curs aen

Introducere în teoria aparatelor şi echipamentelor electrice

CAPITOLUL I

INTRODUCERE ÎN TEORIA APARATELOR ŞI ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

1.1 NOŢIUNI GENERALE

Aparatul este un sistem tehnic care serveşte la efectuarea unor operaţii, la transmiterea sau transformarea energiei dintr-o formă în alta. Aparatul electric este dispozitivul electrotehnic utilizat pentru comutarea, comanda, controlul, precizia şi semnalizarea instalaţiilor electrice.

Echipamentul este un ansamblu de aparate, dispozitive şi mecanisme ale unei instalaţii, maşini ş.a.m.d. căreia îi asigură funcţionarea în parametri normali.

Oricare ar fi funcţia şi destinaţia unui aparat electric sau unui echipament, acesta trebuie să răspundă următoarelor cerinţe:

- să aibă durată mare de funcţionare - să aibă precizie- să posede caracteristici de stabilitate- să aibă gabarit mic- să corespundă prevederilor registrelor de clasificaţie- să fie protejat conform clasei pentru care a fost proiectat- să aibă preţ de cost redus.

În elaborarea lucrării am folosit următoarea terminologie: Tensiune nominală [U N] – este tensiunea de lucru pentru care este

construit aparatul şi care determină caracteristica de funcţionare. Ea este egală sau mai mică decât tensiunea pentru care este prevăzută izolaţia aparatului. Valorile nominale pentru tensiunea de comandă sunt:

a) Curent continuu - 24V; 48V; 110 V; 220 V; 440 V;b) Curent alternativ - 6 V; 24 V; 110 V; 220 V; 380 V; 500 V;

Curentul nominal[I N] - este curentul pentru care aparatul a fost construit să funcţioneze fără a depăşi temperaturile admisibile în regimul său nominal de lucru.

13

[

Frecvenţa nominală a curentului - este frecvenţa pentru care un aparat sau o componentă a acestuia este dimensionată din punct de vedere al funcţionării, conectării şi deconectării.

Curentul limită termic – este valoarea de vârf a curentului pe care un aparat îl poate suporta într-un timp scurt, în poziţia închis, din punct de vedere al solicitărilor electromagnetice, în condiţiile de funcţionare, fără ca temperatura să depăşească limitele admise şi fără a se produce deteriorarea.

Durata relativă de funcţionare – este raportul în procente, între durata de conectare (de lucru) şi durata unui ciclu de funcţionare.

DA [ % ]=tlucru

t pornire+ tlucru+t oprire

∙ 100=t lucru

t ciclu

∙ 100 (1.1)

Durata de viaţă mecanică (rezistenţa la uzură sub sarcină electrică) – este egală cu numărul de cuplări şi decuplări ale aparatului aflat sub tensiune fără a fi necesară înlocuirea unor componente şi fără reparaţii.

Capacitatea de rupere nominală – este egală cu curentul maxim pe care îl poate întrerupe aparatul, fără ca arcul electric să aibă urmări asupra funcţionării aparatului. Acest parametru are următoarele valori: 0- pentru separatoare; I Npentru întreruptoare cu pârghii; (6÷10)I N pentru contactoare; (30÷40)I N pentru întreruptoare automate.

Capacitatea de închidere – este valoarea curentului de închidere posibil în condiţii prescrise de funcţionare. Capacitatea de rupere nominală este mai mică decât capacitea de închidere a unui aparat de conectare.

Creşterea de temperatură – este diferenţa de temperatură a unui aparat între sfârşitul şi începutul procesului de încălzire.

Durata de rupere a arcului electric – este intervalul de timp între începutul duratei de deschidere a contactelor unui aparat de conectare şi sfârşitul duratei arcului.

Gradul de protectie – este reprezentat de permitivitea construcţiei carcasei în care se introduc elementele aparatului electric, în raport cu posibilitatea de pătrundere a corpurilor străine, a apei şi împotriva deteriorărilor mecanice.

Protecţia aparatului este indicată de inscripţia IP urmată de trei cifre, din care prima indică gradul protecţiei contra pătrunderii corpurilor străine, a doua - felul protecţiei contra pătrunderii apei şi a treia - rezistenţa contra deteriorărilor mecanice. Protecţia contra pătrunderilor corpurilor străine este indicată de (prima cifră după simbolul IP), astfel:

0 - fără protecţie contra atingerii şi pătrunderii corpurilor străine;

14


1 - protecţie contra atingerii cu o mare porţiune a mâinii şi contra pătrunderii corpurilor străine mari (cu diametrul peste 50 mm);

2 - protecţie contra atingerii cu degetele şi contra pătrunderii corpurilor străine mijlocii (cu diametrul peste 12,5 mm);

3 - protecţia contra atingerii cu unelte şi contra pătrunderii corpurilor străine mici (cu diametrul peste2,5 mm);

4 - protecţie contra atingerii cu sârmă şi contra pătrunderii corpurilor străine foarte mici (cu diametrul peste 1 mm);

5 - protecţie contra atingerii cu orice fel de mijloace şi protecţie parţială contra pătrunderii prafului;

6 - protecţie completă contra pătrunderii prafului.Protecţie contra pătrunderii lichidelor (a doua cifră după simbolul IP):0 - fără protecţie contra pătrunderii apei;1 - protecţie contra picăturilor de apă condensate căzând pe verticală;2 - protecţie contra picăturilor căzând la un unghi de 15 grade faţă de

verticală;3 - protectia contra picaturilor căzând la un unghi de 45 grade faţă de

verticală;4 - protecţie contra picăturilor din orice direcţie;5 - protecţie contra unui jet de apă aruncat din orice direcţie;6 - protecţie contra valurilor;7 - protecţie contra pătrunderii apei atunci când aparatul este scufundat sub

apă la 1 m adâncime;8 - protecţia contra pătrunderii apei atunci când aparatul este scufundat în apa

la o adâncime mai mare de 1 m, pe baza înţelegerii între producător şi beneficiar.Protecţia contra deteriorărilor mecanice (a treia cifră, după simbolul IP) este

indicată în tabelul 1.1. A treia cifră arată că învelişul aparatului trebuie să reziste la o lovitură dată de un berbec ce face o mişcare de pendul.

Tabelul 1.1: Grade de protecţie in funcţie de rezistenţa mecanică la lovitura de berbec

A Masa berbecului Conditii de loviretreia Înãltimea de Deplasarea pecifrã [ Kg ] cãdere [ m ] orizontalã [ m ]

0 0 0 01 0,15 0,4 0,82 0,5 0,4 0,83 1,5 0,4 0,84 5 0,4 0,85 15 0,4 0,8

15

[

Normativele privind funcţionarea, construcţia şi alegerea aparatelor şi echipamentelor electrice de la bordul navei se referă la capacitatea acestora de a rezista la suprasarcină, la scurtcircuite, dar pentru un anumit timp bine determinat.

Condiţiile de climă şi exploatare în care funcţionează, pe navă, aparatele electrice diferă foarte mult de cele de pe uscat.

Din punct de vedere constructiv, aparatele electrice instalate pe navă prezintă anumite particularităţi impuse de condiţiile specifice de la bordul navei. Aceste condiţii sunt determinate de:

locul de amplasare al aparatului electric; zonele de navigaţie; particularităţile de exploatare, întreţinere şi de microclimat.Privind locurile de amplasare, putem reţine următoarele spaţii: pe punte:

- locuri deschise;- sub acoperiri;- în huse de protecţie.

compartimente ale echipamentelor electromecanice:- maşina principală;- P.C.C. ;

compartimente ( cabine de locuit ); compartimente de uz gospodaresc.Referitor la zonele de navigaţie, aparatura navală, periodic, poate funcţiona: la tropice; în condiţii arctice; la latitudini medii. În ceea ce priveşte particularităţile de exploatare, întreţinere şi microclimat se

poate aminti: aparatele funcţionează în condiţii de vibraţii crescute şi sarcini dinamice

periodice; mecanismele de pe punte funcţionează la diferenţe mari de temperatură

( - 40 C; + 50 C ) şi se află în medii cu umiditate ridicată şi cu concentraţii mari de sare în aer;

aparatele electrice ce funcţionează în compartimentul electromecanic se află într-o atmosferă cu mare concentraţie de vapori a unor produse petroliere, cu pericol de explozie.Trebuie avute în vedere următoarele:

distanţele între bornele contactelor aparatelor de comutaţie se vor alege în aşa fel încât tensiunea electrică să nu strapungă spaţiul dintre acestea (menţinerea în permanenţă a rigidităţii dielectrice a mediului respectiv);

siguranţele fuzibile de la T.P.D si T.D.A, precum şi de la tablourile unor instalaţii acţionate electric trebuie montate astfel încât accesul la ele să se

16


facă uşor, fără pericol şi să nu permită deşurubarea acestora datorită vibraţiilor navei;

la întreruptoarele automate de putere de joasă tensiune, în cazul defectării contactelor de stingere a arcului electric (denivelări proeminente, depuneri de material), înlocuirea elementelor mobile şi fixe să se facă cu scule obişnuite, fără demontarea integrală a aparatului sau a unor subansambluri;

la secţiile T.P.D ce aparţin întreruptoarelor automate, trebuie să existe semnalizări optice pentru:

- resorturi armate;- întreruptor automat anclanşat (închis);- întreruptor automat declanşat (deschis);- întreruptor automat deconectat ca urmare a funcţionării declanşatorului

electromagnetic (stânga, centru, dreapta). la contactoarele electromagnetice de curent alternativ, înlocuirea bobinei de

excitaţie se va face fără demontarea aparatului de pe placa de izolaţie; electromagneţii ce intră în compunerea aparatelor electrice de comutaţie

trebuie să îndeplinească următoarele prevederi:- să permită o funcţionare sigură pentru variaţii de tensiune de serviciu

în limitele ( 85% - 110% ) Us;- la conectare să nu producă sudura elementelor contactelor;- la deconectare să nu provoace deteriorări mecanice prin depărtarea

excesivă a elementelor contactului;- la 85% Us, electromagnetul să asigure o conectare sigură;- bobinele de excitaţie ale electromagnetului să fie inscripţionate la loc

vizibil cu tensiunile respective de alimentare (aceste inscripţii se vor urmări şi pe bornele bobinei de excitaţie).

referitor la funcţionarea controlerelor (utilizate ca dispozitive de comandă şi comutaţie) trebuie să îndeplinească urmatoarele condiţii:

- la dispozitiv să se stabilească cu precizie poziţia “ ZERO “;- maneta controlerului să aibă un indicativ care să se deplaseze pe o

scală gradată, vizualizându-se cele trei poziţii: ZERO, VIRA şi FILA.Condiţii de îndeplinit de reostatele de pornire şi de reglaj ale turaţiei motoarelor de curent continuu:

- când maneta de funcţionare se află pe plotul cu inscripţia ZERO să se întrerupă alimentarea motorului electric;

- poziţia pe diverse ploturi a manetei să fie bine determinată (se realizează în trepte eliminarea unor rezistenţe electrice, acţiune necesară la pornire pentru reducerea curentului electric);

- reostatul trebuie confecţionat în aşa fel încât poziţiile extreme să fie uşor perceptibile, iar deplasarea dincolo de aceste limite să fie inaccesibilă.

17

[

1.2 REALIZAREA UNUI APARAT ELECTRIC

Etapele realizării unui aparat electric sunt următoarele:a. Studiul tehnico-economic permite:

stabilirea unei scheme bloc funcţionale; precizarea unor materiale sau tehnologii necesare fabricaţiei; programarea realizării aparatului sau a asimilării acesteia.

b. Tema de proiectare precizează următoarele elemente ale aparatului: destinaţia şi condiţiile de exploatare; caracteristicile de bază; cerinţele principale constructive şi funcţionale; parametrii garantaţi; standardele şi normele interne în care se încadrează produsul nou (dacă nu există, se elaborează noi standarde sau norme interne); indicatorii tehnico-economici şi de exploatare;

c. Proiectarea electrică presupune realizarea unei scheme bloc care se detaliază. Această proiectare impune cunoaşterea proprietăţilor de circuit ale componentelor şi dispozitivelor electrice şi electronice disponibile, modelarea lor prin circuite simple, constituite din elemente ideale şi abstractizate, precum şi comportarea circuitelor formate din interconexiunea acestor componente şi dispozitive pe baza descrierii matematice a interconexiunilor de modele de componente.

Rezultatul proiectării electrice îl constituie schema electrică de principiu, cu precizarea parametrilor elementelor componente. În vederea optimizării schemei electrice, se realizează studii de laborator pentru unele circuite sau blocuri funcţionale, modele experimentale pe care se fac măsurători interne.

Proiectarea are ca obiective următoarele caracteristici ale aparatului electric:acoperirea unei game largi de preferinţe;consum minim de materiale şi energie;calităţi funcţionale şi estetice;preţuri de cost reduse; fiabilitate ridicată şi mentenabilitate de durată;calităţi ergonomice;utilizarea circuitelor specializate obţinute prin tehnologii de integrare monolitice sau hibride.

La construcţia unui aparat electric se au în vedere următoarele probleme tehnice:1) limitarea la nivele permise a zgomotelor din aparatul proiectat;2) asigurarea unui regim termic uşor, supraîncăzirea ducând la deriva parametrilor

funcţionali şi la scăderea fiabilităţii;3) protecţia la acţiunea agenţilor externi, corespunzători condiţiilor de exploatare,

cum ar fi:

18


umezeala intensifică corodarea metalelor, înrăutăţeşte izolaţia în dielectrici;particulele solide, gazele din atmosfera compartimentului electromecanic al navei, induc fenomene de coroziune (medii chimice); temperaturile scăzute sau ridicate şi variaţiile mari de temperatură; factorii mecanici: vibraţii, şocuri, acceleraţii; factorii biologici: mucegaiuri, ciuperci etc.; factorii zoologici: rozătoare.

4) asigurarea mentenabilităţii prin întreţinere şi depanare uşoară, pentru aceasta fiind necesare următoarele măsuri:

punctele de măsurare şi prereglare să fie uşor accesibile pentru a facilita operaţiile de verificare şi calibrare; toate părţile componente ale aparatului şi echipamentului electric să fie uşor accesibile; reducerea diversităţii elementelor componente (pe cât posibil);

5) asigurarea unei fiabilităţi ridicate;6) respectarea unor criterii ergonomice cu privire la:

operaţiile tehnologice: activităţile executanţilor cu minim de efort;operaţiile de demontare şi întreţinere: principiul accesibilităţii;operţiile de exploatare: diferenţierea prin culoare şi formă a diferitelor butoane de comandă pentru evitarea accidentelor şi greşelilor; realizarea de scheme care să permită urmărirea procesului controlat; utilizarea display-ului color pentru situaţiile specifice navei: de avarie, incendii, abandon, care sunt sonore şi luminoase.

7) asigurarea unor dimensiuni de gabarit, masă şi consumuri energetice cât mai mici.

1.3 MATERIALE FOLOSITE ÎN CONSTRUCŢIA APARATELOR ŞI ECHIPAMENTELOR ELECTRICE

1.3.1 Materiale electroizolante

Cerinţele generale impuse materialelor electroizolante sunt următoarele: 1) proprietăţi electrice bune şi stabile în timp, cum sunt:

- rezistivitate electrică mare, adică rezistenţa de izolaţie mare;- rigiditate dielectrică mare, adică tensiunea de străpungere mare;- permitivitate dielectrică redusă ca valoare, adică capacităţi parazite mici;- pierderi reduse – curenţi de fugă reduşi – tangenta unghiului de pierderi mică.

19

[

2) proprietăţi climatice bune şi stabile în timp şi anume: - termostabilitate ridicată la temperaturile de lipire şi, respectiv, de funcţionare (la lipire, se defineşte o temperatură maximă pentru un interval maxim de timp de exemplu: 230C timp de 10s);- bună conductibilitate termică (în anumite aplicaţii);- absorbţie şi adsorbţie redusă a umidităţii din mediul ambiant;- stabilitate la acţiunea factorilor atmosferici şi chimici.- proprietăţi mecanice bune şi stabile în timp şi anume: rezistenţă bună la îndoire şi la alte eforturi mecanice, atât în timpul prelucrării, cât şi în timpul funcţionării; stabilitate dimensională, atât în timpul prelucrării, cât şi în timpul funcţionării;

3) neinflamabile;4) cost redus. Materialele electroizolante se clasifică, după cum urmează: a) materiale stratificate – pentru suporturi rigide atât în tehnologiile substractive,

cât şi în cele aditive;b) mase plastice termoplaste pentru suporturi rigide sau flexibile;c) suporturi ceramice (rigide);d) folii pentru suporturi flexibile.

Materialele stratificate se fabrică din straturi de hârtie, ţesătură textilă sau din fibre de sticlă, impregnate cu lianţi (răşini) şi tratate termic la presiune ridicată, pentru polimerizarea răşinii. În procesul de fabricaţie a carcaselor şi a diferitelor componente din aparatele şi echipamentele electrice se poate realiza tratamentul termic de polimerizare, iar pentru suporturile placate se depune stratul (straturile) de material conductor.

Masele plastice termoplaste sunt de următoarele tipuri: - folii de poliamide (poliamidice): au proprietăţi termoelectrice foarte bune,

rezistenţă mecanică foarte bună şi o bună aderenţă a placatului de cupru, dar sunt scumpe; au o foarte bună flexibilitate, rază de curbură 0,5 mm;- folii poliesterice: sunt ieftine, dar nu rezistă la temperaturi de peste 230C;

lipirea trebuie făcută cu aliaje cu punct de topire mai mic decât 230C şi foarte rapid;- folii de polietilenă;- folii de polipropilenă.

În tabelul 1.2 sunt prezentate principalele proprietăţi tehnologice ale unor materiale care se folosesc în construcţia aparatelor şi echipamentelor electrice.

Tabelul 1.2Proprietatea materialul

electroizolant

Tipul materialului electroizolantHârtie cu

răşină Hârtie cu

răşină Fibră de sticlă

cu răşină Fibră de sticlă

cu răşină

20


fenolitică epoxidică epoxidică siliconicăRezistenţa la

încălzire105 la 230 C 105 la 230 C 305 la 230 C 105 la 230 C

Temperatura maximă de lucru

105 Cclasă A

120 Cclasă E

150 Cclasă F

180 Cclasă H

Prelucrare mecanică Dificil la receSatisfăcător la

receSatisfăcător la

receNecesită

tehnici specialeRezistenţa de izolaţie

[M] 2⋅105 5⋅105 5⋅105 104

Permitivitate relativă la 1 MHz

4,8 4,5 5,2 3,8

Tangenta unghiului de pierderi la 1 MHz

0,04 0,035 0,02 0,003

Rezistenţa la îndoire [daN/cm2]

1400 1500 4200 1400

1.3.2 Materiale conductoare

Materialele conductoare utilizate în construcţia contactelor electrice, a bobinelor şi a conductoarelor de legătură trebuie să îndeplinească o serie de condiţii:

a) să aibă o conductivitate termică mare, pentru a reduce încălzirea;b)să aibă o conductivitate electrică mare, pentru a avea o rezistenţă de contact mică;c) să fie dure şi să aibă o rezistenţă mecanică mare pentru a rezista şocurilor;d)să nu oxideze şi să reziste la corodare;e) să aibă o temperatură de topire mare şi să nu se înmoaie;f) să fie ieftine şi uşor de prelucrat;g)să fie uşor de întreţinut.

În conductoarele prin care circulă curenţi electrici trebuie ca pierderile de energie să fie cât mai mici. Aceste pierderi sunt proporţionale cu rezistenţa conductorului şi, din această cauză acestea se încălzesc. Rezistenţa conductoarelor metalice creşte cu temperatura. Când conductorul atinge temperaturi mai mari decât cea a mediului, o parte a căldurii este transmisă spaţiului înconjurător, ceea ce are ca efect încetinirea creşterii în continuare a temperaturii.

1.4 ÎNCĂLZIREA CONDUCTOARELOR

Se consideră un circuit – figura 1.1, la bornele căruia acţionează o tensiune alternativă cu valoare efectivă E.

21

[

În circuitul alcătuit din inducţia L şi din rezistenţele R şi r circulă curentul:

(1.2)

Fig.1.1

Pentru ca temperatura să varieze în timp, este necesară o cantitate de căldură proporţională cu unitatea de volum v şi cu căldura specifică a unitaţii de volum a materialului conducător. Prin suprafaţa A a conductorului este disipată o

cantitate de căldură proporţională cu supratemperatura şi cu coeficientul de transmitere a căldurii.

Nu vom considera radiaţia separat, ci o vom include în valoarea

coeficientului . Ecuaţia echilibrului energetic între căldura produsă şi cea disipată este:

(1.3)

Rezistenţa depinde, de asemenea, de temperatură:

(1.4)

De aceea, vom distinge trei cazuri care conduc la soluţii diferite ale

problemei. În raport cu rezistenţa R şi reactanţa , rezistenţa încălzită r poate fi mică, de acelaşi ordin de mărime sau poate fi chiar mare. În domeniul rezistenţelor mici pierderile cresc cu temperatura, în domeniul rezistenţelor medii, ele rămân

22


aproape constante, iar în domeniul rezistenţelor mari, ele scad treptat cu creşterea temperaturii.

Unul şi acelaşi conductor, legat în circuite cu condiţii de alimentare diferite (curent constant, putere constantă şi tensiune constantă), are unul şi acelaşi curent iniţial. Condiţiile de alimentare au o influenţă enormă asupra regimului termic al conductorului, temperaturile finale corespunzătoare fiind mult diferite.

Deoarece rezistenţa unui conductor depinde direct de temperatura sa, iar temperatura este determinată de curent, rezistenţa conductorului depinde indirect de curent. Din cauza capacităţii de încălzire diferite, această dependenţă nu este univoc determinată. Pentru un conductor subţire, constanta de timp a încălzirii este extrem de mică. Starea de echilibru termic se stabileşte repede. Temperatura va urmări orice variaţie a curentului.

În astfel de condiţii, căldura produsă la trecerea curentului va fi imediat disipată prin suprafaţă şi, prin urmare, primul termen al ecuaţiei generale va fi neglijabil. Notând prin e şi i valorile variabile ale tensiunii şi curentului unui astfel de conductor încălzit, ecuaţia transformării energiei, în regim cvasistaţionar este:

(1.5)

Această relaţie nu este valabilă numai pentru curentul continuu, ci şi pentru valorile eficace ale curentului alternativ, dacă perioada acestuia este mai scurtă decât constanta de timp a încălzirii conductorului.

Rezistenţa unui conductor metalic este, conform ecuaţiei:

(1.6)

Prin eliminarea lui din ecuaţiile (1.5) şi (1.6), obţinem:

(1.7)

În ultimul termen, am notat prin:

(1.8)

23

[

curentul critic limită ce nu poate fi depăşit fără distrugerea conductorului.Rezolvând ecuaţia (1.7) în funcţie de e, obţinem tensiunea conductorului:

(1.9)

Deci, când i=I, tensiunea creşte până la . Pe de altă parte, rezistenţa r are valoarea:

(1.10)

care, după cum se vede, depinde în mare măsură de curentul i.Pentru curenţi mici, rezistenţa r variază lent; creşterea devine rapidă în cazul

în care curentul atinge valoarea limită I.Pentru a se accentua acest fenomen într-o măsură considerabilă, este necesar

să se folosească nu numai conductoare (sârme sau benzi) cu dimensiunea b mică, ci si metale cu punct de topire înalt, ca molibdenul, tantalul sau wolframul. La wolfram, rezistenţa poate deveni de 10 ori mai mare sau mai mult, decât rezistenţa la rece în cazul unor curenţi apropiaţi de curentul limită.

1.5 REPREZENTAREA SIMBOLURILOR FOLOSITE PENTRU APARATELE ŞI ECHIPAMENTELE ELECTRICE

Tabelul 1.3Nr. Denumirea semnului convenţional Simbolul1. Curent continuuNr. Denumirea semnului convenţional Simbolul 2. Curent alternativ

3.Comandă electromagnetică (bobină de acţionare)

4. Frână semn general

24


5. Legare la masă

6. Legare la pământ

7. Borne, conexiuni

8. Derivaţie

9. Perie aşezată pe colectorul unui motor electric

10. Rezistenţă11. Condensator. Capacitate

12. Reactanţă. Înfăşurare

13. Transformator

14. Motor de curent continuu

15. Motor asincron trifazat cu rotor în scurt circuit

16. Motor electric cu frână

17. Vană acţionată de motor

18. Motor de curent continuu cu excitaţie în serie

19. Motor de curent continuu cu excitaţie în paralel

20.Motor de curent alternativ cu colector monofazat

21 Motor de curent alternativ cu colector trifazat

22 Priză şi fişă coaxială

Nr. Denumirea semnului convenţional Simbolul

23 Motor sincron

24Motor sincron trifazat, conexiune stea, neutrul nescos

25

[

25 Motor asincron cu rotorul bobinat

26 Motor asincron monofazat, cu colivie

27 Înfăşurare trifazată conexiune în triunghi

28 Înfăşurare trifazată conexiune în stea

29 Înfăşurare trifazată conexiune în zigzag

30 Comandă prin motor electric

31Comandă electromagnetică (bobină de acţionare)

32 Defect cu punere la pământ

33 Defect cu punere la masă

34 Întreruptor pentru înaltă tensiune

35 Întreruptor pentru joasă tensiune

36Întreruptoare cu pâghie în aer, de joasă tensiune (monopolar, bipolar, tripolar )

37 Separator de sarcină cu deschidere automată

38 Priză

39 Fişă

Nr. Denumirea simbolului convenţional Simbolul40

Contactor : a) normal deschis

26


b) normal închis

41Bobină de releu: a) cu o înfăşurare b) cu două înfăşurări

42 Bobină cu releu rapid43 Protecţie maximală de curent44 Pilă electrică sau acumulator

45 Redresor (semn general)

46 Redresor (cu semiconductoare)

47 Redresor comandat (semn general)

48 Redresor comandat (cu semiconductoare)49 Grup redresor (semn general)

50 Grup redresor (cu semiconductoare)

51Siguranţă cu contact de semnalizare a topirii fuzibilului

52 Lampă de semnalizare

53 Casetă de semalizare cu două lămpi

54Indicator de poziţie cu o singură bobină de acţionare

55Indicator de poziţie cu două bobine de acţionare

56 Buzer

57 Hupă

58 Lampă de semnalizare cu pâlpâire

59 Ampermetru indicator

60 Voltmetru indicator

61 Wattmetru indicator

62 Varmetru indicator

Nr. Denumirea simbolului convenţional Simbolul

63 Frecvenţmetru indicator

27

[

64 Transformator cu două înfăşurări separate

65

Transformator trifazat cu două înfăşurări separate, conexiune stea cu punctul neutru accesibil - triunghi

66 Generator de curent continuu

67 Generator sincron trifazat cu conexiune în stea68 Contact normal deschis69 Contact normal închis

70Contact cu temporizare la acţionare (normal deschis şi normal închis)

71Contact cu temporizare la revenire (normal deschis şi normal închis)

72Buton de comandă cu revenire automată (normal deschis şi normal închis)

73Buton fără revenire (normal deschis şi normal închis)

74 Bobină de releu75 Bobină de releu cu temporizare la acţionare76 Bobină de releu cu temporizare la revenire77 Siguranţă fuzibilă78 Sonerie79 Releu maximal de curent80 Releu minimal de tensiune

1.6. CLASIFICAREA APARATELOR DE JOASĂ TENSIUNE

Fiecare aparat prezintă o bogată varietate de tipuri constructive ca urmare a funcţiilor pe care trebuie să le îndeplinească, a condiţiilor de montare, a modului de acţionare şi a gradului de protecţie impus de condiţiile de mediu în care va funcţiona. Principalele aparate întâlnite în domeniul naval sunt:

- Comutatorul este aparatul destinat a modifica prin comutare conexiunile mai multor circuite. Comutatorul stea-triunghi asigură pornirea unui motor trifazat asincron cu rotorul în scurt circuit, care are tensiunea nominală a

28


înfăşurării statorice conectată în triunghi egală cu tensiunea reţelei, legând la reţea trei bobine de fază mai întâi în stea, apoi în triunghi.- Reostatul este aparatul conţinând o rezistenţă variabilă a cărei reglare se

face prin demontarea conexiunilor. Reostatul de excitaţie este destinat a regla curentul de excitaţie a unei maşini. Reostatul de pornire este destinat a limita curentul absorbit în timpul pornirii unei maşini sau a unui aparat şi ale cărui rezistenţe sunt eliminate succesiv. Reostatul pentru reglarea vitezei realizează reglarea turaţiei unui motor.- Transformatorul este un aparat care transmite prin inducţie

electromagnetică statică energie electromagnetică de la unele circuite electrice (primare) la alte circuite (secundare), modificând valorile variabile în timp ale tensiunilor şi curenţilor. Autotransformatorul are circuitele primar şi secundar conectate între ele, înfăşurarea de joasă tensiune fiind o parte din circuitul înfăşurării de înaltă tensiune. Transformatorul de curent are înfăşurarea primară formată din una sau mai multe spire cu secţiune relativ mare, conectată în serie cu circuitul al cărui curent se măsoară; înfăşurarea secundară este alcătuită dintr-un număr mare de spire, cu secţiune relativ mică şi se conecteză în serie cu circuitele aparatelor de măsură ce posedă impedanţă mică (ampermetre, contoare, bobine de curent ale wattmetrelor). Transformatorul de tensiune are înfăşurările formate din conductoare de secţiune relativ mică cu multe spire şi alimentează aparate cu impedanţă mare (voltmetre, contoare, bobine de tensiune ale wattmetrelor) conectate în paralel. Autotransformatorul de pornire se utilizează la pornirea motoarelor electrice pentru a limita valorile ridicate pe care le iau curenţii în momentul comutării din stea în triunghi şi asigură reducerea tensiunii de alimenteare la pornire producând şi scăderea cuplului de pornire.

- Inversorul de sens este un aparat care se utilizează la comanda inversării sensului de rotaţie al motoarelor asincrone trifazate, prin inversarea a două faze.

- Contactorul este un aparat mecanic de conectare având o singură poziţie de repaus, acţionat altfel decât manual, capabil de a închide, de a suporta şi de a rupe curenţii în condiţii normale ale circuitului, inclusiv curenţii de suprasarcină de serviciu. Este destinat unei funcţionări frecvente, fiind capabil să stabilească şi să întrerupă curenţi de scurtcircuit. După poziţia de repaus a contactelor circuitului principal întâlnim: contactor cu contacte normal deschise; contactor cu contacte normal închise (ruptor). Contactorul electromagnetic este un contactor ale cărui elemente mobile părăsesc poziţia de repuas când este alimentată bobina unui electromagnet care acţionează direct asupra mecanismului contactorului. Contactorul electropneumatic este un contactor ale cărui elemente mobile părăsesc poziţia de repaus când se alimentează cu aer comprimat, prin intermediul unei electrovalvule, un dispozitov pneumatic care acţionează asupra mecanismului

29

[

contactorului. Contactorul cu relee conţine relee care provoacă deschiderea automată a contactorului în condiţii prestabilite.

- Siguranţa fuzibilă este un aparat de comutaţie cu întrerupere automată, care protejează circuitele de iluminat şi forţă împotriva efectelor termice şi dinamice produse de curenţii de scurtcircuit şi suprasarcină.

- Releul este un aparat automat, care fiind supus acţiunii unui parametru electric de intrare, realizează variaţia bruscă a mărimii de ieşire la o valoare prestabilită a mărimii de intrare.

- Întreruptorul de putere este un aparat pentru cuplarea la reţea şi protecţia unor motoare şi instalaţii electrice, fiind prevăzut cu capacitatea de închidere şi rupere corespunzătoare condiţiilor de funcţionare ale mecanismelor în regim de lucru şi avarie. Nu este capabil de a deschide curenţi de scurtcircuit, dar îi poate închide. Înteruptorul de linie este un aparat mecanic, de conectare, capabil să închidă, să suporte şi să întrerupă curenţii în condiţii normale ale circuitului, condiţii de suprasarcină în serviciu şi să suporte pe timpul unei durate specificate curenţi de scurtcircuit.

- Întreruptorul automat este un aparat electric cu funcţia de manevră şi protecţie, ce închide, deschide circuitele electrice şi întrerupe funcţionarea acestora în mod automat, când parametrii utilizatorului nu se încadrează în limite admisibile.

- Întrerupătorul este un aparat electric de conectare acţionat manual atât la închiderea cât şi la deschiderea circuitelor electrice, destinat să întrerupă numai curenţi de serviciu mai mici sau cel mult egali cu curentul nominal. Întrerupătorul pachet şi comutatorul pachet sunt aparate de conectare de joasă tensiune, la care piesele de contact sunt dispuse pe discuri suprapuse, fixate pe un ax comun şi prin comutarea lor stabilesc, întrerup şi comută un circuit. Întrerupătorul cu pârghie este caracterizat prin faptul că închiderea şi deschiderea circuitului se obţine cu un contact mobil în formă de braţ de pârghie. Întrerupătorul şi comutatorul cu came diferă de cele pachet prin faptul că pe ax sunt montate nişte came din material izolant care, rotindu-se odată cu axul de acţionare, determină separarea sau apropierea contactelor, faţă de ultimele unde contactul mobil este fixat pe axul de acţionare şi se deplasează odată cu acesta.

- Separatorul este un aparat mecanic de conectare care asigură în poziţia deschisă o distanţă de separare între bornele unui pol, fiind capabil să deschidă şi să închidă un circuit atunci când un curent de intensitate neglijabilă este întrerupt sau atunci când nu se produce nici o schimbare a tensiunii la bornele fiecărui pol. Separatorul de sarcină este prevăzut cu camere de stingere şi este capabil să rupă curentul nominal de scurtcircuit.

- Demarorul este un aparat destinat a realiza pornirea şi accelerarea unei maşini electrice sau punerea în funcţiune a altui aparat electric. Demarorul prin transformator este un demaror statoric pentru un motor de curent alternativ care utilizează pentru pornire tensiuni reduse, luate de la transformator. Demarorul, prin

30


schimbarea numărului de poli, se foloseşte pentru motorul de inducţie ale cărui bobinaje statorice pot fi combinate în moduri diferite, după numărul de poli dorit.

- Prizele şi fişele se utilizează pentru conectarea la reţea a anumitor consumatori mobili. Cuplele sunt prize mobile care au un rol funcţional ca cel al prizelor fixe.

- Butoanele servesc la închiderea circuitelor de sonerie, la comanda întreruptoarelor automate pentru iluminatul navei sau în alte scopuri.

- Lămpile se utilizează pentru semnalizrea luminoasă a poziţiei de funcţionare a aparatelor de comandă, pentru a indica situaţii normale sau anormale din instalaţia supravegheată.

- Hupele se utilizează pentru a semnaliza declanşarea întreruptoarelor automate în caz de scurtcircuit sau în alte situaţii.

- Soneriile se utilizează pentru semnalizarea acustică a diferitelor stări de avarii ce pot surveni la navă.

Aparatele electrice, în funcţie de utilizare, se clasifică conform tabelului 1.4.

Tabelul 1.4Utilizarea aparatului Tipul aparatului Denumirea aparatului

Comanda motoarelor electrice

Manual

Comutator stea-triunghiInversor de sensComutator de poliAutotransformator de pornireReostate de pornire şi reglajReostate de excitaţieControlere

Automat

Contactoare de c.c.Contactoare de c.a.Comutatoare stea-triunghiInversoare de sensComutatoare de poliRelee de timpRelee de protecţie

- de tensiune- de curent

Relee intermediare

Protecţia motoarelor şi reţelelor electrice

Cu înlocuire Siguranţe fuzibile

Cu armare manuală sau

automată

Contactoare cu releeÎntreruptoare automate

31

[

Acţionări

Manuale Butoane CheiÎntreruptoareComutatoare

Automate

MicroîntreruptoareLimitatoareReleeVentileElectromagneţi

SemnalizăriOptice Lămpi

Acustice HupeSonerii

Pentru clasificarea aparatelor electrice de joasă tensiune, care sunt utilizate în domeniul naval, s-au luat în considerare următoarele criterii:

a) după principiul de funcţionare:- aparate electrice cu contacte (comutaţie mecanică);- fără contacte (comutaţie statică).

b) După destinaţie:- de comutaţie (cuplare, decuplare)- de protecţie (protejarea instalaţiilor electrice la fenomene anormale);- de comandă (butoane, chei, controlere);- de pornire şi reglaj (realizează pornirea şi reglarea parametrilor – reostate

de pornire, comutatoare stea-triunghi etc.);- de control (controlează parametrii regimurilor electrice şi neelectrice,

regimurile de funcţionare rescrise ale proceselor, relee, traductoare);- de stabilizare şi amplificare: redresoare, filtre, amplificatoare magnetice.

c) După funcţia pe care o îndeplinesc:- aparate electrice de tensiune;- aparate electrice de curent continuu;- aparate electrice de curent alternativ;- protejate la mediul înconjurător;- neprotejate.

d) După numărul polilor:- monopolare sau bipolare pentru a funcţiona în curent continuu sau curent

alternativ monofazat;- tripolare sau tetrapolare pentru a funcţiona în curent alternativ trifazat.

e) După durata de funcţionare:- permanent;- temporar;

32


- intermitent.f) După felul curentului:

- curent continuu;- curent alternativ – monofazat- trifazat

1.7 SERVICIILE DE FUNCŢIONARE ALE APARATELOR ELECTRICE

La bordul navei, aparatele electrice sunt utilizate în diverse regimuri de funcţionare care influenţează în mod diferit parametrii de funcţionare. Aceşti parametri sunt influenţaţi în mod deosebit de încălzirea aparatului, încălzire care, de multe ori, trece de limitele admisibile impuse pentru diverse componente şi subansamble care intră în componenţa aparatului. Încălzirea aparatelor se datorează efectului Joule - Lenz produs la trecerea curentului electric prin conductoare. La aceasta se adaugă curenţii Foucault produşi în circuite magnetice ale aparatelor electrice de curent alternativ.

1.7.1 Serviciul de funcţionare permanent (de durată)

Funcţionarea aparatului în timp este aşa de mare, încât încălzirea se stabilizează, are o valoare bine determinată (adică în continuare energia termică este cedată numai mediului înconjurător) şi care trebuie să fie mai mică decât temperatura admisibilă prevăzută în prospecte. Exemple de aparate incluse în cadrul unor echipamente electrice de acţionare a aparatelor navale: pompe, ventilatoare, separatoare de combustibil, separatoare de la TPD, etc.

În practică, curentul admisibil reprezentând curentul maxim care poate fi suportat de aparat, corespunzător atingerii temperaturii admisibile, se calculează cu relaţia:

I ad . SP=I N ∙√ θad

θmaxSP

(1.11)

În acest regim este suficient ca valoarea curentului ce trece prin aparat să nu depăşească intensitatea curentului înscrisă pe plăcuţa acestuia.

Protecţia prin relee bimetalice, în cazul serviciului de funcţionare permanent, se realizează astfel încât curentul nominal al releului să fie egal cu curentul nominal al motorului protejat.

33

[

Exemple de temperaturi admisibile pentru o temperatură a mediului ambiant (m.a. = 400C):

Contacte pentru circuite de forţă:- din cupru 550 C

Contacte ce au în zonele de contact pastile din Ag, sau metale ceramice 2000 C.

Contacte alunecatoare cu pastile din Ag 800CLa bornele aparatelor electrice unde conductoarele cu papuci sunt prinse cu

ajutorul şuruburilor:- papuci din cupru şi aliaje, aluminiu şi aliaje fără acoperiri de protecţie 550 C- papuci cu acoperiri de protecţie (cadmiere, cositorire, zincare) 650 C- papuci cu acoperiri de protecţie din argint 950C

Îmbinări elastice din cupru la bornele aparatului 650 CTemperaturi admisibile pentru diverse clase de izolaţie a conductoarelor.

Bobine multistrat din clasele de izolaţie:Y 900C Izolaţii compuse din bumbac, hârtie, mătase,

neimpregnate, neimersate în lichide izolante.A 1050 C Izolaţii compuse din bumbac, hârtie, mătase,

impregnate sau imersate în lichide izolante.E 1200 C Izolaţii sub formă de pelicule (email).

În practică, se calculează un curent admisibil care să nu depăşească temperatura admisibilă.

În cazul încălzirii unui conductor, de secţiune constantă, în regim permanent, facem analiza conform teoriei clasice a încălzirii. Pentru determinarea ecuaţiei curbei de încălzire în regim de durată, se va neglija căderea de temperatură în masa conductorului unde conducţia termică este nulă:

dθdt

= j2⋅ρc⋅ρd

−α⋅l p

c⋅ρd⋅A⋅τ

(1.12) şi cum dθ = dτ avem:

dτ= j2⋅ρc⋅ρd

⋅dt−α⋅lp

c⋅ρd⋅A⋅τ⋅dt

(1.13)

şi ţinând seama de relaţiile:

(1.14)

34


unde

,

sau:

(1.15)

unde

- rezistenţa electrică,

- suprafaţa laterală de cedare a căldurii

- flux termicAvem:

(1.16)

dτ= Pc⋅M

⋅dt− α⋅Sc⋅M

⋅τ⋅dt (1.17)

sau:

P⋅dt−α⋅S⋅τ⋅dt=c⋅M⋅dτ (1.18)

care este legea conservării energiei, după care diferenţa dintre cantitatea de căldură dezvoltată într-un timp dt şi cea evacuată prin suprafaţa conductorului în acelaşi interval de timp trebuie să fie egală cu căldura acumulată în conductor.

În regim staţionar, conform (1.16) avem:

P=α⋅S⋅τ S (1.19) care, introdusă în relaţia (1.18) determină:

α⋅S⋅( τS−τ )⋅dt=c⋅M⋅dτ (1.20)

35

[

Notând:

T= c⋅Mα⋅S [s] (1.21)

constanta termică de timp, se rezolvă ecuaţia (1.20) sub forma:dtT

= dττ S−τ

(1.22. a)

sau:

dττ−τS

=−dtT (1.22.b)

Prin integrare se obţine:

− tT

=ln ( τ−τS )+C (1.23)

Pentru determinarea constantei de integrare C, considerăm că la t = 0, τ=τ0 :

C=−ln ( τ0−τ S ) (1.24)

Înlocuind pe C în (1.23), se obţine:

− tT

=lnτ−τS

τ 0−τS

(1.25.a)

e− t

T =τ−τ S

τ0−τS

(1.25.b)

Ecuaţia de încălzire a conductorului în timp este:

36


τ=τ0⋅e− t

T +τS⋅(1−e− t

T )(1.26)

Dacă în momentul iniţial (t = 0) temperatura conductorului era egală cu temperatura mediului ambiant (θ0 = θa deci τ0 = 0), se obţine legea de variaţie sub forma:

τ=τ S⋅(1−e− t

T ) (1.27)

Curbele de încălzire date de relaţiile (1.26) şi (1.27) sunt reprezentate în fig.1.2 prin curbele a respectiv b, constatându-se că ambele curbe au aceeaşi supratemperatură staţionară τs.

Figura 1.2 – Curba de încălzire a unui conductor conform teoriei clasice a încălzirii

Dacă pe curba de încălzire din fig.1.2 se ia un punct arbitrar H, conform relaţiei (1.22) se poate scrie:

dτdt

=τS−τ

T (1.28)

şi cum din reprezentarea din figură:

(1.29)

37

[

iar AH = τs - τ, rezultă AB = T. Segmentul T, ca subtangentă la curba de încălzire corespunzătoare punctului H, rămâne mereu constant pentru orice poziţie a punctului

pe curbă. Parametrul poate fi luat constant numai dacă α şi c nu depind de temperatură şi, deoarece are dimensiunea unui timp poartă denumirea de constantă termică de timp. Cu ajutorul ei se poate trasa simplu curba de încălzire, aşa cum rezultă din fig.1.3.

Figura.1.3 – Caracteristica de încălzire

Din relaţia (1.27) scrisă sub forma:

ττS

=1−e− t

T

(1.30)

se calculează τ/τs pentru t/T = 0,1,2,3,4, ş.a.m.d. şi se reprezintă punctele corespunzătoare (0,64; 0,86; 0,95; 0,98 etc.) ; având în vedere că subtangent la curbă T = const., se trasează curba încălzirii. Deşi teoretic încălzirea staţionară se atinge după un timp infinit, practic, se constată că regimul staţionar se atinge după aproximativ 4 constante termice de timp.

În cazul corpurilor cu masă mare, încălzirea în regim permanent se atinge după un număr mare de ore (10 - 20). De aceea, pentru a reduce timpul necesar, la determinarea experimentală a curbei de încălzire se foloseşte construcţia prezentată în fig.1.4., care are la bază următoarele considerente:

38


Figura 1.4. - Determinarea grafo-analitică a supratemperaturii staţionare

Relaţia τ=τ S⋅(1−e− t

T ) se derivează:

dτdt

= 1T⋅τ S⋅e

− tT

(1.31)

şi cum din (1.27):

e− t

T =τS−τ

τS (1.32)

rezultă:

dτdt

= 1T⋅( τS−τ )

(1.33)

sau:

τ=τ S−T⋅dτdt (1.34)

39

[

Scriind relaţia (1.34) sub forma:

τ=τ S−T⋅ΔτΔt (1.35)

rezultă că la Δt = constant, τ = f(Δτ) este ecuaţia unei drepte, care taie axa ordonatelor la Δτ = 0, adică τ = τs. Astfel, prin determinarea experimentală a porţiunii OD din curba de încălzire, la intervale de timp egale Δt, se cunosc creşterile de supratemperatură Δτ1; Δτ2; Δτ3, corespunzătoare punctelor A, B, C, pe baza cărora se determină în sistemul de axe τ = f(Δτ) punctele A’, B’ şi C’ şi, ducând dreapta ce uneşte aceste puncte, acolo unde ea intersectează axa coordonatelor, se obţine încălzirea staţionară τs.

Analizăm răcirea conductorului şi plecăm de la ipoteza că într-un conductor s-a atins temperatura staţionară; atunci, întreaga căldură dezvoltată se cedează mediului ambiant. Dacă se întrerupe curentul, încetează dezvoltarea de căldură în conductor (p = 0) şi, din acel moment, începe procesul de răcire, care constă în cedarea căldurii acumulate mediului ambiant. Când temperatura conductorului atinge temperatura mediului ambiant, întreaga cantitate de căldură se consideră complet evacuată.

În teoria clasică a încălzirii, pornind de la ecuaţia bilanţului termic (1.18), în ipoteza P = 0 se obţine:

−c⋅M⋅dτ=α⋅S⋅τ⋅dt (1.36)

sau:

dττ

=−dtT , unde

T= c⋅Mα⋅S (1.37)

şi prin integrare, considerând că la t = 0, τ = τs, rezultă ecuaţia curbei de răcire sub forma:

τ=τ S⋅e− t

T (1.38)

În cazul în care la t = 0, τ a avut o valoarea oarecare τi, atunci:

40


τ=τ i⋅e− t

T (1.39)

Reprezentarea grafică a relaţiilor (1.38) şi (1.39) este dată în fig.1.5.Proprietăţile curbei de încălzire sunt valabile şi pentru curba exponenţială de

răcire; astfel, subtangenta la curba de răcire, în orice punct M, este o mărime constantă şi egală cu constanta termică de timp T.

Figura 1.5 - Curba de răcire a unui conductor

1.7.2 Serviciul de funcţionare de scurtă durată

Serviciul este caracterizat de faptul că aparatul funcţionează un timp determinat, mai mic decât cel necesar pentru atingerea echilibrului termic, urmat de o răcire. În acest caz, se impune să nu avem mai mult de 10 acţionări pe oră, iar durata de acţionare să fie în jur de 1%. Nu se pun probleme din punct de vedere al încălzirii motoarelor electrice doarece timpul este suficient de mare astfel încât aparatul să revină la temperatura mediului ambiant. La motoarele destinate acestui serviciu de funcţionare se indică puterea nominală şi timpul cât motorul poate debita această putere fără a depăşi temperatura maximă admisibilă.

Şi în această situaţie, se poate calcula curentul admisibil:

I ad ( ssd )=I ad (sp)∙√ θad

θmax (ssd) (1.40)

41

[

Exemple de aparate ce funcţionează în SSD: electromagneţi de anclanşare şi declanşare utilizaţi în compunerea întrerupătoarelor automate, de putere de joasă tensiune cu comanda de la distanţă, butoanele de închidere cu autorevenire, reostate de pornire, cabestanele, vinciurile, bigile etc.

Încălzirea unui conductor în regim de scurtă durată se caracterizează prin faptul că încălzirea durează mai puţin decât constanta de timp termică, T, după care alimentarea aparatului se întrerupe pe o durată suficientă ca să se răcească până la temperatura mediului ambiant (τ = 0).

Fig. 1.6 Încălzirea unui conductor în regim de scurtă durată

În fig.1.6 se reprezintă curbele de încălzire şi răcire corespunzătoare acestui regim de funcţionare. Dacă puterea care se dezvoltă în regimul de scurtă durată este PD, se constată că supratemperatura maximă care se atinge este τSD, mai mică decât supratemperatura τs care s-ar atinge în regimul de durată şi care corespunde temperaturii admisibile. Rezultă că în acest regim se poate aplica o suprasarcină, coeficientul de suprasarcină termică admisibilă definindu-se astfel:

k p=τS

τSD

=PSD

PD (1.41)

Pentru t = ti, τ = τ SD şi considerând expresia curbei de încălzire:

42


τ SD=τ S⋅(1−e−

t i

T ) (1.42)

unde ti este timpul de încălzire, obţinem:

k p=1

1−e−

t i

T (1.43)

şi din dezvoltarea în serie a lui e−

tiT

prin reţinerea primilor doi termeni avem:

e−

tiT ≃1−

ti

T (1.44)

rezultând în final:

k p=Tt i (1.45)

Pierderile fiind proporţionale cu pătratul curentului, coeficientul de suprasarcină pentru curent (kI) este:

k I=√k p=√ Tti (1.46)

Rezultă că în regim de scurtă durată, aparatul poate fi străbătut de un curent de kI ori mai mare decât în regim de durată fără să se încălzească peste temperatura admisibilă.

În aparatele electrice, un caz specific al acestui regim de scurtă durată este regimul de scurtcircuit, caracterizat prin curenţi intenşi, de 10 ÷ 20 de ori mai mari decât curenţii nominali şi o scurtă durată (0,5 ÷ 2 s) la sfârşitul căreia aparatele de protecţie elimină efectul.

43

[

Acest regim se poate considera adiabatic deoarece în timpul scurt în care se desfăşoară, întreaga căldură care se dezvoltă se acumulează în aparat, neavând loc niciun fel de cedare de căldură către mediul ambiant. Ecuaţia diferenţială a bilanţului termic (1.18) devine în acest caz:

P⋅dt=c⋅M⋅dτ (1.47)şi P=α⋅S⋅τ S

T=c⋅M /α⋅S rezultă:

dtT

=dττ S (1.48)

prin integrare:

τ=τ S⋅tT (1.49)

adică temperatura variază liniar cu timpul. O reprezentare grafică a unui regim de scurtcircuit, declanşat la momentul t1, după un timp de funcţionare la încălzirea staţionară τS şi care durează până la momentul t2 s-a prezentat în fig.1.7, pe baza relaţiei (1.49). Deoarece durata regimului (t2-t1) este foarte scurtă, supratemperatura maximă τm depăşeşte de 2 ÷ 3 ori supratemperatura în regim staţionar. Evident, scurtcircuitul poate apărea înaintea atingerii regimului de durată sau se poate conecta un aparat direct pe scurtcircuit, în care caz porţiunea t2 - t1 se deplasează corespunzător în graficul din fig.1.7.

44


Fig 1.7 Încălzirea în regim de scurtcircuit

Relaţia (1.49) permite să se dea o interpretare fizică constantei termice de timp T şi anume: constanta termică de timp este acel interval de timp în care conductorul, fără încălzire iniţială şi fără schimb de căldură cu mediul ambiant, se încălzeşte, la pierderi constante, până la supratemperatura τS din regim staţionar.

Conductoarele parcurse de curentul de scurtcircuit se încălzesc puternic, din care cauză rezistenţa lor creşte mult.

1.7.3 Serviciul de funcţionare intermitent

Serviciul este caracterizat printr-o succesiune de perioade de funcţionare şi de pauză, însă timpul de repaus nu este suficient de mare pentru răcirea completă a aparatului. Calculul curentului admisibil în serviciul intermitent (SI) de funcţionare:

I ad ( si )=I ad(sp) ∙√ θad

θmax (ssi)

(1.50)

Temperatura maximă:

θmax (si)=θmax (si)∙1−A1

1−A1 ∙ A2

(1.51)

unde:

A1=e−t1

T ; A2=e−t2

T 0 ;

t 1=tlucru

t 2=t pauză

T = constantă de timp termică la încălzire; T 0 = constantă de timp termică la răcire.

t lucru=DA [% ] ∙t ciclu

100 [sec]

45

[

unde DA este durata relativă de acţionare sau durata relativă de conectare şi are valorile 15%; 25%; 40%; 60%; 100%; raportul dintre timpul de lucru şi perioada totală a ciclului se numeşte durată relativă de conectare; numărul de cicluri raportat la unitatea de timp se numeşte frecvenţă de conectare.Curentul echivalent se foloseşte pentru a verifica dacă aparatul nu este supus unui regim mai greu decât cel al curentului nominal.

I e=√ I 12∙ t1+ I 2

2 ∙ t 2

t 1+t 2+ t3

(1.52)

În care: I e - curentul echivalent, în A; I 1 – curentul de pornire a motorului, în A; t 1 – timpul de pornire, în s; I 2 - curentul de regim nominal al motorului, în A; t 2 - timpul de mers în regim nominal, în s; t 3 - timpul de pauză, în s.

Instalaţiile utilizate la bord pentru ridicarea şi coborârea greutăţilor, pompa alimentare caldarină, pompele alimentare tancuri de compensare funcţionează în serviciu intermitent. Pentru a proteja motoarele ce funcţionează în serviciul intermitent trebuie să se respecte următoarele servicii:

- curentul de pornire între 5 ÷ 6 I N;- timpul de pornire până la o secundă;- durata de acţionare 40%;- frecvenţa de conectare maxim 60 conectări / oră;- să nu se folosească transformatoarele de curent cu dispersie mare.În exploatare se întâlnesc dese situaţii în care sarcina aparatului variază

periodic, adică după o perioadă de încălzire urmează o perioadă de răcire. Când încărcarea şi repausul aparatului se succed în mod periodic, după intervale de timp constante ti şi tr, regimul se numeşte periodic intermitent şi aparatul se va încălzi treptat după curba în zig-zag din fig.1.8. Intervalul de timp ti + tt = tc se numeşte durata unui ciclu. Durata ciclului de exploatare trebuie să îndeplinească condiţia tc < 10 min. Raportul:

46


DA=t i

t i+t r sau DA

%=t i

t i+t r

⋅100 (1.53)

poartă denumirea de durată relativă de conectare (anclanşare), valorile ei standard fiind de 10, 25, 60 şi 100%.

Fig 1.8 Regimul periodic intermitent

Determinăm: legea de variaţie τ = f(t) în regimul periodic intermitent, supratemperatura maximă şi coeficienţii de suprasarcină. În figura 1.8 s-au reprezentat curbele de încălzire (τi) şi de răcire (τr), în ipoteza că temperatura T are aceeaşi valoare la încălzire şi răcire. Acest lucru este valabil la aparatele electrice.

Situându-ne în teoria clasică a încălzirii şi ţinând seama de relaţiile (1.26) şi (1.39) se scrie:

τ1=τS⋅(1−e−

t i

T )τ 2=τ1⋅e

−t r

T

τ 3=τ2⋅e−

t i

T +τS ¿ (1−e−

t iT )

47

[

τ 4=τ3⋅e−

t r

T (1.54)

.......................................

τ 2⋅n=τ2⋅n−1⋅e−

t r

T

τ 2⋅n+1=τ 2⋅n⋅e−

tiT +τS ¿(1−e

−tiT )

După un număr foarte mare de cicluri de încălzire şi răcire, adică n=∞ , se stabileşte un regim periodic staţionar, supratemperatura oscilând între o valoare maximă (τmax) şi minimă (τmin).

Punând condiţia:

τ 2⋅n−1=τ2⋅n+1=τmax (1.55)

şi observând că τ 2⋅n=τmin , din ultimele două relaţii (2.148) avem:

τ min=e−

t r

T−e−

tcT

1−e−

tcT

¿ τS

(1.56)

care, înlocuită în ultima relaţie (2.148), ne determină:

τ max=1−e

−t i

T

1−e−

t c

T

¿ τS

(1.57)

Relaţiile (1.56) şi (1.57) determină încălzirea maximă şi minimă după un număr foarte mare de cicluri. Se vede că dacă tr = 0, atunci τmax = τmin = τS şi ne situăm în regimul de durată.

Coeficientul de suprasarcină admisibilă, definit prin relaţia (1.41), devine:

48


k p=τ S

τmax

=1−e−

tc

T

1−e−

t i

T

¿1−(1−

t c

T )1−(1−

t i

T )¿

t c

ti

= 1DA

(1.58)

iar coeficientul de suprasarcină pentru curent:

k I=√k p=1

√ DA (1.59)

În exploatare se va avea în vedere faptul că orice aparat construit pentru regim de durată (RD) poate fi supraîncărcat în regim periodic intermitent (RPI) cu o suprasarcină cel mult egală cu cea dată de coeficientul de suprasarcină.

1.8 SEMNIFICAŢIILE SEMNALIZĂRILOR LUMINOASE SPECIFICE COMPARTIMENTULUI ELECTROMECANIC DE LA NAVĂ

Tabelul 1.5

Nr. Culoare Semnificaţie Felul Interpretarecrt. semnalului

Intermitent Alarmă pentru stãri de pericol care1. Roşu Pericol necesitã o intervenţie imediatã

Continuu Alarmã pentru stãri de pericolconstatate dar încã neînlãturate

Intermitent Stare anormalã, dar care nu necesitã2. Galbenă Atenţie o intervenţie imediatã

Continuu Stare intremediarã între situaţiaanterioarã si starea de pericol

3. Verde Siguranţă Intermitent Mecanism intrat în funcţiuneContinuu Regim normal de funcţionare

4. AlbastrăInstrucţiuni şi informaţii

ContinuuMecanisme si instalaţii pregătite

pentru a intra în funcţiune (punerea TPD sub tensiune)

49

[

5. AlbăInformaţii generale

Continuu Semnalizări obişnuite. Semnalizarea unor procese în cadrul unor instalaţii

automatizate

1.9 ELECTROMAGNEŢI

Electromagnetul, definit ca magnet temporar, transformă energia electrică în energie mecanică, prin intermediul energiei magnetice, având în structura sa trei sisteme componente: electric, magnetic şi mecanic.

Electromagnetul reprezintă un convertor electro-magneto-mecanic, alcătuit dintr-un circuit electric, unul magnetic deformabil şi accesorii mecanice. El îşi bazează funcţionarea pe existenţa forţelor electromagnetice ce deplasează porţiuni ale circuitului magnetic, care constituie aşa-numita armătură mobilă.

În modelul fizic al unui electromagnet se disting – figura 1.9: circuitul electric 1 (înfăşurarea), caracterizat prin rezistenţa electrică R şi inductivitatea L; circuitul magnetic, din care fac parte atât circuitul feromagnetic, alcătuit din armătura fixă 2 şi cea mobilă 3, de masă m, cât şi întreg spaţiul din jurul acestor armături, o importanţă aparte având întrefierul 5; sistemul mecanic, alcătuit din amortizorul 4 şi resortul antagonist 5.

Fig. 1.9 Modelul fizic al unui electromagnet:1-înfăşurare, 2-armătura fixă, 3-armătura mobilă, 4-amortizor, 5-resort.

50


Deplasarea armăturii mobile se face pe direcţia x, modificând întrefierul între o valoare maximă δmax şi una minimă δmin.

În timpul conversiei energetice, energia electrică injectată este transmisă sistemului magnetic, care transformă această energie în lucru mecanic, prin deplasarea armăturii mobile; sistemul magnetic, respectiv energia magnetică, joacă rolul de sistem de cuplaj între sistemele electric şi mecanic.

Electromagneţii folosiţi în domeniul naval sunt utilizaţi în construcţia aparatelor de comutaţie, la realizarea cuplelor electromagnetice.

În construcţia aparatelor electrice de comutaţie, electromagneţii sunt utilizaţi ca organ motor al contactoarelor, ruptoarelor, declanşatoarelor, întreruptoarelor, servind la stabilirea sau întreruperea mecanică a unor contacte, în mod direct sau indirect, prin eliberarea energiei unui resort precomprimat. Electromagneţii intră în construcţia electrovalvelor şi dispozitivelor de acţionare ale aparatelor electrice.

Clasificarea electromagneţilor se face după mai multe criterii şi anume:După tipul constructiv în:

+electromagneţi de tip plonjor, la care armătura mobilă execută o mişcare de translaţie în lungul axei bobinei de excitaţie; +electromagneţi la care armătura mobilă execută o mişcare de translaţie şi electromagneţi la care armătura mobilă execută o mişcare de rotaţie. Armătura fixă poate avea formă de I, U sau E.

fig.1.10 Tipuri constructive de electromagneţia) de tip plonjor cu armătura fixă; b) cu mişcare de translaţie fixă în formă de U;

c) cu mişcare de translaţie de tip manta (cu armătura fixă în formă de E); d) cu mişcare de rotaţie şi armătura fixă în formă de U.

51

[

1-armătura fixă; 2-armatură mobilă; 3-bobina de excitaţie

După felul curentului de excitaţie: de curent continuu şi de curent alternativ.După modul de lucru: electromagneţi de acţionare şi electromagneţi elevatori.După tipul de acţionare: electromagneţi cu acţionare normală, electromagneţicu acţionare rapidă şi electromagneţi cu acţionare întârziată.

Se consideră un electromagnet conectat la o reţea de tensiune U- fig.1.11.a. La parcurgerea bobinei de excitaţie de un curent electric i, datorită fluxului Φ ce străbate circuitul magnetic, asupra armăturii mobile se exercită o forţă de atracţie.

Fig. 1.11 – a) electromagnet conectat la reţea; b) reprezentarea pentru diferite valori ale întrefierului

Dacă armătura mobilă este blocată la un întrefier δ, forţele sunt prezente, dar nu pot produce lucru mecanic şi în sistem se înmagazinează o energie magnetică. Pornind

de la forma integrală a legii conducţiei electrice:

U+Ue=R⋅I (1.60)

unde Ue =

dΦdt este tensiunea electromotoare indusă, avem:

U-R⋅i =

dΨdt (1.61)

ψ=N*Φ fiind fluxul magnetic total produs de fluxul fascicular. Se obţine prin integrare:

52


∫0

t

(U⋅i−R⋅i2 )= ∫0

Ψ

i⋅dψ= Wm (1.62)

Unde: Wm energia magnetică acumulată în întregul câmp, echivalentă cu aria haşurată -fig.1.11.b. Conform relaţiei (1.62) se constată că această energie magnetică este diferenţa dintre energia electrică absorbită de la reţea şi pierderile prin efect Joule din înfăşurare.

La un electromagnet alimentat de la o tensiune constantă, energia acumulată este dependentă doar de poziţia armăturii mobile. Valoarea energiei acumulate în poziţiile de întrefier δ1 şi δ2 nu depind de poziţiile succesive (δ) pe care le ocupă armătura în deplasarea de la poziţia deschis la cea închis a electromagnetului.

Dacă întrefierul nu se menţine blocat atunci, sub acţiunea forţelor ce se manifestă în câmpul magnetic, armătura mobilă se va deplasa spre armătura fixă şi energia câmpului magnetic se modifică. Atragerea armăturii mobile se poate face în două moduri distincte: primul caz corespunde unui electromagnet de curent continuu; al doilea caz corespunde unui electromagnet de curent alternativ. Curentul rămâne constant, indiferent de valoarea întrefierului.

1.9.1 Lucrul mecanic dezvoltat de un electromagnet de curent continuu

În spaţiul conversiei electromagnetice, definit prin caracteristica de magnetizare ψ=f(i) proprie circuitului, se analizează variaţia mărimilor de stare ce definesctransformările energetice în urma cărora se efectuează un lucru mecanic. Celor două poziţii extreme ale armăturilor le corespund două stări magnetice diferite, reprezentate prin curbele ψi pentru întrefierul maxim şi ψ'i pentru întrefierul final, fig 1.12. Deoarece în poziţia de întrefier maxim circuitul magnetic este nesaturat, dependenţa ψ=f(i) se poate considera liniară. Energia magnetică în stare iniţială este echivalentă cu aria OAψ0, iar în stare finală cu aria OAψ1 Variaţia energiei magnetice este dată de diferenţa:

ΔWm=Wmf - Wmi

ΔWm = aria OBψ1 –aria OBψ2

53

[

În acelaşi timp s-a produs un lucru mecanic ΔL. Atât lucrul mecanic dezvoltat, cât şi variaţia energiei mecanice se datorează surplusului de energie electrică debitată în reţea, proporţională cu aria ψ0ABψ1. Din ecuaţia bilanţului energetic:

ΔWe = ΔWm + ΔL (1.63)

Aria corespunzătoare lucrului mecanic efectuat va fi, deci:

ΔL = aria ψ0AB ψ 1 - (aria OBψ1 – aria OAψ 0) = aria OAB (1.64)

adică lucrul mecanic efectuat corespunde ariei dintre cele două caracteristici de magnetizare, haşurată în fig.1.12. Cum:

ariaOAB=ariaOCB−ariaOCA (1.65)

este echivalentă cu creşterea coenergiei magnetice (ΔW'm) avem:

ΔL = ΔW'm (1.66)

Fig. 1.12 – Explicativă la reprezentarea lucrului mecanic dezvoltat de un EM de curent continuu

Se poate demonstra că pentru o conversie energetică realizată la i = constant, cum este cazul în c.c., W'm este o diferenţială totală,în funcţie de sistemul coordonate generalizate şi ,deci, putem scrie:

∂ L=∂W 'm=F⋅∂ x (1.67)

54


Relaţia (1.67) permite calcularea forţei ce produce deplasarea armăturii:

F=( ∂W 'm

∂ x )i=ct (1.68)

iar în cazul circuitelor liniare, unde avem Wm = W'm , rezultă:

F=( ∂ M∂ x )

i=ct (1.69)

regăsindu-se astfel prima teoremă a forţelor generalizate.

1.9.2 Lucrul mecanic dezvoltat de un electromagnet de curent alternativ

Analog cazului precedent, cele două stări magnetice sunt reprezentate prin

curbele ψ(i) şi ψ'(i) în fig.1.13. Trecerea de la starea iniţială (δmax ) la starea finală (δ≈0 ) se face prin micşorarea energiei magnetice, a cărei variaţie este:

ΔWm = aria OBψ0 - aria OAψ0 (1.70)

În timpul mişcării armăturii, energia electrică W e absorbită de la reţea rămâne constantă, aşadar ΔWe = 0 . Ecuaţia bilanţului devine:

ΔWm+ΔL = 0 (1.71)

Rezultă că lucrul mecanic dezvoltat corespunde micşorării energiei magnetice, fiind dat de aria a cărei reprezentare s-a făcut haşurat în figura1.13

55

[

Fig.1.13 – Explicativă la reprezentarea lucrului mechanic dezvoltat de EM de curent alternativ

Şi aici se poate demonstra că pentru o conversie realizată la ψ= constant, cum este cazul în c.a., WM este o diferenţială totală în funcţie de sistemul de coordonate generalizate.

Se poate scrie:

∂L=-∂Wm=F¿∂ x ( 1.72)

relaţie care permite calcularea forţei de atracţie sub forma:

F=−(∂ W m

∂ x )ψ=ct (1.73)

regăsindu-se astfel cea de-a doua teoremă a forţelor generalizate. Semnul minus din relaţia (1.73) se datorează faptului că energia magnetică scade în timpul efectuării lucrului mecanic. Rezultă că, în acest caz, lucrul mecanic dezvoltat se datorează exclusiv micşorării energiei magnetice.

1.9.3 Generalizarea teoremelor forţelor generalizate

Din analiza făcută în cele două subcapitole anterioare rezultă că se pot obţine teoremele forţelor generalizate şi pentru calculul forţelor dezvoltate în direcţia coordonatelor proprii şi ,cu care, prin particularizări, se deduc alte forme ce exprimă la fel de raţional forţa generalizată.

56


În câmpul magnetic staţionar sau cvasistaţionar, teoremele se demonstrează pentru un sistem de n circuite filiforme, independente, ale căror curenţi sunt ik, iar fluxurile totale Φk(k = 1, 2, ..., n) şi a căror configuraţie geometrică (relativă şi în raport cu corpurile magnetizate din câmp) este univoc determinată de coordonatele generale xj(j=1,2,...,m).

1.9.4 Calculul forţei dezvoltate de electromagneţi

Potrivit bilanţului energetic al electromagnetului, forţa electromagnetică care se exercită asupra armăturii mobile depinde de variaţia energiei magnetice înmagazinată în întregul spaţiu ocupat de câmpul magnetic al electromagnetului.

Acest spaţiu cuprinde următoarele domenii distincte: întrefierurile de lucru şi parazite, zonele ocupate de fluxurile de dispersie şi circuitele feromagnetice ale coloanelor, jugurilor şi armăturilor mobile.

Deoarece în majoritatea cazurilor, la electromagneţii bine dimensionaţi, căderea de tensiune magnetică în fier este neglijabilă, rezultă că la determinarea forţei de atracţie se va lua în considerare numai variaţia energiei localizată în întrefierurile de lucru.

Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent continuu considerăm un întrefier (δ) limitat de suprafeţe plan paralele de arie A, în ipoteza unui câmp magnetic Bδ constant după direcţia întrefierului. Forţa, care se exercită asupra armăturii mobile, se determină conform relaţiei (1.68):

F=(∂ W m

∂ x )i=ct

= ddx

⋅( 12⋅ψδ⋅i)

(1.74)

cum:

ψδ=Φ∂⋅N şi

N⋅i=θ=U mδ (1.75)

unde:Umδ este tensiunea magnetică în întrefier, considerată constantă Avem:

F=12⋅ d

dx (Φδ⋅U mδ )=12⋅Umδ⋅

dΦδ

dx (1.76)

57

[

şi deoarece:

Φδ=Umδ⋅Δδ (1.77)

rezultă:

F=12⋅U mδ

2 ⋅dΔδ

dx (1.78)

Pentru cazul considerat în figura 1.14 avem:

Δδ=μ0⋅A

δ (1.79)

şi deoarece forţa şi întrefierul variază în sensuri contrare, dδ = -dx, se obţine prin înlocuire în relaţia (1.78):

Fig. 1.14 – Explicativă la calculul forţei 1 – armătura fixă; 2 – armătura mobilă

F=−12⋅U mδ

2 ⋅ ddδ ( μ0⋅A

δ )=12

Umδ2 ⋅

μ0⋅A

δ2 (1.80)

Reprezentarea grafică a relaţiei (1.80) în fig.1.15 arată că forţa dezvoltată creşte pe măsura micşorării întrefierului. Ţinând seama că:

58


Hδ=Bδ

μδ

=U mδ

δ şi Φδ=Bδ⋅A (1.81)

expresia forţei dezvoltate de un electromagnet de curent continuu, în ipoteze acceptate este:

F=Bδ

2⋅A

2⋅μ0

=Φδ

2

2⋅μ0⋅A (1.82)

Fig. 1.15 – Dependenţa forţei de întrefier pentru EM de c.c.

Dacă armătura mobilă este în poziţia "atras" (δ¿ 0) şi se consideră inducţia Bδ = Bf, se obţine expresia forţei portante a electromagnetului (vezi fig.1.14).

F p=B f

2⋅A

2⋅μ0 (1.83)

Relaţiile stabilite pentru calculul forţei de atracţie dezvoltată de electromagnet evidenţiază dependenţa pronunţată de întrefier a acesteia, în sensul că la întrefieruri mici se obţin forţe mari, care scad însă rapid cu creşterea întrefierului (fig.1.15). Acest lucru constituie însă un dezavantaj în acele aplicaţii ale electromagneţilor în care este necesară realizarea unei forţe constante pe întregul parcurs al acţionării. Din aceste considerente, s-au conceput numeroase forme pentru armăturile electromagnetului astfel încât permeanţa dintre ele să depindă mai mult sau mai puţin de întrefierul de lucru-fig 1.16-reprezintă caracteristica în funcţie de care se poate determina punctul de funcţionare.

59

[

Fig. 1.16 – Determinarea grafică a punctului de funcţionare corespunzător inducţiei optime

Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent alternativ monofazat, ţinem seamă că electromagneţii de curent alternativ, relaţiile de calcul (1.82) stabilite pentru forţa de atracţie în curent continuu dau valoarea momentană a acestei forţe în funcţie de valoarea momentană a curentului. Se pot astfel stabili, pentru regimul permanent, relaţiile analitice de calcul care dau variaţia în timp a forţei dezvoltate de electromagnet.

Pentru un curent de excitaţie sinusoidal de forma:

i=√2⋅l⋅sin ω⋅t (1.84)

inducţia magnetică în întrefier se poate scrie:

Bδ=Bδm⋅sin ω⋅t (1.85)

şi pornind de la relaţia (1.82) se obţine pentru valoarea momentană a forţei o relaţie de forma:

F=Bδm

2 ⋅A

2⋅μ0

⋅sin2ω⋅t=Fm⋅sin2ω⋅t=Fm

2−

Fm

2⋅cos2⋅ω⋅t

(1.86)

unde s-a notat forţa maximă cu expresia:

60


Fm=Bδm

2 ⋅A

2⋅μ0 (1.87)

Din relaţia (1.86) rezultă că forţa momentană, dezvoltată de electromagnetul de curent alternativ are două componente: una continuă şi una variabilă, a cărei frecvenţă

este dublul frecvenţei curentului de excitaţie (Fc=−

Fm

2 ,Fv=−

Fm

2⋅cos2⋅ω⋅t

). Forţarezultantă, reprezentată în figura 1.17, pulsează de la valoarea zero la valoarea maximă Fm, de două ori în fiecare perioadă a inducţiei. Valoarea medie a forţei este:

Fmed=1T⋅∫

0

T

F⋅dt=Fm

2=Fc

(1.88)

Fig. 1.17 – Variaţia în timp a forţeiSe constată că forţa medie, care este forţa utilă, este egală cu componenta constantă a forţei de atracţie a EM de c.a. Componenta variabilă a forţei generează vibraţia nedorită a armăturii mobile a electromagnetului.

Comparând forţele dezvoltate de un electromagnet de curent continuu (1.82) cu cea a unuia de curent alternativ (1.88), în ipoteza că inducţiile în întrefier sunt egale (Bδc =Bδm), se constată că forţa utilă de atracţie a electromagnetului de curent alternativ este jumătate din forţa dezvoltată de electromagnetul de curent continuu.

Pentru calculul forţei de atracţie la electromagneţii de curent alternativ trifazat plecăm de la prezentarea schematică a unui electromagnet trifazat, cu bornele 1, 2, 3, legate la o reţea trifazată şi având un întrefier δ egal pe cele trei coloane, fig 1.18. Forţa dezvoltată de electromagnet, care acţionează asupra armăturii mobile, rezultă ca sumă a forţelor dezvoltate pe cele trei coloane, privite fiecare în parte ca un electromagnet monofazat.

61

[

Fig.1.18 – Electromagnetul trifazat

F1=Fm⋅sin2 ω⋅t

F2=Fm⋅sin2(ω⋅t−2⋅π3 )

(1.89)

F3=Fm⋅sin2(ω⋅t−4⋅π3 )

Forţa totală exercitată asupra armăturii mobile este:

F t=F1+ F2+F3=Fm⋅[sin2ω⋅t +sin2(ω⋅t−2⋅π

3 )+sin2(ω⋅t− 4⋅π3 )]

F t=Fm⋅[sin2 ω⋅t+(−1

2⋅sin ω⋅t−√3

2⋅cosω⋅t)

2

+(−12⋅sin ω⋅t+ √3

2⋅cosω⋅t)

2]F t=

23⋅Fm=3⋅1

2⋅

Bδm2 ⋅A

2⋅μ0 (1.90)

Deci, forţa dezvoltată este constantă în timp şi de trei ori mai mare decât forţa medie a unei coloane. Deşi forţa nu depinde de timp, punctul de aplicaţie al acestei forţe se deplasează pe armătură, deoarece pe rând forţa maximă trece de la o coloană la alta, ceea ce poate genera vibraţii ale armăturii mobile.

Pentru calculul forţei de atracţie, la electromagneţii de curent alternativ monofazaţi, prevăzuţi cu spiră în scurtcircuit, plecăm de la ipoteza reală că forţa momentană dezvoltată de un electromagnet monofazat trece periodic prin valoarea zero. În aceste momente, sub acţiunea forţei antagoniste a unui resort, armătura

62


mobilă are tendinţa de îndepărtare. Atragerea armăturii cu o pulsaţie dublă faţă de pulsaţia reţelei produce o vibraţie caracteristică.

Pentru eliminarea vibraţiilor se recurge la două soluţii:a) la electromagneţii monofazaţi se plasează în piesa polară, în zona întrefierului, o spiră în scurtcircuit (spiră ecran) prin a cărei reacţie inducţia în întrefier nu mai atinge valoarea zero;b) se utilizează electromagneţi trifazaţi, în care caz forţa rezultantă nu mai depinde de timp (1.90).

Considerăm o porţiune dintr-un electromagnet de curent alternativ monofazat având o parte din suprafaţa polului ecranată cu o spiră în scurtcircuit şi considerat în poziţia de întrefier minim. În lipsa spirei, cele două fluxuri ce străbat suprafeţele ecranată şi neecranată sunt în fază, determinând un flux total. În cazul prezenţei spirei în scurtcircuit, fluxul ce străbate zona ecranată induce în spiră o tensiune electromotoare ce generează un curent, rezultând un flux ce reprezintă fluxul de reacţie a spirei în scurtcircuit. Fluxul rezultant în zona ecranată determinat prin compunerea vectorială a celor două fluxuri este defazat faţă de fluxul porţiunii neecranate cu un unghi β. Cunoscându-se rezistenţa spirei în scurtcircuit, se alege materialul şi se determină dimensiunile spirei în scurtcircuit, ţinându-se seama că spira poate lucra la temperaturi de 120 ÷150°C.

Valoarea momentană a forţei dezvoltată de electromagnetul de curent alternativ, cu spiră în scurtcircuit, rezultă ca o sumă a forţelor existente în ariile neecranate şi ecranate:

Fn=Fnm⋅sin2

⋅ω⋅t=F nm

2⋅(1−cos 2⋅ω⋅t )

(1.91)

F e=F em⋅sin2 ( ω⋅t−β )=F em

2⋅[1−cos (2⋅ω⋅t−2⋅β ) ]

Forţa rezultă:

F=Fn+Fe=12⋅(Fnm+Fem)−1

2⋅[ Fnm⋅cos2⋅ω⋅t+Fem⋅cos (2⋅ω⋅t−2⋅β ) ]

(1.92)

se compune dintr-o forţă constantă (Fc) şi o forţă variabilă (Fv).În figura 1.19 s-au reprezentat variaţiile inducţiilor în porţiunile ecranate şi

neecranate, defazate cu unghiul β şi diagrama forţelor momentane rezultă ca sumă a forţelor pe porţiunile ecranate şi neecranate.

63

[

Fig.1.19. Diagramele inducţiilor şi forţelor

Se observă că pulsaţia forţei rezultante în întrefier este de două ori mai mare decât pulsaţia inducţiei, iar defazajul dintre forţele rezultante este 2β. Deoarece maximul şi minimum acestor forţe nu coincid în timp, forţa rezultantă va avea în fiecare moment o valoare mai mare decât zero. Vibraţia cea mai mică se obţine punând condiţia ca forţa variabilă să fie zero. Această condiţie se realizează dacă:

Fnm=Fem şi 2⋅ω⋅t−(2⋅ω⋅t−β )=π (1.93)

1.9.5 Caracteristicile statice şi dinamice

Diagrama forţei dezvoltate de electromagnet, în funcţie de întrefier, pentru poziţii imobile ale armăturii mobile, se numeşte caracteristică statică. Această diagramă se poate calcula sau se poate determina experimental cu ajutorul unui dinamometru. Determinarea prin calcul a forţei se face după ce fluxul util în întrefier s-a determinat pe baza circuitului magnetic echivalent.

Electromagneţii cu polii având suprafeţele plan paralele au o caracteristică puternic dependentă de întrefier. Dacă electromagnetul este de tip plonjor cu suprafeţe conice, forţa creşte mai puţin brusc, iar în cazul în care polii sunt suprafeţe cilindrice coaxiale, forţa este practic constantă.

În figura 1.20.a este reprezentată prin curba 1 caracteristica statică corespunzătoare unui electromagnet cu suprafeţe plan paralele. Forma acestei curbe este strâns legată de tipul şi caracteristicile circuitului magnetic. Electromagneţii

64


au de învins o forţă sau un cuplu rezistent, variabile şi ele cu poziţia întrefierului. Caracteristicile statice ale forţelor rezistente (Fr) pot avea şi ele diferite forme, ca de exemplu 1 şi 2 din figura 1.20.b.

Fig.1.20. a) Caracteristicile statice şi dinamice ale forţei de acţionare;b) Caracteristicile forţei rezistente

În ambele cazuri, suprafeţele determinate de curbe şi axele de coordonate reprezintă lucrul mecanic activ al forţei de atracţie şi respectiv lucrul mecanic rezistent dat în principal de resorturi.

Aceleaşi caracteristici, F = f(δ) sau M = f(α) (la electromagneţi cu armătură efectuând o mişcare de rotaţie), ridicate în cazul mişcării rapide a armăturii formează caracteristicile dinamice, reprezentate prin curbele 2 şi 3 din fig.1.20.a. Aceste caracteristici determină procesele ce iau naştere în mecanismele electromagnetice în timpul stărilor tranzitorii când întrefierul şi, deci, inductivitatea circuitului variază.

În cazul electromagneţilor de acţionare ai contactoarelor, forma de variaţie a forţelor rezistente în raport cu întrefierul este reprezentată în figura 1.21. În aceeaşi figură se reprezintă trei caracteristici posibile ale forţei de acţionare în raport cu întrefierul (curbele F, F', F"). Ştiind că suprafeţele mărginite de curbele reprezentate în figura 1.21 şi axele de coordonate, între limitele cursei armăturii mobile (δi şi zero), sunt echivalente cu lucrul mecanic dezvoltat de forţele respective, se pot distinge următoarele situaţii:- lucrul mecanic al forţei active (F) -La- este mai mare decât lucrul mecanic al forţei rezistente (Fr) - Lr-; în acest caz se obţine o acţionare sigură şi fermă a electromagnetului;- lucrul mecanic al forţei active (F’) este aproximativ egal cu lucrul mecanic al forţeirezistente (Fr); în acest caz acţionarea este posibilă, dar nesigură;- lucrul mecanic al forţei active (F") este mai mic decât cel al forţei rezistente (Fr);în acest caz, acţionarea nu este posibilă sau se obţine o acţionare parţială.

65

[

Acţionarea va fi mai bună cu cât caracteristica dinamică a forţei de acţionare va concorda mai bine cu caracteristica forţei rezistente.

Diferenţa (La-Lr) reprezintă un lucru mecanic suplimentar, care se transformă în energie cinetică a pieselor în mişcare şi se consumă la sfârşitul cursei de închidere prin ciocnire cu armătura fixă, putând duce la deformaţii permanente, ruperi ale pieselor polare sau vibraţii ale întregului sistem.

Rezultă că pentru o caracteristică rezistentă dată, trebuie aleasă o formă constructivă adecvată a electromagnetului.

Fig.1.21 Caracteristicile F = f(δ) şi Fr = f(δ) pentru contactoare

1.9.6 Regimul dinamic al electromagnetului

Momentul conectării înfăşurării electromagnetului la sursa de tensiune este urmat de un regim tranzitoriu electric, în care curentul, respectiv forţa de atracţie, cresc spre valoarea maximă.

În vederea determinării duratei de acţionare a unui electromagnet de curent continuu este, deci, necesar să se cunoască regimul tranzitoriu al curentului i = f(t) şi al forţei F=f(t), începând din momentul iniţierii curentului de excitaţie până în momentul stabilirii întrefierului minimal.

Figura 1.22 Circuit folosit la determinarea regimului tranzitoriu

66


În figura 1.22 se reprezintă circuitul de alimentare a electromagnetului caracterizat prin inductivitatea L şi rezistenţa R a bobinei. Armătura mobilă de masă m este reţinută printr-o forţă rezistentă, dată de un resort Fr = k r ∙ x , iar prin r s-a notat constanta de amortizare.

Analiza regimului dinamic necesită rezolvarea ecuaţiilor clasice din dinamica electromagneţilor:

U=R⋅i+ dΨdt

F=(∂ W m

∂ x )i=ct (1.94)

F=m⋅d2 xdt 2

+r⋅dxdt

+kr⋅x

Rezolvarea sistemului de ecuaţii (1.94) permite determinarea funcţiilor de timp x = f 1(t), v = f 2 (t), i = f 3( t ) ,F = f4(t).

1.9.7 Modificarea timpului de acţionare a electromagnetului

Prin modificarea timpului de acţionare se urmăreşte să se obţină fie o acţionare rapidă, fie o acţionare întârziată.Acţionarea rapidă la atragere se realizează, din punct de vedere constructiv, prinlamelarea miezului magnetic şi prin reducerea la minimum a masei armăturiimobile. Realizarea miezului magnetic din tole, la electromagneţii de curentcontinuu rapizi, are drept efect suprimarea curenţilor turbionari în miezul de fiermasiv şi, deci, reducerea reacţiei armăturii în aceste piese.Acţiunea rapidă la eliberare se realizează fie prin conectarea unui condensator înparalel cu bobina de excitaţie a electromagnetului, fie printr-un electromagnetde reţinere echipat cu un şunt magnetic. Schema electrică de alimentare cucondensator, prezentată în fig.1.23, are următoarele avantaje: la întreruperea circuitului de alimentare se elimină arcul electric dintre contacteleîntreruptorului, deoarece condensatorul C, rămânând încărcat; bornele a şi bale întreruptorului au acelaşi potenţial.

67

[

După întrerupere, din cauza energiei acumulate în inductivitatea L şicondensatorul C, sistemul R,L,C este un circuit oscilant, în momentulprimei treceri prin zero a curentului, armătura este sigur eliberată prinacţiunea forţei Fr a resortului antagonist. Un condensator cu o capacitate de aproximativ 1μF realizează atât absenţa arcului electric, cât şi o frecvenţăridicată de oscilaţie pentru a asigura rapiditatea eliberării armăturii.

Oscilaţiile sunt amortizate până la atingerea valorii zero a curentului oscilant. În acest mod se demagnetizează şi miezul magnetic al electromagnetului,care, la o nouă acţionare, este nemagnetizat.

Fig. 1.23 – Condensator în paralel cu bobina de excitaţie

Acţiunea întârziată la atragere se realizează prin conectarea unei bobine suplimentare (L2, R2) cu rezistenţă cât mai mică, în serie cu bobina electromagnetului (L1, R1), ca în fig.1.24. Se obţine astfel o constantă de timp

T2 =

L2+L1

R2+R1 mai mare decât cea iniţială T 1=

L1

R1

Fig. 1.24 – Circuit folosit la acţionarea cu întârziere la atragere

Acţiunea întârziată la eliberare se obţine prin conectarea unei rezistenţe R2 în paralel pe bobina electromagnetului (L1,R1) ca în figura 1.24. La deconectarea electromagnetului de la sursa de alimentare, curentul electric din bobina electromagnetului nu dispare brusc, ci exponenţial, cu constanta de timp

68


T=L1

R1+R2 .

Fig.1.25 – Acţionarea cu întârziere la eliberare

1.9.8 Variaţia cu întrefierul a curentului şi fluxului

Fluxul magnetic al unui electromagnet se poate exprima sub forma:

Φ≃K⋅ iδ (1.95)

unde K este o constantă ce depinde de construcţia electromagnetului, i este curentul din bobina de excitaţie şi δ întrefierul. La electromagneţii de curent continuu, curentul i = U/R este constant în raport cu întrefierul şi rezultă că fluxul variază invers proporţional cu întrefierul.

La electromagneţii de curent alternativ, pentru o anumită valoare a tensiunii de alimentare U, curentul de excitaţie se poate scrie la întrefieruri mici, sub forma:

I=UZ

= U

√R2+(ω⋅L )2≃ U

ω⋅L (1.96)

Dar:

L= N⋅ΦI

≃Nδ⋅K

(1.97)

Rezultă că:

69

[

I≃ UK⋅N⋅ω

⋅δ (1.98)

Iar fluxul magnetic al electromagnetului este:

Φ≃ Uω⋅N (1.99)

Concluzie:La electromagneţii de curent alternativ, curentul creşte cu întrefierul, iar fluxul şi forţa de atracţie nu depind semnificativ de întrefier. Electromagneţii de curent alternativ, dacă rămân cu armătura blocată în poziţia de întrefier maxim, absorb de la reţea un curent maxim

I max=U

K⋅N⋅ω⋅δmax

(1.100)

care produce în scurt timp o încălzire ce depăşeşte cu mult valoarea admisibilă ducând la distrugerea înfăşurărilor.

70

curs aen

Documents