Modelarea Numerică a Regimurilor de Funcționare ale Mașinii Asincrone

1. Introducere

Maşinile electrice reprezintă componente de bază ale oricărui sistem electroenergetic. Progresul în industriile de vârf este strâns legat de evoluţia maşinilor electrice, respectiv de peformanţele acestora.

Odată cu dezvoltarea electronicii de putere şi a echipamentelor de calcul, domeniul maşinilor electrice şi aplicaţiile lor industriale au cunoscut o dezvoltare fără precedent, interesul fiind îndreptat către diverse aspecte cum ar fi introducerea metodelor numerice de calcul de câmp pentru calculul mai exact al distribuţiei câmpului magnetic, respectiv pentru predeterminarea parametrilor şi a performanţelor maşinilor în regimuri staţionare sau tranzitorii, dezvoltarea de modele matematice noi utilizate în acţionări electrice tot mai performante, etc.

În ceea ce priveşte activitatea de concepţie în electrotehnică în general şi în domeniul maşinilor electrice în particular, până nu demult se făcea apel la reguli empirice şi la metode bazate pe experienţă şi pe construcţia, respectiv testarea de prototipuri. Concepţia era mai mult o artă decât ştiinţa luării deciziilor în urma analizei fenomenelor în dispozitivul studiat. Ca urmare a schimbărilor fundamentale în structura şi funcţionarea sistemelor a apărut necesitatea revizuirii metodelor tradiţionale de studiu şi concepţie. Considerarea neliniarităţii unor proprietăţi fizice de material, geometriile complexe ale unor structuri, studiul regimurilor tranzitorii etc. au impus metode şi tehnici de concepţie asistată de calculator. Aceste mijloace răspund eficient atât necesităţilor de optimizare a structurilor clasice cât şi acelora de predeterminare a structurilor noi înainte de construcţia unor prototipuri fiabile.

Concepţia asistată de calculator are două efecte pozitive: pe termen scurt, reducerea duratei ciclului idee - prototip - produs şi creşterea productivităţii echipelor de cercetare-proiectare, iar pe termen lung dezvoltarea creativităţii prin posibilitatea experimentării prin simulare numerică a unor idei noi şi încorporarea unor elemente inovatoare în produsele clasice. În cadrul concepţiei asistate calculatorul devine un laborator numeric de construcţie a prototipurilor, fără costurile şi termenele unei execuţii reale. În plus, prin asocierea sistemelor expert, calculatorul devine un partener în luarea deciziilor.

Definirea empirică a unor soluţii sau utilizarea unor modele teoretice simplificatoare implică un anumit număr de prototipuri şi modificări solicitate de birourile de studii, ceea ce înseamnă costuri, timp şi prelungirea considerabilă a dezvoltării unui produs nou. Experienţa marilor firme producătoare de echipamente electrice arată că utilizarea tehnicilor de concepţie asistată de calculator aduce o creştere considerabilă a competitivităţii întreprinderii atât prin acţiunea asupra costurilor şi termenelor cât şi prin multiplicarea posibilităţilor creative ale inginerilor de concepţie.

În particular concepţia şi optimizarea maşinilor electrice prin metode de calcul analitice, poate conduce deseori la rezultate inexacte, soluţiile analitice fiind de regulă asociate unor modele în care numeroasele ipoteze simplificatoare conduc la aproximări grosiere ale structurilor reale. În acest context tendinţa actuală în proiectarea maşinilor electrice urmează tendinţa generală în domeniul proiectării echipamentelor complexe de orice tip şi anume de completare sau uneori chiar de înlocuire a metodelor analitice cu metode de calcul numeric, mult mai generale şi mai performante.

Studiul eficient al regimurilor permanente sau tranzitorii specifice maşinilor electrice necesită mai întâi gruparea ecuaţiilor de funcţionare în modele matematice care descriu fidel comportarea maşinii, respectiv tratarea acestora prin metode numerice performante. Modelele matematice caracteristice maşinilor electrice sunt de regulă de tip circuit, de tip câmp, respectiv de tip cuplaj câmp–circuit, ultimele fiind şi cele mai complexe.

Progresul deosebit înregistrat în ultimii ani în ceea ce priveşte performanţele tehnicii de calcul a stimulat utilizarea tot mai frecventă a metodelor numerice de calcul de câmp, care au devenit un mijloc de investigaţie curentă în inginerie electrică. Între metodele numerice de calcul de câmp un loc de frunte îl ocupă fără îndoială Metoda Elementelor Finite (MEF). Numeroase pachete de programe de calcul profesionale bazate pe această metodă numerică permit concepţia şi optimizarea dispozitivelor asistate în întregime de calculator. Prin modelare numerică pot fi tratate eficient probleme de câmp magnetic staţionar, de câmp magnetic cvasistaţionar, de regim tranzitoriu, pot fi considerate neliniarităţile magnetice etc. Se pot determina cu bună precizie anumite mărimi necesare în proiectarea maşinilor, valori ale inducţiei sau ale intensităţii câmpului magnetic în regiuni de interes, pot fi evaluate inductivităţi, fluxuri magnetice, cupluri electromagnetice, temperaturi, influenţe ale dimensiunilor geometrice şi alte aspecte greu de analizat pe cale experimentală sau prin modele empirice .

Scopul acestei lucrări constă în analiza numerică în element finit a regimurilor de funcţionare ale maşinii asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit.

Lucrarea este structurată pe opt capitole şi conţine elemente teoretice, rezultate numerice şi validări experimentale.

Capitolul 1 conţine noţiuni introductive şi prezintă conţinutul lucrării.

Capitolul 2 sintetizează elementele fundamentale caracteristice maşinilor asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit, incluzând printre altele: elemente constructive, principiul de funcţionare, ecuaţii caracteristice etc.

Capitolul 3 este dedicat prezentării chestiunilor fundamentele de abordare numerică a problemelor de câmp prin Metoda Elementelor Finite.

În capitolul 4 sunt analizate modelele numerice de câmp electromagnetic în studiul maşinilor asincrone trifazate.

Capitolul 5 prezintă modelarea regimurilor de functionare ale maşinilor asincrone.

Capitolul 6 cuprinde validarea experimentală a rezultatelor numerice obţinute utilizând pachetul de programe profesional FLUX2D, prin încercări în Laboratorul de Maşini Electrice, al Facultăţii de Inginerie Electrică, utilizând un stand experimental dedicat.

In capitolul 7 sunt prezentate observatiile si concluziile asupra lucrării iar în capitolul 8 este indicată lista referinţelor bibliografice.