Mașini și acționări electrice

Capitolul 1

Introducere

1.1 Instalaţii şi sisteme de acţionări cu maşini electrice în economie

Sistemele de producere a energiei electrice în centralele electrice, prin conversie din

energie mecanică, modificarea parametrilor energiei produse pentru a fi transportată prin

reţelele de distribuţie, cât şi utilizarea ei în diverse sisteme de acţionări se bazează pe

funcţionarea maşinilor electrice.

In centralele electrice sunt utilizate generatoarele sincrone pentru conversia energiei

mecanice în energie electrică, generatoarele de curent continuu ca surse independente de

tensiune continuă, motoarele asincrone pentru servicii auxiliare, transformatoarele electrice

pentru creşterea tensiunii de la nivelul la care se produce energia (ordinul zecilor de kV) la

nivelul de transport (ordinul sutelor de kV).

Utilizatorii energiei electrice sunt toate ramurile economiei, cu precădere industria şi

transporturile, care utilizează cele mai variate tipuri de motoare electrice. Acţionărilor cu

motoare electrice le revin aproximativ două treimi din consumul total de energie electrică în

economie, restul fiind destinat încălzirii, iluminatului şi unor procese tehnologice în

metalurgie şi chimie.

O clasificare a maşinilor electrice se poate face ţinând seama de tipul reţelei în care

funcţionează; astfel, există maşini de curent alternativ mono şi trifazate (maşinile asincrone,

sincrone şi transformatoarele) şi maşini de curent continuu.

Industria producătoare de maşini electrice din ţara noastră este foarte puternică şi

acoperă toată gama de tipuri şi tipodimensiuni necesare consumului intern. Există, de

asemenea, producţie specifică pentru export.

1.2 Elemente constructive generale ale maşinilor electrice. Materiale electrotehnice

Prin “maşini electrice” se numeşte, în general, categoria maşinilor electrice rotative,

existente într-o mare varietate de soluţii constructive şi care aplică diverse principii de

funcţionare. Ca elemente constructive comune, maşinile electrice rotative prezintă cele două

armături feromagnetice, una fixă, statorul şi cealaltă mobilă, rotorul, dispuse coaxial şi aflate

în mişcare relativă de rotaţie, una în raport cu cealaltă.

Tot în categoria maşinilor electrice mai sunt incluse atât construcţiile statice

(transformatoare, autotransformatoare, bobine de reactanţă, amplificatoare magnetice, etc.),

cât şi maşinile cu armături mobile, dar executând deplasări liniare (motoarele liniare); aceasta

pentru că apar multe similitudini în privinţa materialelor şi principiilor constructive utilizate,

iar uneori se pot face legaturi si intre principiile lor de funcţionare.

Materialele de bază în construcţia maşinilor electrice sunt:

* Materialele conductoare: cuprul şi aluminiul, utilizate pentru realizarea

înfăşurărilor, sub formă de conductoare trefilate şi mai rar sub formă de folie, sau pentru

realizarea unor elemente constructive cum ar fi bornele de alamă, sau elemente specifice

anumitor tipuri de maşini, de exemplu colectorul la maşina de curent continuu.

* Materialele feromagnetice: oţelul electrotehnic laminat la cald sau la rece, cu

conţinut de siliciu controlat : (1,8...2,9)% pentru maşini rotative şi (3...4,5) % pentru maşinile

statice; se prezintă sub formă de tole, izolate între ele, având grosimi de (0,2...0,5) mm, după

2 M.Morega, MAŞINI ELECTRICE

condiţiile de utilizare. Tot din categoria materialelor magnetice fac parte magneţii permanenţi

şi feritele. Aceste materiale se utilizează în construcţia armăturilor feromagnetice. Proprietatea

de feromagnetism, care explică preferinţa constructorilor pentru utilizarea acestor materiale,

este prezentată în Anexa IV. Pentru elementele de consolidare mecanică şi protecţie a părţilor

active se utilizează oţelul obişnuit.

* Materialele izolante: sunt alese în acord cu clasa de izolaţie a maşinii respective

(vezi Anexa V) şi au rol de mediu dielectric, de consolidare mecanică a părţilor conductoare

(sub formă de pene, distanţoare, etc.), cât şi în evacuarea căldurii rezultată în părţile active în

timpul funcţionării.

1.3 Caracterizare generală a regimurilor de funcţionare a maşinilor electrice

Maşina electrică rotativă, funcţionând într-o instalaţie, are rolul de a converti lucrul

mecanic în energie electrică, sau invers, cu un consum energetic propriu, pentru acoperirea

pierderilor inerente funcţionării. Astfel, sunt posibile trei regimuri de funcţionare, ce se

caracterizează prin modul de transmitere a puterii active la nivelul maşinii (fig. 1.1):

- regimul de motor - maşina primeşte putere

electrică (la borne) şi produce putere

mecanică (la ax);

- regimul de generator - maşina primeşte

putere mecanică (la ax) şi produce putere

electrică (la borne);

- regimul de frână - maşina primeşte putere

electrică şi mecanică, consumând totul sub

formă de pierderi; întreaga energie primită

este transformată în căldură şi se produce un

cuplu electromagnetic opus mişcării, care

frânează rotorul.

Fig. 1.1 Conversia energetică specifică

regimurilor de funcţionare ale maşinilor electrice

Toate maşinile rotative pot funcţiona în regim de motor şi de generator şi sunt de

asemenea reversibile referitor la aceste două regimuri, în timp ce regimul de frână nu este

posibil pentru toate tipurile de maşini (exemplu: maşina sincronă nu are regim de frână).

In oricare dintre regimurile prezentate funcţionarea maşinii se face cu un consum

propriu de energie. O parte din puterea absorbită se transformă în pierderi, categoriile

principale fiind: pierderi de tip Joule în materialele conductoare (în principal în înfăşurări),

pierderi prin curenţi turbionari şi histerezis în materialele feromagnetice (miezuri), pierderi

mecanice de frecare şi ventilaţie în părţile mobile (lagăre, perii - inele, perii - colector,

sistemul de ventilaţie). Aceste pierderi afectează randamentul maşinii, care uzual se situează

în intervalul 0,6...0,95. (Pentru detalii vezi şi Anexa IV).

1.4 Elemente generale ale unui sistem de acţionare cu motor electric

Forma cea mai comodă şi economică de obţinere a lucrului mecanic este prin

conversia energiei electrice, prin intermediul unui motor electric, iar consumul de energie

electrică în sistemul economic al unei ţări (consum datorat în cea mai mare parte acţionărilor

electrice) este un indice al nivelului de civilizaţie respectiv. Dintre domeniile cu cea mai largă

aplicare a acţionărilor electrice se disting: acţionarea maşinilor unelte, acţionarea roboţilor

industriali (linii tehnologice automate ca de ex. în industria automobilistică), coordonarea

unor procese tehnologice în chimie sau metalurgie şi nu în ultimul rând, domeniul