|
|
|
EFECTE TERMICE IN MASINILE ELECTRICE
1. Pierderile de putere si restrictiile de temperatura
Un criteriu important in proiectarea unui sistem de actionare electrica pe langa cele mecanice, sau cele legate de transferul de putere, este si criteriul termic.
Materialele utilizate au diferite limite din punct de vedere termic. Importante sunt mai ales materialele izolante, care determina clasa de izolatie a masinii. Clasa de izolatie reprezinta o categorie folosita pentru caracterizarea materialelor izolante, care au aceeasi temperatura maxim admisibila. Exista 7 (sapte) clase de izolatie notate cu Y, A, E, B, F, H si C. Temperaturile si materialele corespunzatoare sunt prezentate in tabelul 3.
Cele mai intalnite clase de izolatie sunt A, E, B, F, iar mai recent H. Principalele cauze ale pierderilor de putere ce apar in cazul masinilor electrice sunt:
pierderile Joule: pierderile termice din infasurari, cabluri, contacte;
pierderile la perii: pierderi aproximativ constante, dar care depind de natura materialului din care sunt realizate periile si inelele colectoare;
pierderile de frecare si ventilatie: sunt de natura mecanica;
pierderile in fier: care sunt pierderi prin curenti turbionari si cele datorate fenomenului de histerezis. Ele sunt determinate de diferite proprietati de material si depind de amplitudinea si frecventa campului magnetic (Phisterezis ~ B2, f si Pcurenti Foucault ~ B2, f2);
pierderi suplimentare: care reprezinta in general un procent de circa 0,5 - 1% din puterea nominala a masinii si sunt considerate aproximativ constante, indiferent de regimul de lucru. Ele se datoreaza nesimetriilor electrice si constructive ale masinii.
Principalele marimi care influenteaza aceste pierderi sunt: viteza, cuplul de sarcina, precum si valorile efective ale curentului si tensiunii. Pentru tara noastra, temperatura de referinta fata de care se calculeaza temperatura de lucru a masinii, numita temperatura mediului ambiant, notata si cu ma are valoarea de 40oC.
2. Incalzirea masinilor electrice
Pentru a analiza acest fenomen, se considera ipoteza simplificatoare, conform careia masina electrica este asociata cu un corp termic omogen.
Conform figurii 1.16, consideram un corp termic omogen cu suprafata A, capacitatea termica C, masurata in Ws/oC, temperatura medie la suprafata corpului si temperatura mediului ambiant ma = 40oC. In timp ce corpul este incalzit cu puterea P1, el emite prin convectie puterea termica P2. Puterea termica, emisa prin fenomenul radiatie, este neglijabila deoarece se lucreaza in general la temperaturi joase, iar aceasta conform Legii Stefan - Boltzmann este proportionala cu puterea a patra a temperaturii absolute. Coeficientul de transfer termic este notat cu si se masoara in W/m2 oC. Cu ajutorul Legii lui Fourier se poate descrie bilantul de putere:
(1.47)
Caldura transferata prin convectie este proportionala cu diferenta de temperatura (Legea lui Newton):
(1.48)
(1.49 - 1.52)
P1 P2
C
Fig. 1.16. Corp termic omogen.
Considerand conditiile initiale: p1 = p10 si (0) = 0, cu notatia T = C/A, pentru constanta termica de timp, se obtine solutia:
(1.53 -
1.54)
Schimbul de energie termica este prezentat in figura 1.17 sub forma ariei hasurate:
final
t
Fig. 1.17. Transferul termic.
3. Servicii de functionare
Masinile electrice folosite in sistemele de actionare electrica, pot fi suprasolicitate pentru o durata de timp bine determinata, fara a depasi temperatura limita de lucru. Acest aspect este deosebit de util atunci cand este aleasa masina pentru o anumita aplicatie, aplicatie care presupune un anumit program de lucru.
Regimul de functionare al masinii reprezinta ansamblul tuturor valorilor numerice ale marimilor electrice si mecanice ce caracterizeaza functionarea acesteia.
Serviciul de functionare reprezinta o succesiune cu durate precizate a regimurilor de functionare, iar serviciul tip de functionare corespunde unei succesiuni normalizate, fiind un serviciu de functionare conventionala.
Pentru o alegere corecta a masinii, este necesar a se cunoaste diferitele servicii tip de functionare, servicii care caracterizeaza majoritatea aplicatiilor. Conform STAS 1893-85, exista opt servicii tip de functionare.
Serviciul S1 - SERVICIUL CONTINUU
P,
max
0 functionare P t
Fig. 1.18. Serviciul de functionare S1.
Duarata de functionare este suficient de mare, astfel incat echilibrul termic este atins. tfunctionare > (3 - 4) constante termice de timp.
Serviciul S2 - SERVICIUL DE SCURTA DURATA
P,
max
P
functionare repaus
Fig. 1.19. Serviciul de functionare S2.
Timpul de functionare este mic, astfel incat nu se ajunge la un echilibru termic, dar urmeaza o pauza suficient de mare, permitandu-i masinii sa se raceasca complet. Timpul de functionare este normat la 10, 30, 60 sau 90 minute. Acest serviciu tip de functionare este intalnit mai ales in cazul aplicatiilor electrocasnice.
Serviciul S3 - SERVICIUL INTERMITENT PERIODIC
P,
max
2
1 P
t
repaus functionare
Fig. 1.20. Serviciul de functionare S3.
Acest serviciu tip presupune existenta unei succesiuni de cicluri identice. Curentul de pornire nu produce incalziri excesive. Caldura degajata la pornire este de aproximativ 10% din caldura degajata pe parcursul unui ciclu de functionare. Perioada standardizata a ciclului este de 10 minute, iar durata de functionare este de 15, 25, 40, sau 60% din aceasta.
Serviciul S4 - SERVICIUL INTERMITENT PERIODIC CU DURATA DE PORNIRE
Ciclul de functionare este compus dintr-un timp de pornire important, unul de functionare in regim constant si un timp de pauza. Cantitatea de caldura degajata in cursul pornirii depaseste 10% din cantitatea degajata pe durata unui ciclu complet. Perioada tipica a unui ciclu este de 10 minute, iar cea de functionare poate fi de 15, 25, 40 sau 60% din perioda ciclului.
P,
P
t
pornire mers repaus
Fig. 1.21. Serviciul de functionare S4.
Serviciul S5 - SERVICIUL INTERMITENT PERIODIC CU DURATA DE PORNIRE SI FRANARE ELECTRICA
Fata de serviciul tip S4, in acest caz, perioada de functionare se termina printr-un regim de franare electrica, pe durata caruia apare o degajare suplimentara de cadura.
Serviciul S6 - SERVICIUL NEINTRERUPT CU SARCINA INTERMITENTA PERIODICA
Ciclul de lucru contine un timp de functionare in sarcina si un altul de mers in gol. Intre cele doua momente de lucru in sarcina, masina nu are timpul necesar de a se raci complet.
Serviciul S7 - SERVICIUL NEINTRERUPT CU DURATE DE PORNIRE SI FRANARE ELECTRICA PERIODICE
Fata de serviciul tip S5, in acest caz nu exista perioade de repaus. Duratele de functionare sunt aceleasi ca la serviciul S4.
Serviciul S8 - SERVICIUL NEINTRERUPT CU MODIFICAREA PERIODICA A VITEZEI
Trecerea la functionare de la o viteza, la o alta viteza, se face trecand printr-un regim de franare electrica sau de ambalare.
