Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (LIII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (LIII)

În numărul trecut am evidențiat câteva aspecte cantitative și calitative privind proiectarea convertoarelor statice prin prisma integrării acestora în soluții cu eficiență energetică maximă. Pornind de la parametrii convertoarelor statice de putere am reliefat măsurile de reducere a puterii reactive absorbite din rețeaua de alimentare și cele legate de reducerea puterii deformante vehiculate între sursa de alimentare și sarcină. În final am concluzionat cu abordările specialiștilor ICPE ACTEL în stabilirea de soluții competitive privind eficiența energetică a produselor dezvoltate.

Introducere

Unul dintre elementele principale din punct de vedere calitativ și cantitativ pentru un sistem de acționare electrică cu implicații majore asupra eficienței energetice a acestuia, este randamentul global al transferului energetic între sursă și sarcină.

În acest număr voi încerca să evidențiez pe componentele unui sistem de acționare, randamentele și metodele de îmbunătățire ale acestora astfel încât randamentul total al sistemului să fie maxim.

Schema bloc, de principiu, a unui sistem de acționare electrică este prezentată în figura 1, notațiile blocurilor componente fiind după cum urmează:

U1 - convertor ca/cc sau ca/ca sau cc/cc

M - motor electric de curent continuu sau curent alternativ

U2 - transmisie cinematică mecanică

U3 - sarcină (mașină tehnologică de lucru)

Fig. 1

  • Figura 1. Elementele constitutive ale unui sistem de acționare.

Randamentul fiecăruia din elementele constitutive este raportul dintre puterea de ieșire Pke și puterea primită la intrare Pki

Daca randamentele fiecăruia din componentele sistemului de acționare electrică sunt:

Iar randamentul sarcinii se consideră unitar, rezultă că randamentul total ηK este produsul randamentelor ηi

Determinarea randamentului global al unui sistem de acționare presupune cunoașterea randamentelor fiecăruia dintre componente, iar optimizarea acestuia înseamnă de fapt optimizarea randamentului fiecăruia dintre ele.

În ultimul timp există o preocupare tot mai asiduă pentru maximizarea acestor randamente, iar în cele ce urmează voi face un rechizitoriu privind preocupările specialiștilor în general și a celor din structura ICPE ACTEL în acest sens.

Randamentul convertoarelor utilizate în acţionările electrice

În structura unui convertor, indiferent de motorul electric acționat, intră două componente majore:

  • transformator de intrare cu rol de adaptare față de sursa de alimentare și separare galvanică față de aceasta;
  • convertorul propriu zis format din dispozitive semiconductoare de tip diodă, tiristor, tranzistor de putere.

În ultimii ani politicile europene de eficientizare energetică au contribuit major la obținerea unor transformatoare cu randamente superioare, lucruri datorate în special următoarelor considerente:  

  • materiale electrice (conductoare) speciale cu rezistențe interne mici și cu posibilitatea acceptării unor densităti de curent superioare; 
  • materiale electroizolante cu caracteristici superioare privind rigiditatea dielectrică și temperaturile de funcționare ce au permis creșterea claselor de izolație funcționale;
  • materiale magnetice cu caracteristica B=F(H) apte să asigure valorile remanente ale inducției magnetice B și coercitive ale intensității H la nivele ridicate și implicit la pierderi specifice mici;
  • soluții de proiectare optime privind raportul între circuitele electrice și magnetice.

Astăzi, funcție de putere și de încărcarea permanentă a acestor transformatoare, randamentele au crescut simțitor cu câteva procente față de soluțiile clasice cunoscute în literatura de specialitate.

În ceea ce privește paleta de dispozitive semiconductoare apărute în ultimul timp, putem spune că și în acest domeniu sunt progrese importante privind:

  • valorile curenților vehiculati în conducție directă prin ele;
  • valorile tensiunilor inverse repetitive ridicate spre valori care cu greu puteau fi anticipate acum câțiva ani; 
  • frecvențele de comutație ridicate pentru tranzistoarele fabricate azi;
  • soluțiile inventive, gen convertoare rezonante care maximizează transferul energetic în procesul conducției directe.

Toate aceste lucruri au determinat creșterea randamentelor convertoarelor statice de putere la cifre care depășesc în mod frecvent cifra 0,96.

Randamentul maşinilor electrice de acţionare

În general, în funcționarea mașinilor electrice în regim de motor, randamentul acestora este depen-dent de pierderile în părțile active (circuitul electric și cel magnetic) și cele mecanice.

Pierderile în circuitele active se referă la pierderile din miezul feromagnetic (în principal prin histerezis magnetic și prin curenți turbionari) și cele din înfășurările electrice (efect Joule, rezistențe de contact, perii, etc.). Pierderile mecanice sunt legate de frecările din lagăre, dintre perii și colector sau inele, ventilație, etc.)

Expresia randamentului la o mașina electrică în regim de motor este:

Unde:

P- puterea activă absorbită din rețeaua de alimentare

ΣPαi – este suma pierderilor din motor

În general constructorii de mașini electrice oferă caracteristica-randament nominal. În realitate însă, motorul electric nefuncționând în parametrii normali este foarte important să cunoaștem dependența randamentului funcție de încărcarea mașinii.

În utilizarea mașinii în regim de motor, se folosește și se definește un coeficient de încărcare a acesteia:

Unde:

P – este puterea utilă mecanică furnizată la arborele mașinii

PN - este puterea mecanică utilă nominală indicată de constructor

În acest sens, relația 6 devine:

Relația 8 trebuie interpretată prin componenta ΣPαi, care la rându-i nu este constantă, ea depinzând de gradul de încărcare dar nu în totalitate, ci numai printr-o componentă a acesteia.

Ca și în cazul transformatoarelor, din aceleași considerente, progresele din ultimii ani au condus spre o creștere cu câteva procente a mașinilor electrice, preocupările societăților europene fiind legiferate în comercializarea motoarelor electrice cu randamente superioare.

Randamentul transmisiilor mecanice

În aplicațiile industriale, între mașina electrică (motorul electric) și utilajul tehnologic (sarcina) de cele mai multe ori se intercalează un organ de transmisie.

Odată cu apariția convertoarelor cu gamă largă de variație a vitezei de rotație și cu caracteristici mecanice rigide, aceste transmisii au dispărut dar nu în totalitate. Motivele care determină încă necesitatea organelor de transmisie mecanică sunt în principal: 

  • viteza nominală de rotație a motorului este mult mai mare decât viteza de rotație necesară arborelui tehnologic al sarcinii; 
  • protejarea motorului împotriva unor șocuri de sarcină ce pot apărea la arborele tehnologic;
  • reducerea duratei totale a regimurilor tranzitorii de pornire și oprire a sistemelor de acționare cu porniri, opriri, reversări frecvente (laminoare); 
  • precizii ridicate la oprirea unor mașini tehnologice.

Organele de transmisie cele mai utilizate sunt roțile dințate, angrenajele melcate, cuplajele și ambreiajele electromagnetice, curelele și lanțurile de transmisie, etc.

Utilizarea transmisiilor conduce la pierderi de transfer, unele cu caracter constant ce nu depind de sarcina utilă transmisă, iar altele variabile în principal proporționale cu puterea utilă transmisă.

Randamentul total al unei transmisii este:

unde, 

- M2 este cuplul de pierderi la arborele utilajului tehnologic

- Ω2 este viteza unghiulară a arborelui tehnologic;

- M1 este cuplul de pierderi în transmisie redus la arborele motorului electric 

- Ω1 este viteza unghiulară a motorului electric

Dacă notăm raportul de transmisie

Rezultă:

Cum în fișele de catalog ale organelor de transmisie se dau adesea valorile nominale ale randamentelor și în cazul acestora este necesară introducerea factorului de încărcare față de sarcina nominală, evidențiem și în acest caz faptul că randamentul total al unui organ de transmisie este dependent de factorul de încărcare, similar cu ceea ce am aratat la motoarele electrice.

În literatură se precizează tot mai des că randamentul transmisiei mecanice se ia în considerare doar în calculul cuplului static redus la arborele motorului, neglijându-se influența pierderilor din transmisie asupra cuplului dinamic.

Creșterea randamentului total este legată de tehnologia de realizare a organelor de transmisie, de funcționare a acestora în medii în care răcirea este un obiectiv important și în care frecările sunt diminuate semnificativ prin folosirea unor materiale specifice și a unor aplicații statice.

Progresele obținute în domeniul convertoarelor statice au condus la eliminarea totală a organelor de transmisie și în felul acesta s-a obținut maximizarea randamentului la valoarea unitară.

Concluzii

În practica industrială, pornind de la relația 5, astăzi nu se consideră o performanță deosebită un randament total mai mic de 0,93, iar tendințele în viitorul apropiat sunt în direcția obținerii unor randamente apropiate cifrei 0,95.

Obținerea unor randamente mari, implicit obținerea unei eficiențe energetice sporite, depinde foarte mult de progresele cercetărilor în domeniul mașinilor electrice și al semiconductoarelor de putere, al transformatoarelor și nu în ultimul rând în domeniul proiectării de soluții optimizate.

Indiferent dacă beneficiarii unor sisteme de acționare electrică impun prin specificațiile tehnice randamente sporite, preocupările cercetătorilor și al proiectanților trebuie să fie în acord cu politicile europene de obținere a unor performanțe deosebite în acest domeniu.


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.