Mașini electrice cu comutare statică

MEMORIU JUSTIFICATIV

În industrie, în mod deosebit în ultima vreme, capătă o largă utilizare acţionările electrice cu turaţie variabilă datorită performanţelor tehnice superiore pe care le posedă.

În afara maşinilor de c.c. alimentate la redresoare comandate, se utilizează tot mai frecvent maşinile de c.a. alimentate de la invertoare cu elemente semiconductoare, care permit un reglaj în llimite largi al tensiunii şi frecvenţei de alimentare.

Motoarele de c.c. cu viteză reglabilă şi-au restrâms aria de utilizare datorită prezenţei periilor şi a colectorului mecanic care diminuează fiabilitatea în funcţionare şi constitue un factor de risc, datorită scânteilor ce pot apărea, în situţia utilizării lor in medii inflamabile. S-a impus astfel realizarea unor acţionări cu motoare fără contacte alunecătoare care să posede cel ăuţin performanţele de reglare şi in regim dinamic ale motoarelor de c.c.

În categoria acţionărilor de c.a. cu viteză reglabilă intra şi maşinile electrice cu comutaţie statică (MECS), care îmbină caracteristicile maşinilor sincrone cu cele ale maşinolor de c.c. Utilizarea dispozitivelor cu comutaţie statică asociate maşinilor electrice este indicată în acţionarile electrice in care comutatoarele mecanice introduc deranjamente sau posedă caracterisitici dinamice de performanţe scăzute cum ar fi: în centrle atomoelectrice, tracţiune electrică, industrie textilă, industrie chimică, industria materialelor de construcţie, la acţionări de viteză ridicată. La maşini cu puteri foarte mari şi turaţii reduse, etc.

PRINCIPIUL COMUTAŢIEI STATICE

Un comutator mecanic constă dintr-un sistem de perii care alunecă pe un colector realizat din lamele izolate la care sunt conectate secţiunile unei înfăşurări. La rotirea colectorului în raport cu periile alimentate de la reţea se obţin în secţiunile înfăşurării curenţi de frecvenţă deăendentă de viteza de rotaţie şi de frecvenţa de alimentare, sistemul de mai sus constituind un convertizor de frecvenţă.

Maşina de curent continuu poate fi interpretată ca o maşina sincronă alimentată la frecvenţă variabilă, colectorul realizând o modificare a frecvenţei care este riguros determinată de viteza de rotaţie. Se va arăta cum, pornind de la o construcţie tipică de maşină de curent continuu, se obţin, de fapt, condiţii de funcţionare pentru toate tipurile de maşini electrice.

Se pot astfel combina avantajele maşinii de curent continuu, in special cele referitoare la reglajul vitezei si cuplului în limite largi, cu cele ale maşinilor sincrone, cum ar fi construcţie simplă şi robusteţe, dacă se elimină contactul alunecător perie-colector, a cărui prezenţă nu este acceptată in anumite utilizări.

Fie un colector plasat în statorul unei maşini electrice, deci fix (fig. 3.1.a) pe care alunecă un sistem de perii rotitoare cu viteza de rotaţie Ωp. Periile sunt alimentate în c.a. cu frecvenţa ω's. Dacă pe colector calcă p perechide perii, iar ω's=0 (deci sunt alimantate îm c.c), atunci la rotirea sistemului de perii, secţiunile înfăşurării sunt parcurse de curenţi alternativi, întrucât periile de polarităţi „+”, respectiv „-” îşi schimbă periodic poziţiile în raport cu secţiile alimentate, pulsaţia curenţilor în ănfăşurare fiind p• Ωp. Dacă acelaşi sistem de perii este alimentat de la o sursă de pulsaţie ω's, atunci peste această pulsaţie a curentului se suprapune si cea datorită periilor, încât pulsaţia rezultantă a curenţilor statorici este:

ω's=ω's + p• Ωp

Pe rotor, care se roteşte cu viteza unghiulară Ω, se află o înfăşurare care este alimentată cu un curent de pulsaţie ωr.

Conform teoremei frecvenţelor, condiţia ca această maşină să producă cuplu diferit de zero este:

ωs=±ωr±p•Ω (3.1)

Ţinând seama de relaţia (3.1), condiţia (3.2) este îndeplinită în urmatoarele cazuri particulare:

a) ω's=0 – sistemul de perii este alimentat în c.c., iar dacă ωr=0 – înfaşurarea rotorică este parcursă de c.c., rezultă:

Ωp=±Ω, (3.2)

adică periile şi rotorul trebuie să se rotească cu aceeaşi viteză. Acesta este cazul maşinii de c.c., dar de construcşie inversată, adică se roteşte colierul de perii alimentat în c.c., sincron cu inductorul alimentat de asemenea în c.c., în timp ce înfăşurarea conectată la colector este fixă (fig. 3.1.b). În practică se menţin fixe periile şi inductorul şi se roteşte colectorul împreună cu înfăşurarea indusă, soluţia aceasta fiind adoptată in exclusivitate.

b) ωp=0 – sistemul de perii este fix şi ω's=ωs≠0, iar dacă ωr=0 – înfăşurarea rotorică este alimentată în c.c., rezultă: