Dinamica masinilor electrice de curent alternativ. Editie de sinteza

CUVANT INAINTE

Prezenta carte reprezinta prima publicatie in limba romana, coerenta si de dimensiuni, dedicata proceselor dinamice din masinile electrice de c.a.

Oportunitatea, este in afara oricarei discutii, in conditiile implicarii acestora in practic toate domeniile actualitatii, actionari electrice performante, comenzi numerice pentru controlul automat al unor evolutii dinamice complexe etc.

Masina electrica este un element fundamental al acestor sisteme. Prin caracterul ei puternic nelinear, determinat de cuplajul magnetic si electric al unor circuite imobile sau mobile relativ, de saturatie si asimetria magnetica, teoria si simularea proceselor fundamentale cat mai aproape de realitate, este o preocupare de cercetare de prima actualitate.

In context , autorul subliniaza necesitatea simularilor cu utilizarea unor modele matematice evoluate, ca etapa obligatorie in proiectarea dedicata a masinilor electrice actuale. Oportunitatea lor se regaseste si la masinile construie, pentru evitarea surprizelor la eventuale functionari neconventionale.

Pe linia celor de mai sus cercetarea a avut ca obiectiv ridicarea calitatii modelelor matematice, a modului lor specific de utilizare, precum si realizarea unor simulari reprezentative originale, care reprezinta un progres in cunoasterea si stapanirea proceselor dinamice.

Surprinderea sistematica in simulari a vitezei campului magnetic invartitor, solutioneaza multe din intrebarile privind comportarea intima a masinilor electrice in astfel de imprejurari.

In carte isi gasesc locul si doua cercetari ale autorului, finalizate ca inventii si care solutioneaza probleme de interes tehnic major vizand incercarile uzinale ale masinilor sincrone si transformatoarelor cu 3 infasurari de mare putere. Cercetarea privind masinile sincrone, si-a gasit loc in standardul CEI privitor la incercarile masinilor electrice de c.a.

Rezultatele cercetarilor pe termen lung ale autorului, privind procese dinamice semnificative din masina de inductie si masina sincrona cu excitatie electromagnetica sau cu magneti permanenti, au fost concretizate prin carti in Editura Academiei Romane, ca suport principal si alte edituri de prestigiu, numeroase publicatii in reviste de tinuta si comunicari la conferinte de mare audienta.

In ansamblu, cartea se inscrie cu rezultate importante pe o directie moderna de cercetare, este pregnant originala, de nivel stiintific ridicat si o recomand cu convingere.

Academician Ioan Dumitrache

PREFATA

Prezenta carte isi propune sa prezinte intr-o forma unitara si explicita, uzand de rezultatele cercetarilor asidue pe plan mondial si de experienta proprie, fundamentele teoriei proceselor dinamice din masinile electrice de curent alternativ si simulari aferente reprezentative.

Ea apare ca necesitate obiectiva astazi cand masinile electrice, incorsetate de sisteme automate de porniri, franari, reversari in timpi bine precizati, functioneaza in conditii departe de cele stationare, bine stapanite.

Mijloacele matematice specifice utilizate sunt fazorii reprezentativi si teoria celor doua axe. Obiectivul principal al partii teoretice, a fost stabilirea unor modele matematice dinamice, care sa surprinda procesele fundamentale intr-o astfel de masura, incat sa permita o evaluare cantitativa, in limite acceptabile in practica, a solicitarilor electromagnetice, mecanice si implicit termice proprii regimurilor marcat nestationare.

La ecuatiile de tensiuni, care evidentiaza inertiile electrice, trebuie cu necesitate adaugata ecuatia de miscare, care considera inertiile mecanice. Ansamblul lor, defineste un proces dinamic electromecanic; variabila care leaga cele doua sisteme de ecuatii, este viteza unghiulara a rotorului.

In scopul ridicarii preciziei modelelor matematice, se acorda o atentie speciala saturatiei magnetice si variatiei ei dinamice, in diverse cazuri particulare constructive de masini electrice.

Cu acelasi obiectiv, al descifrarii proceselor fundamentale dinamice, sunt precizate, amplitudinea si viteza unghiulara variabile ale campului magnetic principal invartitor, ce nu pot fi exteriorizate decat cu ochii mintii si prin simulari.

Intotdeauna trecerea de la o functionare stationara la alta, reprezinta un proces dinamic. Sunt imprejurari in care viteza rotorului poate fi acceptata cvasiconstanta. Aceste procese, caz particular, le vom defini tranzitorii electromagnetice si isi gasesc un loc aparte necesar in carte.

Analiza functionarii in paralel la retea comuna a doua masini sincrone cuplate mecanic, prin importanta ei, in particular stapanirea proceselor dinamice, ocupa un spatiu distinct. Este singurul regim nestudiat in literatura, in care curentii de excitatie determina variatii in limite largi si controlate si a puterilor active. Prin caracterul recuperativ al functionarii, este identificata o metoda, recunoscuta inventie, de incercare uzinala la parametrii nominali a masinilor sincrone ce depasesc sensibil puterea instalata a standurilor de proba; metoda a fost inclusa in standardul CEI care priveste incercarilor masinilor electrice de curent alternativ.

Tot in termenii rigorii, se fac precizari utile privind metoda sintetica Ytterberg de incercare uzinala a masinilor de inductie de mare putere, care presupune un proces dinamic permanent.

Pe suportul teoretic al modelelor matematice dinamice neliniare, in lucrare o parte semnificativa originala, este acordata unor simulari reprezentative de procese dinamice.

Astfel, sunt simulate pornirile in asincron ale masinilor de inductie si sincrone de mare putere, functionarea in proximitatea sincronismului a masinilor sincrone in functie de sistemele de excitatie (electromagnetica sau cu magneti permanenti), definirea caracteristicilor unghiulare dinamice, mult diferite de cele stationare, ale masinii sincrone , functionarea la socuri de sarcina pe cicluri limita care precizeaza solicitarile electromagnetice si mecanice dinamice care intervin; este analizat procesul dinamic aferent sistemului evocat de masini sincrone cuplate mecanic iar pentru metoda Ytterberg, reprezentarea impreuna a vitezei rotorului si campului magnetic principal invartitor, evidentiaza interdependenta lor, trecerile consecutive motor-generator, etc.

Viteza campului magnetic invartitor se regaseste constant ca informatie esentiala in toate analizele de procese dinamice.

Din cele de mai sus rezulta cu claritate ca pentru masinile de c.a. cu functionari dinamice prestabilite, simularile specifice devin o necesitate imperioasa, in etapa de proiectare dedicata. Doar pe aceasta baza parametrii alaturi de solutiile constructive pot fi corectati in sensul satisfacerii oportunitatilor si fara a fi afectata prin solicitari excesive, durata de viata.

Autorul adreseaza calde multumiri colegului dr.ing. Ioan Cautil pentru sprijinul valoros la realizarea ca programator, a simularilor impuse de obiectiv, precum si colegilor dr.ing. Ion Vlad si dr.ing Sorin Enache, pentru schimbul substantial de idei si participarea la tehnoredactare.

Cartea reprezinta o valorificare intr-o logica consecventa, a surselor din literatura si mai ales, a contributiilor proprii, publicate prioritar in Editura Academiei Romane si in edituri recunoscute, in reviste si conferinte cotate international.

Cartea este destinata in primul rand, ca o profesiune de credinta, tineretului studios din tara noastra, se adreseaza studentilor facultatilor de profil electric, masteranzilor, doctoranzilor, cadrelor didactice universitare precum si specialistilor implicati in proiectarea si exploatarea performanta stationara si dinamica a masinilor electrice, potrivit exigentelor actuale.

Autorul

CUPRINS

I. TEORIA MODELELOR MATEMATICE ALE MASINILOR DE CURENT ALTERNATIV 13

1. ECUATIILE GENERALE IN VALORI MOMENTANE ALE MASINILOR DE CURENT ALTERNATIV 13
1.1. Ecuatiile cu considerarea fazorilor reprezentativi 14
1.2. Ecuatiile pentru masina cu poli aparenti (ecuatiile generale in teoria celor doua axe) 18

2. MODELELE MATEMATICE SIMPLIFICATE ALE MASINII DE INDUCTIE 25
2.1. Modelul de circuit in T de referinta 25
2.2. Modelul de circuit in T generalizat 27
2.2.1. Cazuri particulare ale modelului de circuit in T generalizat 29

3. PROCESELE TRANZITORII ELECTROMAGNETICE IN MASINA DE INDUCTIE 33
3.1. Utilizarea calculului operational 33
3.2. Utilizarea tehnicii valorilor proprii complexe 35
3.3. Solutii analitice la procesele tranzitorii electromagnetice ale masinii de inductie 39

4. MODELELE MATEMATICE DINAMICE NELINIARE ALE MASINII DE INDUCTIE SATURATE 46
4.1. Ecuatiile masinii de inductie saturate in forma complexa 47
4.2. Modelele matematice dinamaice pentru diverse combinatii ale variabilelor de stare 49

5. FUNCTIONAREA UNEI MASINI DE INDUCTIE CU TENSIUNI DE FRECVENTE DIFERITE 59
5.1. Ecuatiile de referinta generale in regim cvasistationar 60
5.2. Considerarea procesului dinamic 62

6. ECUATIILE MASINII SINCRONE IN TEORIA CELOR DOUA AXE. PROCESE TRANZITORII ELECTROMAGNETICE 64
6.1. Considerarea masinii sincrone cu excitatie electromagnetica 64
6.1.1. Ecuatiile generale in valori momentane 64
6.1.2. Pocesele tranzitorii la ? = ct. (electromagnetice) 68
6.1.2.1. Ecuatiile masinii sincrone in forma operationala. Coeficienti operationali 68
6.1.2.2. Functionarea asincrona cvasistationara a masinii sincrone 81
6.2. Considerarea masinii sincrone cu magneti permanenti 86
6.2.1.Ecuatiile generale ale masinii sincrone cu magneti permanenti 87
6.2.2.Considerarea procesului dinamic 90

7. MODELELE MATEMATICE DINAMICE ALE MASINII SINCRONE SATURATE, CU POLI APARENTI 94
7.1. Modele matematice dinamice particulare 95
7.1.1. O singura curba de magnetizare (acelasi coeficient de saturatie in axele d, q) 95
7.1.1.1. Modelele matematice pentru diferite combinatii de variabile de stare 98
7.1.2. O singura curba de magnetizare dupa axa longitudinala 100
7.1.2.1. Modelele matematice pentru diferite combinatii de variabile de stare 101
7.1.3. Observatii 104

8. FUNCTIONAREA IN PARALEL LA RETEA A DOUA MASINI SINCRONE CUPLATE MECANIC 106
8.1.Considerarea procesului stationar sincron 106
8.1.1. Metoda pentru incarcarea recuperativa directa la sarcina nominala a unei masini sincrone 115
8.1.2. Verificari experimentale 118
8.1.3. Concluzii privind functionarea stationara sincrona 121
8.2. Considerarea procesului dinamic 122
8.2.1. Ecuatii de referinta 122

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA AFERENTA BAZELOR TEORETICE (I) 123

II. SIMULAREA PROCESELOR DINAMICE DIN MASINILE DE CURENT ALTERNATIV 129

9. SIMULARI AFERENTE MASINILOR DE INDUCTIE 129
9.1. Considerarea unei masini de inductie de putere medie 129
9.1.1. Regimul de patinare 129
9.1.2. Regimul dinamic determinat de variatia treapta a tensiunii de alimentare a motorului 136
9.1.3. Caracteristici dinamice de pornire 142
9.2. Concluzii generale 146

10. SIMULARI AFERENTE MASINII DE INDUCTIE ALIMENTATA CU DOUA FRECVENTE 147
10.1. Simulari semnificative 147
10.2. Observatii 172

11. SIMULARI AFERENTE MASINILOR SINCRONE CU POLI APAPARENTI CU EXCITATIE ELECTROMAGNETICA 175
11.1. Considerarea unei masini sincrone de mare putere cu importanta asimetrie magnetica 175
11.1.1.Analiza conectarii indirecte a cuplului rezistent (cazul a) 176
11.1.2. Analiza aplicarii directe a cuplului rezistent (cazul b) 243
11.2. Considerarea unei masini sincrone de putere redusa 273
11.2.1. Analiza pornirii in asincron si sincronizarii,cu rotorul scurtcircuitat, cu aplicarea directa a cuplului rezistent 274
11.2.2. Analiza pornirii in asincron si sincronizarii la mersul in gol 294
11.3. Concluzii generale 300

12. SIMULARI AFERENTE MASINII SINCRONE CU MAGNETI PERMANENTI 302
12.1. Analiza caracteristicilor dinamice de pornire 302
12.2. Analiza caracteristicilor dinamice in proximitatea vitezei de sincronism 315
12.3. Efectul parametrilor asupra caracteristicilor dinamice 345
12.4. Efectul considerarii unor infasurari de amortizare identice ale MSMP si MSEE 354
12.5. Procesul dinamic in jurul vitezei nule a MSMP 362
12.6. Observatii 373

13. SIMULARI AFERENTE FUNCTIONARII IN PARALEL LA RETEA A DOUA MASINI SINCRONE CUPLATE MECANIC 375
13.1 Simulari semnificative 375
13.2 Observatii 389

14. CONCLUZII GENERALE 390

BIBLIOGRAFIE SELECTIVA AFERENTA SIMULARILOR (II) 392

Anexa. METODA DE INCERCARE LA INCALZIRE A TRANSFORMATOARELOR DE MARE PUTERE CU TREI INFASURARI 395