Masini electrice. Teorie, incercari si exploatare

Autor: Augustin Moraru
Editura: A.G.I.R.
Format: 17x24 cm
Nr. pagini: 386
Coperta: legata
ISBN: 978-973-720-315-1
Anul aparitiei: 2010
CUVANT INAINTE
Dupa un lung periplu prin cercetare, industrie si iar cercetare si o stransa colaborare cu industria constructoare de masini si transformatoare electrice din tara noastra, in anul 1970 am ajuns in invatamantul superior, conferentiar la Institutul Politehnic din Bucuresti. Suplinind pe titularul cursului de Masini Electrice de la sectia Electroenergetica a facultatii de Energetica, am considerat util sa scriu un curs, destinat studentilor electroenergeticieni, care a fost tiparit pe plan local in Litografia I.P.B., intr-un numar redus de exemplare, epuizate in scurt timp. Elaborat in spiritul scolii germane, completata cu scoala rusa, lucrarea urmarea sa dea studentilor fundamentele acestei discipline, cu specificarea „non multa sed multum”. In viziunea mea, un student trebuie sa inteleaga bine ceea ce i se preda, sa ramana cu modele simple, robuste si corecte ale fenomenelor si obiectelor studiate, urmand ca aprofundarea lor sa apartina viitorului, daca si cand ii vor fi necesare.
Experienta didactica si colaborarea stransa cu specialistii din industria constructoare de masini electrice si transformatoare stau la baza prezentei lucrari, in care s-a pus accentul pe intelegerea corecta a fenomenelor specifice functionarii masinilor si transformatoarelor. Lucrarea cuprinde bazele fizice si modelele matematice necesare intelegerii fenomenelor care permit utilizarea eficienta a masinilor electrice si a transformatoarelor de putere. Sunt specificate domeniile lor de utilizare, caracteristicile functionale si principalele scheme in care sunt utilizate. Avand in vedere importanta masinii sincrone in sistemele de producere a energiei electrice, in cadrul lucrarii (subcap. 5.12) au fost analizate, cu metode moderne de studiu, probleme specifice regimurilor tranzitorii la aceste masini. De asemenea, au fost abordate aspecte actuale ale masinii asincrone ca generator electrice (subcap. 4.15) si un nou model, de camp, al acestei masini (subcap. 4.16).
Toate ecuatiile din lucrare au fost scrise respectand normele de redactare ale Editurii Academiei si ale Editurii AGIR. Dintre acestea mentionez cateva reguli mai importante: simbolurile marimilor variabile sunt scrise italic, cu exceptia celor scrise cu caractere grecesti care sunt drepte, operatorii d si i, j sunt de tipul ``Function``, vectorii si matricile sunt scrise ``Bold, Italic``. Desi sunt multe lucrari referitoare la aspecte specifice masinilor electrice si transformatoarelor de putere, exista o serie de lucrari de baza pentru cunoasterea functionarii acestora, dintre care a fost selectata o bibliografie citata la sfarsitul lucrarii.
Lucrarea se adreseaza, in primul rand, utilizatorilor de masini si transformatoare de putere din industrie si energetica, desi poate fi utila si celor care urmeaza sa construiasca aceste dispozitive sau sa le foloseaca in sisteme de actionare electrica (Autorul).
CUPRINS
Cuvant inainte VII
Cuprins IX
1. NOTIUNI GENERALE 1
1.1. Introducere 1
1.2. Definitii generale. Clasificare 1
1.3. Principiul de functionare al masinilor electrice si transformatoarelor 3
1.4. Elementele constructive de baza ale masinilor electrice 6
1.5. Materiale folosite in constructia masinilor si transformatoarelor electrice 6
1.6. Regimuri de functionare, marimi nominale si unitati relative 9
1.7. Incalzirea si racirea masinilor si transformatoarelor electrice 10
1.8. Conventii de asociere a sensurilor de referinta 11
2. TRANSFORMATOARE ELECTRICE 13
2.1. Definitie, destinatie, clasificare, date nominale 13
2.2. Elementele constitutive ale transformatorului 14
2.3. Principiul de functionare al transformatorului monofazat. Teoria fizica 17
2.4. Teoria tehnica a transformatorului monofazat. Functionarea in gol 20
2.5. Teoria tehnica a transformatorului. Functionarea in sarcina 25
2.5.1. Relatia solenatiilor 25
2.5.2. Campul magnetic in sarcina si ecuatiile de tensiuni 27
2.5.3. Raportarea marimilor secundare la numarul de spire al infasurarii primare 29
2.5.4. Sistemul complet al ecuatiilor transformatorului si diagrama de fazori 29
2.5.5. Transferul de putere in transformator 31
2.6. Schemele echivalente ale transformatorului. Diagrama de fazori simplificata (Kapp) 32
2.7. Transformatorul trifazat 35
2.7.1. Particularitati constructive si teoretice 35
2.7.2. Conexiunile transformatoarelor trifazate 36
2.7.3. Grupe de conexiuni 38
2.7.4. Fenomene care insotesc magnetizarea miezului la transformatorul trifazat 40
2.8. Elemente de calcul al parametrilor transformatorului 44
2.8.1. Calculul parametrilor de functionare in gol 44
2.8.2. Calculul parametrilor de functionare in scurtcircuit 46
2.9. Incercarile transformatoarelor 49
2.9.1. Aspecte generale 49
2.9.2. Verificarea raportului de transformare 50
2.9.3. Verificarea grupei de conexiuni 50
2.9.4. Masurarea rezistentelor electrice in curent continuu 51
2.9.5. Verificarea rigiditatii dielectrice a izolatiei transformatorului la frecventa industriala 52
2.9.6. Incercarea de functionare in gol 53
2.9.7. Incercarea de functionare in scurtcircuit 53
2.10. Caracteristica externa a transformatorului 56
2.11. Reglarea tensiunii transformatorului 58
2.12. Randamentul transformatorului 59
2.13. Functionarea in paralel a transformatoarelor 60
2.14. Functionarea transformatorului trifazat in sarcina nesimetrica 64
2.15. Fenomene tranzitorii in transformatoare 73
2.15.1. Conectarea in gol a transformatorului 74
2.15.2. Scurtcircuit brusc la tensiunea nominala 76
2.15.3. Supratensiuni in transformator 78
2.16. Transformatorul cu trei infasurari 80
2.16.1. Consideratii generale 80
2.16.2. Relatii fundamentale 81
2.16.3. Ecuatiile de tensiuni ale transformatorului cu trei infasurari si schema echivalenta 82
2.17. Autotransformatorul 85
2.17.1. Relatii generale 85
2.17.2. Ecuatiile de tensiuni ale autotransformatorului 87
3. ELEMENTE GENERALE ALE TEORIEI MASINILOR ELECTRICE ROTATIVE DE CURENT ALTERNATIV 91
3.1. Tensiunea electromotoare indusa in infasurarile masinilor electrice
de curent alternativ 91
3.1.1. Aspecte generale 91
3.1.2. Campul invartitor al armaturii rotitoare 92
3.1.3. Tensiunea electromotoare indusa intr-o spira 94
3.1.4. Tensiunea electromotoare indusa intr-o infasurare de faza 97
3.1.5. Tensiunea electromotoare indusa de un camp nesinusoidal 100
3.2. Infasurarile de curent alternativ 102
3.2.1. Datele infasurarii 102
3.2.2. Infasurari trifazate intr-un strat 102
3.2.3. Infasurari trifazate in doua straturi 103
3.2.4. Infasurari rotorice in scurtcircuit 106
3.3. Curba tensiunii magnetice a infasurarilor de curent alternativ 106
3.3.1. Consideratii introductive 106
3.3.2. Curba tensiunii magnetice a unei bobine 107
3.3.3. Curba tensiunii magnetice a unei infasurari de faza 108
3.3.4. Curba tensiunii magnetice a unei infasurari trifazate 110
3.3.5. Campul magnetic invartitor al armaturilor trifazate 113
3.4. Interactiunea armaturilor prevazute cu infasurari 116
3.4.1. Reactia indusului in masinile trifazate 116
3.4.2. Cuplul electromagnetic in masinile trifazate 121
4. MASINA ASINCRONA 123
4.1. Aspecte generale. Marimi nominale 123
4.2. Elemente constructive de baza ale masinii asincrone 124
4.3. Functionarea masinii asincrone in regim de motor 125
4.4. Regimurile de functionare ale masinii asincrone 128
4.5. Teoria tehnica a masinii asincrone 129
4.6. Schemele echivalente ale masinii asincrone 137
4.7. Cuplul electromagnetic al masinii asincrone 139
4.8. Caracteristica mecanica si stabilitatea functionarii masinii asincrone 142
4.9. Teoria diagramei cercului 144
4.10. Determinarea caracteristicilor motorului asincron 152
4.10.1. Determinarea experimentala directa a caracteristicilor 152
4.10.2. Determinarea caracteristicilor cu ajutorul diagramei cercului 154
4.10.3. Determinarea caracteristicilor prin calcul 157
4.10.4. Abateri de la situatia reala 158
4.11. Pornirea motorului asincron 159
4.11.1. Consideratii generale 159
4.11.2. Motoare cu rotor bobinat si inele de contact 160
4.11.3. Motoare cu rotorul in scurtcircuit 162
4.11.4. Motorul cu colivie din bare inalte 163
4.11.5. Motorul cu dubla colivie 168
4.12. Reglarea vitezei motorului asincron 169
4.12.1. Modificarea numarului de poli 170
4.12.2. Modificarea frecventei de alimentare 170
4.12.3. Modificarea alunecarii s 172
4.13. Functionarea masinii asincrone in regimuri nesimetrice 174
4.13.1. Alimentarea masinii asincrone cu tensiuni nesimetrice 174
4.13.2. Nesimetria circuitului rotoric 177
4.14. Motorul asincron monofazat 178
4.15. Utilizari industriale speciale ale masinii asincrone 183
4.16. Modelul de camp al masinii asincrone 188
4.16.1. Consideratii introductive 188
4.16.2. Ecuatiile tensiunilor in valori instantanee 189
4.16.3. Ecuatiile masinii asincrone in reperul {d,q,0} 196
4.16.4. Ecuatiile generale ale masinii asincrone in unitati relative 200
4.16.5. Schemele circuitelor echivalente ale masinii asincrone 203
4.16.6. Modelul matriceal al masinii asincrone 208
5. MASINA SINCRONA 215
5.1. Generalitati, definitii si marimi nominale 215
5.2. Elemente constructive ale masinii sincrone si sisteme de excitatie 216
5.3. Principiul de functionare al generatorului sincron si diagrama lui energetica 219
5.4. Teoria tehnica a generatorului sincron cu poli inecati 221
5.4.1. Compunerea tensiunilor magnetice 222
5.4.2. Tensiunile electromotoare induse in infasurari 224
5.4.3. Ecuatia de tensiuni si diagrama de fazori 225
5.4.4. Unghiul intern si cuplul electromagnetic 228
5.5. Teoria tehnica a generatorului sincron cu poli aparenti 229
5.5.1. Compunerea tensiunilor magnetice 230
5.5.2. Ecuatia de tensiunii si diagrama de fazori 234
5.5.3. Cuplul electromagnetic 238
5.6. Caracteristicile generatorului sincron trifazat in regim stationar simetric 240
5.6.1. Caracteristica in gol 240
5.6.2. Caracteristica in scurtcircuit I(Ie) 241
5.6.3. Caracteristica in sarcina U(Ie) 244
5.6.4. Caracteristica externa U(I) 246
5.6.5. Caracteristica reglajului Ie(I) 248
5.6.6. Determinarea parametrilor statici ai masinii sincrone 249
5.7. Functionarea in paralel a generatoarelor sincrone 253
5.7.1. Conectarea in paralel a generatoarelor sincrone 253
5.7.2. Functionarea generatorului sincron in paralel cu reteaua 256
5.7.3. Functionarea masinii sincrone cu excitatie constanta si cu putere activa variabila (stabilitatea) 258
5.7.4. Functionarea masinii sincrone cu putere activa constanta si excitatie variabila 262
5.7.5. Diagrama de incarcare a generatorului sincron 264
5.8. Motorul sincron 266
5.8.1. Trecerea masinii sincrone in regim de motor 266
5.8.2. Caracteristicile motorului sincron 268
5.8.3. Pornirea motorului sincron 269
5.9. Compensatorul sincron 272
5.10. Masina reactiva 273
5.11. Regimuri nesimetrice ale masinii sincrone 276
5.11.1. Parametrii masinii sincrone in regimuri simetrice 277
5.11.2. Scurtcircuitul stationar nesimetric al generatorului sincron 280
5.11.3. Functionarea in sarcina nesimetrica 281
5.11.4. Generatorul sincron monofazat 282
5.12. Elemente pentru studiul functionarii masinii sincrone in regim tranzitoriu 282
5.12.1. Modelul masinii electrice idealizate 282
5.12.2. Ecuatiile tensiunilor in valori instantanee 284
5.12.3. Ecuatiile fluxurilor si raportarea marimilor 284
5.12.4. Ecuatiile masinii sincrone in sistemul de referinta d, q, 0 289
5.12.5. Ecuatiile generale ale masinii sincrone in unitati relative 292
5.12.6. Schemele circuitelor echivalente ale masinii sincrone in regim variabil 296
5.12.7. Ecuatiile operationale si parametrii operationali ai masinii sincrone 299
5.12.8. Scurtcircuitul trifazat brusc la bornele generatorului sincron functionand in gol 306
Tabelul 5.1: Valorile parametrilor masinilor sincrone si asincrone 313
5.12.9. Tratarea matriceala a modelului masinii sincrone 314
6. MASINA DE CURENT CONTINUU 321
6.1. Generalitati. Definitii si marimi nominale 321
6.2. Elemente constructive de baza ale masinii de curent continuu 322
6.3. Principiul de functionare al masinii de curent continuu 324
6.4. Infasurarile indusului masinii de curent continuu 326
6.5. Tensiunea electromotoare a masinii de curent continuu 329
6.6. Cuplul electromagnetic al masinii de curent continuu 331
6.7. Campul magnetic din intrefierul masinii de curent continuu 332
6.8. Comutatia 335
6.9. Functionarea masinii de curent continuu ca generator 339
6.10. Caracteristicile generatoarelor de curent continuu 341
6.10.1. Generatorul cu excitatie separata 341
6.10.2. Generatorul cu excitatie derivatie 343
6.10.3. Generatorul cu excitatie serie 346
6.10.4. Generatorul cu excitatie mixta 346
6.11. Functionarea masinii de curent continuu ca motor 347
6.12. Caracteristicile motoarelor de curent continuu 349
6.12.1. Pornirea motorului de curent continuu si reglajul vitezei 349
6.12.2. Motorul de curent continuu cu excitatie in derivatie 350
6.12.3. Grupul generator-motor 352
6.12.4. Motorul cu excitatie in serie 354
6.12.5. Motorul cu excitatie mixta 356
6.13. Masina de curent continuu unipolara 356
6.14. Masini electrice amplificatoare de curent continuu 357
7. MASINI DE CURENT ALTERNATIV CU COLECTOR 361
7.1. Consideratii generale 361
7.2. Motorul monofazat serie cu colector 361
7.3. Motorul cu repulsie 365
7.4. Masini de curent alternativ trifazate cu colector 366
7.4.1. Necesitatea convertizorului de frecventa la reglarea vitezei motorului asincron 366
7.4.2. Functionarea convertizorului de frecventa cu colector 367
7.4.3. Motorul trifazat derivatie cu colector cu alimentare rotorica 370
BIBLIOGRAFIE 373
DESPRE AUTOR
Prof. dr. ing. Augustin MORARU s-a nascut la 28 martie 1928, in Bucuresti (dec.2010). A absolvit Institutul Politehnic din Bucuresti, Facultatea de Electromecanica, sectia Masini si aparate electrice, in anul 1951 cu diploma de merit.
In perioada 1951-1958 a lucrat ca cercetator principal si sef de sector la Institutul de Energetica al Academiei Romane, apoi la I.I.S. Termotehnica, devenita I.I.S. Automatica. La 14 II 1966 a revenit la Institutul de Energetica al Academiei Romane, iar din anul 1970 si pana in 1998 a fost cadru didactic universitar la Institutul Politehnic din Bucuresti, in functia de conferentiar, respectiv de profesor din 1990. Din 1998 este profesor consultant la Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti.
A obtinut titlul de doctor in specialitatea Masini electrice, cu teza de doctorat ``Masina electrica amplificatoare de curent continuu-Amplidina``, avandu-l conducator pe acad. I. S. Gheorghiu. In anul 1991 a primit Premiul Academiei Romane ``Constantin Budeanu``.
Este membru fondator (din 1990) al AIEER, membru al IEEE, membru fondator ASMER si membru titular al ASTR.
A cooperat cu Electricite de France timp de 12 ani, a participat la un proiect COPERNICUS timp de 5 ani, iar in prezent colaboreaza la un proiect Euratom Contract F1, prin NILPRP, Magurele - Bucharest, Romania cu Max-Planck - Institut fur Plasmaphysik (IPP), Garching, Germany.
Are lucrari publicate: didactice 12 manuale, culegeri de probleme si indrumare de laborator, 3 cursuri publicate pe Internet: http//www.infocarti.r/cusuri universitare, lucrari stiintifice: 6 carti si 3 capitole dintr-un manual, 116 articole in reviste, din tara si din strainatate, 74 comunicari stiintifice publicate in volume, in tara si in strainatate, 144 comunicari si referate la manifestari stiintifice din tara si din strainatate, 24 memorii stiintifice nepublicate (de uz intern) si 64 memorii ale unor contracte de cercetare stiintifica interne si in cooperare internationala, 6 inventii si o inovatie.
Domeniile abordate in lucrarile stiintifice sunt: masini electrice clasice, masini electrice speciale, aparate electrice de masurat, elemente de automatizare si traductoare, aparatura pentru cercetare stiintifica in domeniul electrotehnicii si al automaticii, actionari electrice, oscilatii neliniare, masini electrice cu miscare liniara, fenomene electromagnetice in masini electrice si transformatoare de putere mare, sisteme de excitatie ale masinii sincrone, incalzirea prin inductie, metode numerice pentru calculul campului electromagnetic, proiectarea asistata de calculator a transformatoarelor si masinilor electrice, metode pentru studiul regimului nesinusoidal, abordarea modala a masinii sincrone, model analitic pentru inductivitatea de dispersie a capetelor de bobina, difuzia campului electromagnetic in regim periodic, solicitari si vibratii la capetele de bobina ale turbogeneratoarelor, diagnosticarea rotorului turbogeneratorului, modelul analitic si numeric al motorului de inductie sinusoidal, propagarea campului electromagnetic in infasurarile transformatoarelor electrice si modelul anizotrop al transformatorului, motorul de inductie monofazat, stabilizarea plasmei in instalatii Tokamak, bobina de inductie pentru aprindere prin scanteie, campul electrocinetic si vizualizarea oscilatiilor suprafetei aluminiului topit in cuva pentru electroliza aluminiului, campul magnetic in structuri rare extinse, transformator cu 4 infasurari, forte in transformatorul monofazat.
Activitate didactica. Disciplinele predate sunt: Bazele electrotehnicii, Teoria campului electromagnetic, Electrotehnica generala, Chestiuni speciale de electrotehnica si electronica, Electrotehnica si masini electrice, Masini electrice, Utilizarea energiei electrice (in metalurgie si in agricultura). Din 1990 a condus doctoranzi in specialitatea Inginerie Electrica.
Alte activitati. Din 1970 pana in 2010, membru al Comitetului de redactie, iar din 1991 - Redactor Sef adjunct al revistei Academiei Romane ``Revue Roumaine des Sciences Techniques, Serie Electrotechnique et Energetique``.