sincrona.html

http://documents.tips/documents/46564457-2-sub2-masina-sincrona.html

[8]https://www.supermagnete.de/eng/data_table.php

https://www.supermagnete.de/eng/data_table.php

[9]http://documents.tips/documents/cap-4-55846577e4f64.html

http://documents.tips/documents/cap-4-55846577e4f64.html

[10]https://www.supermagnete.de/data_table.php

https://www.supermagnete.de/data_table.php

[11]https://www.supermagnete.it/data_table.php

https://www.supermagnete.it/data_table.php

[12]http://documents.tips/documents/54275825-masini-electrice.html

http://documents.tips/documents/54275825-masini-electrice.html

[13]Livinti, P. – „Electrotehnica si masini electrice” , Bacau, 2003

[14]Biro K.A., Viorel I.A., Syabo L., Henneberger G. “Mașini electrice speciale ”, Editura MEDIAMIRA, Cluj-Napoca, 2005

[15]Galan Nicolae, Ghita Constantin, Cistelecan Mihai-„Masini Electrice”

Editura didactica si pedagogica-Bucuresti, 1981