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

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

În numărul precedent, am evidențiat aspecte legate de dimensionarea protecțiilor utilizate în structura convertoarelor statice de putere, alegerea și dimensionarea componente- lor principale ale unui convertor de putere. S-au trecut în revistă principiile ce se au în vedere în alegerea și dimensionarea ventilelor electrice şi radiatoarelor utilizate pentru răcirea acestora, ale inductanțelor folosite pe partea de curent alternativ și curent continuu și, nu în ultimul rând, ale elementelor ce asigură protecția la suprasarcină, scurtcircuit și supratensiuni ale ventilelor în funcționare. Toate observațiile prezentate în articol sunt legate de optimizarea protecțiilor în dorința de a obține o eficiență energetică maximă în exploatarea convertoarelor statice de putere.

1.Introducere În foarte multe dintre articolele anterioare, am prezentat aspecte legate de dezvoltarea cuplurilor active în relația convertor static de putere-sarcină de tip motor electric. Alegerea convertoarelor, a motoarelor electrice, dimensionarea acestora și a elementelor ajutătoare s-au prezentat prin cele două aspecte pe care societățile specializate în cercetarea, proiectarea și execuția acestor aplicații le au în vedere: eficiența energetică și calitatea energiei vehiculate. În numărul de față, mă voi referi la cuplurile rezistente asociate acționărilor electrice de putere. Cunoașterea acestora, modelarea lor matematică și optimizarea relației cuplu activ-cuplu rezistent reprezintă, cu siguranță, măsuri importante în eficientizarea sistemelor de reglare automată ale proceselor tehnologice în care sunt implicate motoare electrice cu turație variabilă și cuplu controlat.

2. Caracteristicile mecanice ale motoarelor electrice Dincolo de momentul de inerție al unui sistem de acționare de tip motor electric-sarcină aflat în mișcare de rotație cu viteză variabilă, constantă sau zero, cuplurile care intervin în bilanțul energetic al aplicației sunt:

  • cuplu activ, numit de multe ori și cuplu motor;
  • cuplu rezistent, cunoscut și sub titulatura de cuplu static.

Primul tip de cuplu, cel activ, este rezultatul unei conversii a energiei electrice injectate în aplicație în lucru mecanic. Cel de-al doilea (cuplu static) se datorează tuturor forțelor statice (frecare, tăiere, compresie, răsucire, greutate etc.).

Relația cantitativă dintre cele două tipuri de cupluri poate conduce la:

  • viteza constantă pentru ansamblul motor- sarcină, dacă cele două cupluri sunt egale;
  • accelerarea, dacă cuplul motor este mai mare decât cel rezistent;
  • decelerare (frânare), dacă cuplul rezistent este mai mare decât cel motor.

Alegerea oricărui motor, a puterii acestuia, folosirea sa rațională, performanțele dinamice ale ansamblului convertor static-motor au reprezentat abordări anterioare prin prisma caracteristicilor mecanice n = f (M). Din acest punct de vedere, caracteristicile mecanice sunt de trei tipuri, și anume:

  1. Caracteristica derivaţie sau rigidă (figura 1), asociată motoarelor de cc cu excitaţie independentă sau derivaţie.

 

 

 FIGURA 1.

Caracteristica mecanică n=f (M) de tip derivație

Pentru acest tip de caracteristică, panta caracteristicii nu este practic constantă.

 

  1. Caracteristica serie sau moale (figura 2)

 

 

FIGURA 2. Caracteristica mecanică n=f(M) de tip serie

Este o caracteristică pentru motoarele de cc cu excitație serie și care au proprietatea că în relația aproximativă cuplul motor este invers proporțional cu pătratul vitezei de rotație:

 Sau,

 

 Panta caracteristicii este:

 

și depinde foarte mult de sarcină.

 

  1. Caracteristica sincronă (semirigidă) (figura 3) este asociată maşinilor sincrone şi se evidenţiază prin aceea că viteza de rotaţie nu depinde de sarcină.

 

 

  •  FIGURA 3. Caracteristica mecanică n=f(M) sincronă

 

 Este evident că în acest caz:

 

  1. Caracteristicile mecanice ale sarcinii

După cum am amintit, cuplul de sarcină sau cuplul static, sau cuplul rezistent este cel care se opune la axul motorului electric acțiunii cuplului motor și stabilește evoluția vitezei motorului elec­tric.

Deși sunt foarte multe reprezentări ale cuplului rezistent, în funcție de anumiți parametri, în prac­tica industrială sunt cele mai întâlnite următoarele tipuri de caracteristici mecanice: n= f(Mr), Mr= f(α), Mr=f(t), și anume:

 

 

 FIGURA 4. n= f(Mr) de tip independent

 3.1 Cuplul rezistent este independent de turaţie (figura 4)

La acest tip de sarcini, cuplul rezistent este constant, indiferent de turație, iar puterea este proporțională cu turația. Exemple în acest sens sunt podurile rulante, ascensoarele, laminoarele, benzile transportoare etc.

3.2 Cuplul rezistent este dependent de turaţie (figura 5)

Sarcinile de acest tip depind de viteza de rotație după o relație neliniară, în care coeficien­tul k din relația 6 poate avea diverse valori între 0 și o valoare diversă.

 

 

 Mo – este un cuplu rezistent static (la turație

 

 

 

 zero), datorat de exemplu frecării etc.

Mn – cuplu nominal rezistent al sarcinii

k – un coeficient ϵ (o, p)

Exemple în acest sens pot fi:

  • ventilatoare k=3
  • pompe elicoidale: k=1
  •  pompe centrifuge: k=2

 3.3 Cuplul rezistent dependent de unghiul de rotaţie (pompe cu protan, fierăstraie, bielă-manivelă etc.) (figura 6)

 FIGURA 6. Cuplul rezistent, funcție dependentă de unghiul de rotație

 4. Ecuaţia fundamentală a mişcării în relaţia motor electric-sarcină.

Un sistem cinematic format dintr-un motor elec­tric și o sarcină cuplată mecanic de axul motorului își va derula variația energiei cinetice înmagazinate în masele aflate în mișcare după relația matematică care reprezintă ecuația mișcării:

 

unde:

  • J este momentul de inerție al sistemului de mase în mișcare
  • Ma este cuplul activ (cuplul motor)
  • Mr este cuplul rezistent (static)
  • Ω este viteza unghiulară de rotație.

Energia cinetică a sistemului de mase în mișcare este:

Diferența dintre cuplul activ și cel rezistent, numit și cuplu dinamic, poate avea orice valoare reală, diferența conducându-ne spre regimurile de turație constantă accelerare sau decelerare (frânare). Variația energiei cinetice în timp este:

 

Ecuația fundamentală a mișcării a sistemului motor electric-sarcină este dată de relația derivată din formula 7:

Schema structurată a ecuației 10 se poate exemplifica aplicând transformata Laplace relației 7

(figura 7):

FIGURA 7.

Schema structurala a ecuației fundamentale a mișcarii

5. Concluzii

Ne întrebăm firesc ce legătură există între ecuația fundamentală a mișcării și eficiența energetică. Ce legătură este între tipurile de cuplu rezistent sau active și eficiența energetică? Relația 7 ne oferă răspunsul la aceste întrebări, și anume:

5.1 Dacă J dΩ/dt>0, accelerația unghiulară este pozitivă, viteza de rotație crește și din exterior se primește energie mecanică furnizată corpului în mișcare a cărui energie cinetică va crește.

5.2 Dacă J dΩ/dt=0, accelerația unghiulară este nulă și viteza de rotație este constantă. Corpul în mișcare primește tot atâta energie din exterior cât cedează spre exterior, rezultând regimul staționar de funcționare al sistemului.

5.3 Dacă J dΩ/dt<0, accelerația unghiulară este negativă, viteza de rotație descrește și astfel se creează putere mecanică, energia cinetică a sistemului scăzând.

Atâta timp cât în procesele de reglare a vitezei sunt implicate energii importante, stabilirea modelelor matematice cât mai fidel atât pentru mașina electrică, cât și pentru sarcină reprezintă deziderate importante în procesul de proiectare și realizare al sistemelor de reglare automată a turației folosind convertoare statice de putere.


Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL


 


Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

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.


Da, sunt de acord