Stand experimental pentru studiul impactului acțion ărilor [628489]

Stand experimental pentru studiul impactului acțion ărilor
electrice moderne asupra motoarelor asincrone
(Experimental Stand for Studying the Impact of Mode rn Electrical Drives on Asynchronous Motors)
(Full text in Romanian)
Laurențiu CIUFU 1, Mihai)Octavian POPESCU 1
1Politehnica University of Bucharest, Splaiul Indepe ndenței, nr. 313, 060042, București, România
Abstract
Asynchronous motors are present in more than 70 % o f the industry applications, being used in almost a ll water recirculation
loops and in air ventilation systems. Many of them were specially designed for these processes and cur rently have more than
30 years of continuous operation, thanks to their p roven reliability and their recirculation system’s dependence to drive at
specific operating parameters. The evolution of tec hnology has allowed the industry to use them in a w ider frame by varying
the nominal speed according to the supply voltage f requency, although they were designed to be driven at constant speed.
The worldwide energy efficiency programme based on energy reduction has been promoted this concept in the past years and
as a consequence almost all processes where variabl e flow is needed have the above)mentioned ensemble as a default
electrical drive. Starting from this context, a cou ple of important questions have arisen: what is the impact of this
transformation on the quality of the voltage and cu rrent at the motor terminals? Furthermore, is it ha rmful for the motor
normal functionality? Could this technology shorten its lifetime operation or/ and affect any other su rrounding equipment. To
be able to answer these questions and observe these conditions an experimental setup must be build and put into action. Thus,
in this paper an experimental stand for studying th e impact of modern electrical drives on three phase asynchronous motors is
presented. For analysing the parameters state)of)th e)art measurement equipment is used. The results ob tained by a series of
measurements prove that using a static frequency co nverter to supply a motor at nominal frequency of 5 0Hz, and also below
and above this set point, generates a level of harm onics, more accentuated in the current sinusoidal w aveform. These
perturbations can generate motor to overheat and im pair his lifespan during time.
Keywords: Experimental stand, electrical drive, asynchronous motor, frequency converter, harmonics.
Received: Month, day, 2016
To cite this article:
CIUFU L., POPESCU M.)O., „Stand experimental pentru studiul impactului acționărilor electrice moderne asupra motoarelor
asincrone” (Experimental Stand for Studying the Imp act of Modern Electrical Drives on Asynchronous Mot ors), in Electrotehnica,
Electronica, Automatica (EEA) , 2016, vol. 64, no. 4, pp. 59)65, ISSN 1582)5175.

1. Introducere
Motoarele asincrone trifazate sunt prezente în pest e
70% din aplicațiile industriale, fiind utilizate în aproape
toate buclele de recirculare apă și sisteme de vent ilație
[1]. Multe dintre acestea au fost proiectate specia l pentru
aceste procese și au în prezent peste 30 de ani de
exploatare continuă mulțumită fiabilității dovedite
precum și de dependența sistemelor de recirculare d e a fi
antrenate de către acestea la parametrii specifici de
funcționare.
Evoluția tehnologică a permis sectorului industrial să
utilizeze acest tip de motor într)un cadru mult mai extins,
prin variația turației nominale în funcție de frecv ența
tensiunii de alimentare, cu toate că acestea au fos t
gândite inițial să funcționeze la turație constantă . [2]
Încălzirea globală și creșterea alarmantă a cotelor de
dioxid de carbon [3] a determinat consiliul europea n să
emită o directivă prin care să se aibă în vedere re ducerea
cu 20 % a consumului de energie.[4] Acest concept d e
eficientizare energetică a promovat de)a lungul tim pului
utilizarea turației variabile la toate procesele ca re
necesită un debit variabil [5], drept consecință ac est
ansamblul a fost implementat ca o soluție la cheie [6] sub
formă de acționare electrică destinată motoarelor
asincrone cu rotorul în scurtcircuit. [7]
Plecând de la acest context, o serie de întrebări a u
luat naștere și încă continuă să nu aibă un răspuns concret: − care este impactul acestei transformări asupra
calității tensiunii și curentului de la bornele
motoarelor?
− este oare dăunătoare această tehnologie asupra
funcționării normale a motorului?
− poate această “intermediere” a alimentării motorulu i
să scadă durata de viață a motorului?
− pe lângă calitatea energiei furnizate la bornele
motorului, poate acest tip de tehnologie să afectez e
funcționarea corespunzătoare și a echipamentelor
din vecinătatea acestuia?
Pentru a putea răspunde cât mai obiectiv la întrebă rile
de mai sus trebuie simulate și urmărite în timp rea l aceste
condiții. Prin urmare, lucrarea de față prezintă un stand
experimental construit special pentru studiul acțio nărilor
moderne asupra motoarelor asincrone trifazate, care are
capacitatea de a răspunde întrebărilor de mai sus.
2. Materiale și metode
Pentru a simula cât mai fidel acest impact,
experimentele s)au efectuat pe un motor asincron tr ifazat
cu rotorul în scurt circuit de origine românească, fabricat
în anul 1979 de IMEP Pitești și utilizat în cadrul unei
instalații de pompare. Acesta a fost dispus pe un
postament parte a unui stand confecționat din tablă
zincată de 3mm și decupat corespunzător pentru a
dispune echipamentele necesare pornirii, protecției și
reglării turației acestuia. Adițional, a fost ampla sat un

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4
60
analizor de rețea trifazat de ultimă generație care are
avantajul unei măsurări la frecvențe sub frecvența
nominală de 50Hz (de ordinul Hz) dar și peste aceas ta,
până la nivelul sutelor de Hz. Interpretarea și ana liza
rezultatelor s)au efectuat prin utilizarea unui lap top.
În fig. 1, este prezentată forma finală a standului
construit special pentru evaluarea impactului menți onat
mai sus.

Figura 1. Imaginea de ansamblu a standului experimental
Componentele principale ale standului sunt
următoarele:
Cheie de comandă pornit / oprit
Această componentă este prima piesă a standului,
reprezentând un comutator cu came bipolar cu rol de a
porni și a opri alimentarea cu tensiune electrică
monofazată a standului experimental.
Centrală de măsură cu transformatoare de curent
Acest echipament are rolul de a efectua măsurători
cât mai precise (prin respectarea standardelor
internaționale în vigoare IEC 61557 [19] și IEC
61052/61053) a puterilor, tensiunilor și a curențil or de
alimentare, a fazorilor, atât pe partea de intrare din
rețea. Scopul acestor măsurători ai parametrilor de
calitate energiei electrice este de a identifica su rsele de
armonici care se pot injecta în rețeaua de alimenta re.
Printre caracteristicile importante ale centralei s e numără
posibilitatea de efectuare a unor măsurători import ante,
cum ar fi: măsura distorsiunii armonice totale (Tot al
Harmonic Distorsion – THD [23]), atât pe tensiune c ât și pe
curent.
Disjunctor magneto&termic pentru protecția motorulu i
Această componentă are rol de protecție magneto)
termică a motorului împotriva curenților de scurt c ircuit
precum și a curenților de suprasarcină ce pot arde
bobinajul statoric al motorului.
Convertor static de frecvență
Componenta studiată în această lucrare, este cea ma i
importantă de altfel din componența standului
experimental, reprezentând echipamentul cu rolul de a
regla turația motorului prin variația frecvenței de
alimentare. Față de metodele clasice de acționare c u
contactoare, utilizarea acestui echipament pentru
comanda motorului asincron trifazat reprezintă o me todă
modernă, care, deși este mai scumpă, oferă o serie de
avantaje esențiale, cum ar fi:
− posibilitatea reglării turației motorului, în limit e largi;
− eliminarea șocului mecanic și de curent la pornire,
concomitent cu asigurarea unui cuplu de pornire
suficient de mare;
− posibilitatea frânării rapide a motorului;
− importante economii de energie;
− posibilitatea integrării motorului într)o buclă de
reglare automată;
− realizarea rapidă a conexiunilor electrice și puner ea
în funcțiune a aplicației într)un timp foarte scurt ;
− protecția motorului (termică, sub și supratensiune,
punere la pământ, scurtcircuit, calare rotor etc). [8]

Convertizorul de pe stand are o putere de 0,37 kW,
având următoarele caracteristici tehnice:
− tensiunea de alimentare de la rețea: 1~230 V (limit e
170…264 V);
− tensiune de ieșire (către motor): 3~230 V (<=cu
tensiunea de alimentare);
− frecvența de intrare: 47)63 Hz;
− frecvența de ieșire: 0–500 Hz;
− curent nominal: 3,3 A la 240VAC și 4 kHz, 3,8 A la
200V, 5 kA;
− curent maxim tranzitoriu: 5A pentru 60 s;
− puterea disipată (radiator): 38 W la sarcină nomina lă;
− profil control motor asincron: cu cuplu constant,
control vectorial cu semnal tip PWM;
− domeniul turației: 1)50;
− frecvența PWM: 4 kHz (ajustabilă 2)16 kHz);
− Supracuplu tranzitoriu: 170…200 % din cuplul
nominal;
− Buclă reglare: regulator frecvență PI;
− Compensare alunecare motor: ajustabilă, automată
indiferent de sarcină, supresibilă;
− comunicație: CANopen, Modbus (RJ45);
− card opțional: Profibus DP, Modbus TCP, Fipio,
DeviceNET, CANopen daisy chain;
− Intrări analogice: 4 (AI1, AI2, AI3);
− Ieșiri analogice: 1;
− Intrări digitale: 6 (LI1)LI6);
− Rampe de accelerare/ decelerare: 0,1)999,9 s;
− grad de protecție: IP20;
− Izolație: între partea de comandă și partea de forț ă;
− Temperatura de lucru: )10 ÷ +50 oC;
− Umiditatea relativă: 95 % fără condens;
− Altitudinea de funcționare la parametrii nominali:
≤1000 m peste nivelul mării;
− Tip protecții:
• termică motor;
• scurt circuit între fazele de ieșire;
• supraîncălzire;
• supracurent;
• pierdere de fază;
• supratensiune și subtensiune.
• Rezistența izolației: >= 500 mOhm la 500 V c.c.
pentru 1 min; [9]
Analizor de rețea
Pentru măsurarea parametrilor electrici la bornele
motorului a fost necesar un analizor de rețea speci al, care
să aibă ca specificație intervalul de frecvență cup rins între
0)60 Hz. Dată fiind natura modulației în amplitudin e la

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4 61
ieșirea din convertizorul de putere, necesitatea un ui
aparat de măsură compatibil (centrala de măsură are
domeniul de măsură 47)60Hz) cu acest interval repre zintă
un considerent cu caracter obligatoriu. Astfel, sta ndul
experimental a fost echipat cu un analizor tip FLUK E 434
care reprezintă un instrument complet, care poate
măsura fiecare parametru al sistemului energetic:
tensiune, curent, frecvență, consum de energie,
dezechilibru și flicker, armonice și interarmonice și poate
captura evenimente ca scăderile și creșterile, efec tele
tranzitorii, întreruperile și schimbările rapide de
tensiune.[11]
Fluke 435 oferă o exactitate pentru tensiune de 0,1 %,
pentru a fi complet în conformitate cu standardul I EC
61000)4)30 Clasa A. Poate înregistra detalii de lun gă
durată, detaliate, configurabile de către utilizato r, și
poate oferi valorile MIN, MAX și AVG pentru până la 100
parametrii pe toate 4 fazele cu un timp de mediere
selectabil până la minim 0,5 secunde. Acesta are 4 canale
care măsoară simultan tensiunea și curentul pentru toate
trei fazele și nulul. Are funcție de autoscalare ce permite
o analiză mai ușoară a evoluției cu scalarea automa tă a
axei verticale iar prin utilizarea acestuia se va p utea folosi
întotdeauna întreg afișajul pentru a vizualiza form ele de
undă. [11]
Motor electric asincron
Motorul utilizat este de origine și tehnologie
românească fabricat în anul 1979 de către Întreprin derea
de Mașini Electrice Pitești (IMEP). Parametrii nomi nali ai
motorului se regăsesc în fig. 2, exact cum reies de pe
plăcuța cu date de identificare.

Figura 2. Parametrii nominali ai motorului asincron utilizat în cadrul
standului experimental
Din punct de vedere constructiv, motorul utilizat î n
cadrul standului este un motor cu tălpi fixe din se ria ASI,
cu rotorul în scurt circuit. Aceasta este cel mai r ăspândit
tip de motor pentru acționări electrice generale da torită
simplității constructive, a robusteții și a costurilor relativ
mici de producție în comparație cu celelalte tipuri de
motoare electrice.
Acesta poate fi încărcat peste sarcina nominală pe
scurt timp cu circa 10%, având capacitatea de a)și regla
singur turația în anumite limite, revenind la turaț ia
nominală.
Acesta este alcătuit dintr)o carcasă de fontă/ alia j de
aluminiu (siluminiu), în care se află bobinajul sta toric
pentru alimentare trifazată în triunghi. Acest bob inaj
este așezat (bobinat) în crestăturile statorice al e
statorului confecționat din tole fero)silicioase fi ind presat
în carcasă.
Rotorul are căile de curent rotorice scurtcircuitat e de
inelele de scurtcircuitare, sprijinindu)se pe lagăr ele cu rulmenți montate în capacele de capăt. Motorul în
scurtcircuit reprezintă cel mai utilizat tip de rot or utilizat
în prezent, având specificul unei singure înfășurăr i din
aluminiu sau cupru dispusă concentric sub forma une i
colivii de veveriță, de unde îi provine și numele. [13]
3. Rezultate
Utilizând echipamentele componente ale standului
experimental au fost realizate o serie de măsurător i
practice care au avut ca scop principal determinare a
indicilor de calitate ai energiei electrice [14], î n scopul
urmăririi și determinării nivelului de perturbații [15] indus
de funcționarea ansamblului acționării electrice
convertizor)motor. Perturbațiile se referă la spect rul și
nivelul de armonici indus în forma de undă a tensiu nii și a
curentului [16] atât la bornele motorului în diferi te
regimuri de funcționare, cât și în amontele convert izorului
static de putere, respectiv în rețeaua electrică de
alimentare.
Determinarea experimentală a indicilor de calitate ai
energiei electrice în amontele convertizorului de
frecvență
Rețeaua de alimentare a standului experimental este
caracterizată ca fiind o rețea cu curent alternativ
monofazată (tensiune 230 Vac) cu o formă de undă a
tensiunii pur sinusoidală, armonicile prezente fiin d în
normele impuse de legislația în vigoare (<8 %). Pen tru
urmărirea perturbațiilor induse în rețea prin utili zarea
convertizorului de putere (cu motorul oprit) au fos t
măsurați parametrii de calitate ai energiei electri ce prin
intermediul analizorului FLUKE 434.
Aceștia sunt prezentați în fig. 3 și 4.

Figura 3. Forma de undă a tensiunii și al curentului electri c pe linia
de alimentare a convertorului de putere cu motorul oprit

a) b)
Figura 4. Spectrul armonic al tensiunilor (a) și curenților electrici (b)
la alimentarea convertorului de putere, cu motorul în gol

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4
62
Se poate observa din fig. 3 și 4 că la tensiunea de
alimentare de 232 Vac convertizorul absoarbe un cur ent
nesinusoidal de circa 200 mA, având un nivel armoni c
cumulat de aprox. 238 % din cea fundamentală, armon icile
semnificative fiind cele impare, cu precădere 3, 5, 7 și 9.
Din punct de vedere al calității energiei, au fost
captați în funcționare normală, la 50 Hz, parametri i
specifici din fig. 5.

a) b) c)
Figura 5. Monitorizarea valorilor medii a parametrilor elect rici U, I,
P și E (a) respectiv puterile electrice absorbite/ injectate
din/ în rețeaua electrică (b), respectiv a armonici lor a
curentului de alimentare (c) a convertizorului stat ic de
putere (50Hz)
Din fig. 5, se poate observa că ansamblul convertor de
putere–motor absoarbe din rețea putere activă P și
aparentă (S) și injectează înapoi în rețea putere r eactivă
Q. Se poate considera astfel că funcționarea ansamb lului
se raportează la Cadranul 4 (regim capacitiv) din s istemul
de coordonate PQ, prezentat în fig.6.

Figura 6. Sistemul de coordonate PQ [18]
Regimul de funcționare este confirmat în fig. 7, ac olo
unde este reprezentat de dispunerea fazorilor (I în ainte de
U cu 7,2 grade), ceea ce rezultă într)un tip de sar cină
capacitivă în care curentul conduce tensiunea (PF l ead).
De asemenea, se mai poate observa că factorul de pu tere
fundamental ( Displacement PF ) este foarte aproape de cel
unitar PF = 0,99, lăsând impresia că receptorul are un
caracter rezistiv. În schimb, factorul de putere ad evărat
(True PF ), care ține seama de prezența armonicilor, este
TPF = 0,55, adică un factor de putere scăzut, specific
consumatorilor cu caracter deformant, de acest tip.
Pentru confirmarea dispunerii fazorilor și încadrar ea
factorului de putere în sistemul de coordonate PQ, au fost
captate datele prezentate în fig. 7, de mai jos.
Figura 7. Dispunerea grafică fazorilor și unghiul polar, res pectiv val.
defazată (displacement)/ rms (true) a factorului de
putere măsurat și încadrarea acestuia în sistemul d e
coordonate PQ la alimentarea convertorului de puter e
Dacă se ia în considerare factorul de putere
fundamental ( Displacement PF ) atunci când motorul este
oprit, receptorul reprezentând doar convertizorul s tatic
de frecvență, acesta are o valoare de PF = 0,34, re spectiv
factorul de putere adevărat ( True PF ) fiind TPF = 0,11,
adică un factor de putere extrem de scăzut, aproape de
0, specific consumatorilor capacitivi cu caracter p uternic
deformant.
Determinarea experimentală a indicilor de calitate ai
energiei electrice în avalul convertizorului de fre cvență
b1) Determinarea experimentală a parametrilor
electrici la bornele motorului, la frecvența de
alimentare nominală de 50 Hz
Pentru determinarea indicilor de calitate ai energi ei
electrice în avalul convertizorului de frecvență, a u fost
dispuse la bornele motorului 3 probe de măsură a
tensiunii, respectiv 3 clampmetre orientate în sens ul de
trecere al curentului electric, de la convertizor s pre
motor. Convertizorul de frecvență produce la ieșire sa
3 tensiuni de circa 230 Vac, variabile ca amplitudi ne și
frecvență. Cu motorul funcționând în gol, au fost
monitorizați, prin intermediul analizorului FLUKE 4 34,
următorii parametrii de calitate ai energiei electr ice
(fig. 8).

Figura 8. Forma de undă a tensiunilor (a), curenților electr ici (b) la
alimentarea motorului în gol și spectrul armonic al
acestora (c) respectiv (d)
Se poate observa din captura a) din fig. 8 că cele trei
forme de undă a tensiunii de alimentare a motorului sunt
modulate în lățime, utilizând tehnologia de comandă de

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4 63
tip PWM (din engleză Pulse Width Modulation ). Formele
undelor urmăresc traiectoria unei unde sinusoidale și sunt
compuse din pulsuri, generate de comutația tiristoa relor
de tip IGBT din partea de inversare a tensiunii din continuu
în alternativ.
La o tensiune medie de circa 237 V, motorul absoarb e
un curent relativ sinusoidal, nivelul de armonici î n curent
măsurând un THD i de aprox. 1,9 % din fundamentală.
Acest nivel scăzut determină la urma sa un nivel sc ăzut de
armonici în tensiune, astfel că nivelul de armonici în
tensiune măsoară o distorsiune armonică totală THD u de
doar 2,3 % din fundamentală.
În fig. 9, este prezentat sub formă tabelară distri buția
acestora în funcție de rangul armonicilor impare.

Figura 9. Distorsiunea armonică totală a tensiunii și a cure ntului la
frecvența nominală a rețelei de 50 Hz
b2) Determinarea experimentală a parametrilor
electrici la bornele motorului, la frecvența de
alimentare nominală sub cea nominală de 50 Hz
În acest caz s)a efectuat un set de măsurători cu
frecvența de alimentare a motorului la în intervalu l
descrescător 40 Hz–0 Hz.
Rezultate sunt prezentate în Tabelul 1.
Tabelul 1. Parametrilor electrici la bornele motorului, la fr ecvența
de alimentare nominală sub cea nominală de 50 Hz
Frecv. Umed Imed THD u THD i
40 Hz 206 V 1 A 4,6 %f 2,2 %f
30 Hz 176 V 1 A 3,9 %f 2 %f
20 Hz 139 V 0.9 A 250 %f 43 ,9 %f
10 Hz 73 V 0.9 A 426 %f 64 %f
1 Hz 21 V 0.6 144 %f 69 %f
0 Hz ) ) 228 %f 521 %f

Se poate observa din Tabelul 1 că odată cu scăderea
frecvenței tensiunii de alimentare a motorului (și implicit
a tensiunii conform caracteristicii U/f) nivelul în sumat al
armonicilor începe să crească considerabil, pornind de la
valori ale THD U = 4,6 % f și THD I = 2,2 % f la frecvența de
alimentare de 40 Hz și ajungând la valori ale disto rsiunii
armonice totale de THD U = 426,9 % f respectiv THD I = 64 % f
la frecvența de alimentare de 10 Hz (fig. 10).

Figura 10. Forma de undă a tensiunilor (a), curenților electr ici (b) la
frecvența de 10 Hz și spectrul armonic al acestora (c)
respectiv (d)
Interesant de precizat este valoarea mică a distors iunii
armonice totale THD U la frecvența de alimentare a
motorului de doar 1 Hz, care a fost măsurată ca fii nd de
doar 144 % din fundamentală iar THD I de circa 69 % din
fundamentală, fapt ce denotă că o funcționare la o
frecvență foarte mică este mai puțin perturbatoare față
de exemplu la 10 Hz. De asemenea, s)a constatat
experimental că atunci când motorul este oprit, ten siunea
de alimentare la borne fiind 0 (însă analizorul măs oară o
mică variație a curentului de alimentare), valoarea
distorsiunii armonice totale THD U a fost măsurată ca fiind
circa 228 % din fundamentală iar cea a curentului THD I de
circa 521,8 % din fundamentală. Așadar un regim de
așteptare (standby) se poate considera ca fiind de
nerecomandat în funcționarea acestor tip de
echipamente, fiind considerat a fi puternic deforma nt,
asociat unui regim de funcționare total capacitiv.
b3) Determinarea experimentală a parametrilor
electrici la bornele motorului, la frecvența de
alimentare peste cea nominală de 50 Hz
În acest caz, s)a efectuat un set de măsurători cu
frecvența de alimentare în intervalul crescător 50) 60 Hz.
Rezultatele sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2. Parametrii electrici la bornele motorului, la frec vența de
alimentare peste cea nominală de 50 Hz
Frecv. Umed Imed THD u THD i
50 Hz 238 V 1 A 2,1 %f 1,9 %f
55 Hz 248 V 0,9 A 2,8 %f 2,9 %f
60 Hz 203 V 0,8 A 2,8 %f 2,9 %f

Se poate observa din tabelul de mai sus că odată cu
creșterea frecvenței tensiunii de alimentare a moto rului
(și implicit a tensiunii conform caracteristicii U/ f)
armonicile multiple de 3 și cele impare rămân pract ic
aceleași, cu valori ale distorsiunii armonice total e de
THD U = 2,8 % f și, respectiv, THD I = 2,9 % f indiferent de
frecvența de alimentare de 55Hz sau 60 Hz, singura
diferență notabilă fiind apariția dezechilibrului t ensiunii
de alimentare pe faze la frecvența de alimentare de 60 Hz
(fig. 11).

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4
64

Figura 11. Forma de undă a tensiunilor (a), curenților electr ici (b) la
alimentarea motorului cu frecvența de 60Hz și spect rul
armonic al acestora (c) respectiv (d)
4. Discuții privind rezultatele obținute
Înainte de toate, trebuie specificată natura
deformantă a convertizoarelor statice de frecvență.
Acestea, asemenea echipamentelor care fac o conver sie
a tensiunii alternative într)o tensiune continuă, s unt
recunoscute pentru nivelul de armonici generat în r ețeaua
de alimentare, în special cele în curent. Motoarele
alimentate de acestea nu fac excepție, fiind la rân dul lor
supuse unui nivel de armonici în curent și tensiune , în
special la funcționarea la frecvențe sub cea nomina lă de
50 Hz. Armonicile reprezintă multipli ai fundamenta lei de
50 Hz și au ca efect distorsionarea formei de undă
sinusoidale a tensiunii și a curentului prin însuma rea
acestora. Armonicile în curent sunt cauzate de sarc inile
nelineare conectate la rețea, în cazul nostru conve rtizorul
de frecvență, curentul absorbit neavând aceeași for mă de
undă ca tensiunea de alimentare. Nivelul de armonic i în
curent transferat prin impedanțele sistemului deter mină
armonici în tensiune care distorsionează tensiunea de
alimentare. [23] Valoarea efectivă a mărimilor elec trice
în aceste regimuri deformante este superioară valor ii
efective a fundamentalei respectivei mărimi datorit ă
prezenței armonicilor. Această valoare, denumită va loare
efectivă adevărată ( True RMS ), este egală cu rădăcina
pătrată a sumei pătratelor valorilor efective ale
fundamentalei și tuturor armonicilor. [24]
În sistemele electroenergetice, regimurile deforman te
sunt produse de elemente deformante, care sunt, în
esență, receptoare electrice neliniare, și sunt de regulă
propagate și amplificate prin intermediul rețelelor de
transport și distribuție [15] [24]. Amplitudinea cu renților
armonici introduși către sursa de alimentare de sis temele
moderne de acționare cu turație variabilă cu motoar e
electrice ce au la bază convertizoare statice de pu tere,
poate fi aproximată cu relația:
Ih = I1/( h ) 5/ h)1,2 pentru 5< h<31,
unde h reprezintă rangul armonicii.
Aceste armonicii injectate în rețeaua de alimentare
deformează unda de tensiune, sub forma unor ancoșe de
comutație, care afectează funcționarea altor consum atori
racordați la aceeași sursă de alimentare.[25]
Dacă privim rezultatele obținute în amontele
alimentării convertorului de putere, respectiv pe p artea
de alimentare din rețeaua electrică, se poate obser va că
tensiunea de alimentare a convertizorului static de
frecvență are o formă de variație sinusoidală, armo nica
reprezentativă a acesteia fiind cea fundamentală,
distorsiunea armonică totală fiind THD U = 1,3 %, fiind în
limitele impuse <8 %. [17] Nu același lucru se poate spune și despre distorsiu nea
armonică totală a curentului THD i, acolo unde curentul
electric absorbit de convertizorul static de frecve nță din
linia de alimentare nu este nesinusoidal, armonicil e
reprezentative ale acestuia fiind cele multiplu de trei (a
3)a și a 9)a) și armonicile impare (a 5)a, a 7)a, a 11)a, a
13)a etc). Distorsiunea armonică totală a curentulu i
absorbit din rețea este THD I = 237,2 % cu motorul oprit,
valoare ce nu se încadrează în normele impuse de
legislația în vigoare, iar pentru corecția acestuia sunt
necesare diverse tehnici de reducere, prin diverse metode
de filtrare sau compensare.
Filtrele se împart, în funcție de tipul constructiv , în
filtre pasive, filtre active și filtre hibride. În funcție de
modul lor de conectare în circuitele electrice se î mpart în
filtre serie, paralel sau mixte. [26]
În cazul de față se poate controla distorsiunea
armonică pe curent prin utilizarea uneia sau a mai multor
bobine de reactanță, înseriate pe liniile de alimen tare, în
amonte de convertizor. Bobina de reactanță, având u n
pronunțat caracter inductiv, nu modifică componenta
activă a curentului absorbit de sarcinile neliniare și
conduce astfel la o diminuare a conținutului de arm onici
conținut.
Dacă privim în avalul convertorului static de puter e,
respectiv pe partea de alimentare trifazată la born ele
motorului, din analiza formei de undă a tensiunilor și al
curenților electrici din fig. 8)11 cu motorul funcț ionând la
frecvența nominală de 50 Hz, se poate observa că
tensiunea de alimentare a convertizorului static de
frecvență are o formă de variație relativ sinusoida lă,
aceasta fiind simulată modulată în amplitudine,
distorsiunea armonică totală fiind THD U = 2,1 % din
fundamentală. Curentul electric absorbit de convert izorul
static de frecvență din linia de alimentare este re lativ
sinusoidal, armonicile reprezentative ale acestuia fiind
cele multiplu de trei (a 3)a și a 9)a) și armonicil e impare
(a 5)a, a 7)a, a 11)a, a 13)a etc). Distorsiunea ar monică
totală a curentului absorbit din rețea este THD I = 1,9 % din
fundamentală. Atât THD U cât și THD I sunt sub limitele
impuse de legislația în vigoare.
5. Concluzii
Lucrarea de față prezintă un stand experimental
construit pentru studiul acționărilor moderne asupr a
motoarelor asincrone trifazate. În acest sens au fo st
elaborate o serie de măsurători privind valoarea ef ectivă
adevărate a tensiunii respectiv a curentului electr ic,
amplitudinea și ponderea armonicilor tensiunii, res pectiv
curentului electric, coeficientul total de distorsi une,
factorul de putere fundamental, factorul de putere
adevărat, puterile electrice activă, reactivă și ap arentă
absorbite din rețeaua de alimentare/ convertizor de
frecvență.
Setul de măsurători obținut se raportează atât la
partea de alimentare din rețeaua electrică, cât și la
partea de alimentare a motorului, respectiv la born ele
acestuia. Rezultatele obținute confirmă prezența
armonicilor în formele de undă ale tensiunilor și c urenților
de alimentare sub frecvența nominală de 50 Hz, în c azul
utilizării unui convertor static de putere pentru v ariația
turației motoarelor asincrone trifazate cu caracter istica
U/f și modulație PWM. Aceste armonici înregistrate se
raportează unui regim de funcționare deformant și s unt

ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 2016, vol. 64, no. 4 65
multipli ai armonicii fundamentale de 50 Hz, putând cauza
echipamentelor sensibile din vecinătate diverse
perturbații în funcționarea acestora.
De asemenea, pot provoca motoarelor alimentate din
aval încălziri suplimentare și zgomote, contribuind astfel
la scăderea duratei de viață a acestora. [20] În ac est caz,
sunt necesare măsuri suplimentare corective, în sco pul
atenuării sau filtrării acestora, iar în acest sens , trebuie
avute în vedere montarea unor filtre active și/sau pasive,
respectiv a unei bobine de reactanță. Filtrul pasiv asigură
filtrarea armonicilor principale (de exemplu, armon ica de
rang 5), iar filtrul activ, determinat de exactitat ea și
dinamica sa, asigură filtrarea celorlalte armonici. [21] Se
pot considera, de asemenea, ca soluție la cheie fil trele
hibride, acestea reprezentând soluția cea mai econo mică
de pe piața de profil.[22]
6. References
[1] J. BARGMEYER et al., DANFOSS–HANDBOOK Frequency
Converters, Facts Worth Knowing about Frequency Con verters ,
DKDD. PM.403.A3.02, December 2014.
[2] DIMITRIE A., O. HRUBARU, Static frequency convertors
applications , Ed. Tehnică, Bucharest, 1989.
[3] L. CIUFU, M.O. POPESCU, „Nuclear Power Plants Elect rical
Retrofitting for Cost Effectiveness, Reliability an d Operating
Efficiency”, Proceedings of the 9th Annual International
Conference on Sustainable Development through Nucle ar
Research and Education NUCLEAR 2016”, 18)20 May 2016,
Mioveni, România, ISSN: 2066)2955.
[4] Official Journal of European Union, Directive 2012/ 27/ UE of
European Parliament and of the Council , L315/1 – L315/56, 25
October 2012.
[5] L. CIUFU, M.O. POPESCU, „Introducing Energy Efficie ncy in
Nuclear Power Plants by using Variable Medium Volta ge
Frequency Drives”, The 9th International Symposium
on Advanced Topics in Electrical Engineering Bucharest, May 7)
9, 2015, ISSN: 2068)7966.
[6] HARSHMAN M., „Variable)Frequency Drives Upgrade Rea ctor
Circulating Pumps”, in PowerMAG , 2010.
[7] L. CIUFU, M.O. POPESCU, „Current Harmonics Analysis of a PWM
Variable Frequency Drive designed for a Medium Volt age
Asynchronous Motor”, Electrotehnică, Electronică, Automatică
(EEA) , vol. 64, no.1, 2016, ISSN: 1582)5175.
[8] I. FĂGĂRĂȘAN, G. STAMATESCU, I. DUMITRU, N. ARGHIRA et al,
Electrical and electronic drives and electric motor s , ConsPress,
Bucharest, 2012, ISBN: 978)973)100)224)8.
[9] SCHNEIDER ELECTRIC, ATV312H037M3 Product datasheet ,
available at: http://datasheet.octopart.com/ATV312H 037M3)
Schneider)Electric)datasheet)14413071.pdf.
[10] SCHNEIDER ELECTRIC, Altivar 312&Installation manual ,
ATV312_installation_manual_V1, BBV46391, March, 200 9.
[11] FLUKE 434, Technical specifications , available at:
http://www.eamc.ro/analizor)trifazat)calitatea)ener giei)
electrice)fluke)434.html
[12] Internet source: Hausmeister, Electric Machines , available
online: http://mesterucasei.com/category/masini)ele ctrice/
[13] SANKARAN, Power Quality , CRC Press 2002, eBook ISBN: 978)1)
4200)4102)6.
[14] STANDARD EN 50160, Voltage Characteristics in Public
Distribution Systems , available at: http://www.copperinfo.
co.uk/power)quality/downloads/pqug/542)standard)en) 50160)
voltage)characteristics)in.pdf [15] IEEE STANDARD 519)1992, IEEE Recommended Practices and
Requirements for Harmonic Control in Electrical Pow er Systems ,
available at: https://standards.ieee.org/findstds/s tandard/519)
1992.html.
[16] GOLOGANOV IONESCU CARMEN, The measurement of electr ical
parameters the electro)power system, p. 1068, Ed. A cademiei
and Ed. AGIR, Bucharest, 2009.
[17] SCHNEIDER ELECTRIC, PowerLogic™ PM5500 series user manual ,
HRB1684301)01, December 2013.
[18] ***IEC 61557)15:2014, Electrical safety in low voltage
distribution systems up to 1000 V a.c. and 1500 V d .c ., available
at: https://webstore.iec.ch/publication/5574
[19] SCHNEIDER ELECTRIC, Electrical Installation Guide , Chapter K:
„Power Factor Improvement and harmonic filtering” & Chapter
L: „Detection and filtering of Harmonics”, 2005.
[20] S. KARVE, Electric Power Quality – Applicative Guide ,
“Harmonics – Active Filters”, Romanian Power Engine ers Society,
June 2003, available at: http://www.sier.ro/ghid_ap licare.html
[21] S. FASSBINDER, Electric Power Quality – Applicative Guide,
“Harmonics –Passive Filters”, Romanian Power Engine ers
Society, June 2003, available at: http://www.sier.r o
/Articolul_3_3_1.pdf
[22] D. SHMILOVITZ, „On the definition of THD and its ef fect on
measurement interpretation”, IEEE Transactions on Power
Delivery , (Vol 20, Issue 1), 2005, ISSN: 0885)8977.
[23] SCHNEIDER ELECTRIC INDUSTRIES SAS, Harmonic mitigation &
Solution Handbook , SLTED109014EN, August 2012, France.
[24] A. IATAN, Contributions to the study of perturbations generat ed
by motor drives in electrical installations of buil dings , Ph.D.
Thesis, Politehnica University of Bucharest, Doctor al School of
Electrical Engineering, Bucharest, 2012.
[25] I. SORAN, Acționări electrice , vol. II, Politehnica University of
Bucharest, Bucharest, 1989.
[26] W. M. GRADY, Harmonic Power Flow Studies , Ph.D. Thesis,
Purdue University, May, 1983.
Biography
Lauren țiu CIUFU was born in Bucharest
(Romania), on February 21 th , 1985.
He graduated the “Politehnica” University of
Bucharest, Faculty of Power Engineering in
Bucharest (Romania), in 2009.
He received a Master degree in Radioprotection
and Nuclear Safety from the same faculty, in
2011.
He is currently a PhD student at the “Politehnica” University of
Bucharest, Electrical Engineering Faculty (Romania) . His research
interests concern: energy efficiency, electrical po wer engineering
and variable frequency drives techniques.
e)mail : ciufu.laurentiu@gmail.com

Mihai Octavian POPESCU was born in Craiova
(Romania), on November 10 th , 1947.
He graduated the Politehnic Institute of
Bucharest, Electrotechnical Faculty in
Bucharest (Romania), in 1970.
He received the PhD degree (with certificate of
merit) in Electrical Engineering from the
Politehnic Institute of Bucharest, in 1983.
He is currently a honourable Professor at the “Politehnica”
University of Bucharest, Electrical Engineering Fac ult y (Romania).
His research interests concern: electrical equipmen t, static
convertors and variable frequency drives.
e)mail: mihai.octavianpopescu@upb.ro