Materiale electrotehnice utilizate in constructia convertoarelor cu energie magnetica intermediara

Materiale electrotehnice utilizate in constructia convertoarelor cu energie magnetica interm 121c24b ediara

Principalele materiale electrotehnice utilizate in constructia convertoarelor electromecanice cu energie magnetica interm 121c24b ediara sunt: materiale conductoare, materiale magnetice si materiale izolante.

a. Materiale conductoare. Materiale conductoare folosite sunt destinate, in principal, realizarii infasurarilor; se utilizeaza cuprul si aluminiul sub forma de cabluri si sarme trefilate si mai rar sub forma de folie. Conductoarele din care se realizeaza infasurarile sunt, fiecare in parte, izolate. Alte elemente constructive specifice, realizate din materiale conductoare pot fi bornele de alimentare.

b. Materiale magnetice. In constructia convertoarelor electromecanice se utilizeaza materiale feromagnetice si magneti permanenti

Materialele feromagnetice au o structura fizica aparte: atunci cand intervine un camp magnetic exterior aceste materiale au tendinta de a se transforma in magneti. Materialele feromagnetice care isi pastreaza proprietatea de magnet dupa eliminarea campului exterior (remanenta) formeaza categoria materialelor feromagnetice dure, sau asa numitii magneti permanenti, in timp ce materialele feromagnetice care revin aproape la starea initiala, dupa suprimarea campului magnetic exterior se numesc materiale feromagnetice moi

Din materialele feromagnetice moi se construiesc miezurile magnetice ale convertoarelor, iar magnetizarea lor temporara se realizeaza cu ajutorul bobinelor asezate pe aceste miezuri (vezi paragraful 1.1). Cand intr-un astfel de miez este distribuit un camp magnetic a carui intensitate variaza in timp, valoarea inductiei magnetice modificandu-se in fiecare moment in functie de valoarea instantanee a intensitatii campului magnetic. Dependenta dintre magnetizatia in material, respectiv inductia magnetica si intensitatea campului magnetic este neliniara si neunivoca, formand ciclul de histerezis.

In figura 1.4 sunt prezentate doua asemenea caracteristici. Ciclul de histerezis (1) (vezi figura 1.4.a) este tipic pentru materialele magnetice moi, caracterizat de o valoare redusa a intensitatii campului magnetic coercitiv (de ordinul zecilor de A/m), o valoare a inductiei magnetice remanente de ordinul a 0,5 T si o valoare a inductiei de saturatie , aproximativ de (1,8.2) T. Aceste materiale se magnetizeaza si se demagne-tizeaza usor ( este mic), se utilizeaza pentru constructia miezurilor magnetice si se prezinta sub forma de tabla subtire, laminate la cald sau la rece, izolata cu oxizi ceramici. Tabla are grosimi de (0,2 . 0,5) mm, in functie de conditiile de utilizare.

Ciclul de histerezis (2) (vezi figura 1.4.b) este tipic materialelor magnetic dure (magneti permanenti) care au in gama (0,6 . 1,2) T si sunt greu de demagnetizat ( are valori de ordinul kA/m).

In multe cazuri practice, in analizele teoretice, se neglijeaza histerezisul magnetic si se utilizeaza caracteristica de magnetizare care reprezinta curba loc geometric al varfurilor ciclurilor de histerezis (figura 1.4.a, curba 1). Utilizarea caracteristicii de magnetizare impune adoptarea unei permeabilitatii magnetice dependente de punctul de functionare.

Daca, pentru un circuit magnetic cu sectiunea constanta, valoarea maxima a inductiei magnetice este aceeasi, de exemplu valoarea din figura 1.5.a, atunci caracteristica de magnetizare (1) se poate liniariza in punctul de functionare prin dreapta (2). In acest caz se considera ca permeabilitatea magnetica este constanta.

Sunt frecvente metodele teoretice in care se adopta idealizarea prezentata in figura 1.12.b, in care permeabilitatea magnetica , iar tensiunea magnetica este nula pentru zona respectiva de circuit magnetic.

c. Materiale izolante. Materialele izolante au rol de mediu dielectric, contribuind la consolidarea mecanica a partilor conductoare (sub forma de pene, distantoare etc.) si la evacuarea caldurii rezultate, in timpul functionarii, in partile active (infasurari si miezuri). Alegerea materialelor izolante se realizeaza in acord cu clasa de izolatie a convertorului.

In aceeasi clasa de izolatie sunt reunite materialele care isi mentin proprietatile electroizolante atata timp cat temperatura nu depaseste o anumita valoare; aceasta valoare este desemnata drept temperatura caracteristica a clasei de izolatie.

Standardul STAS 6247-60 clasifica materialele izolante in sapte clase, indicand si temperaturile lor caracteristice: Y (90 ⁰C), A (105 ⁰C), E (120 ⁰C), B (130 ⁰C), F (155 ⁰C), H (180 ⁰C) si C(> 180 ⁰C).

Un convertor electric construit intr-o anumita clasa de izolatie are in componenta sa materiale izolante din clasa respectiva sau din clase superioare. Nu se folosesc materiale din clase inferioare, chiar daca acestea nu sunt in contact direct cu partile active ale instalatiei.

In practica se utilizeaza o relatie empirica pentru aprecierea duratei de viata a unui convertor, in cazul functionarii pe o perioada indelungata cu supratemperatura fata de temperatura impusa de clasa de izolatie:

unde reprezinta durata de viata la functionarea in limitele impuse de clasa de izolatie.

Observatie In cazul utilizarii timp indelungat a convertorului la o sarcina care determina o supratemperatura de 9 grade fata de temperatura admisa de clasa de izolatie, durata de viata a acesteia se reduce la jumatate din durata normala de viata.

I 3.1. Pierderi de energie si pierderi de puteri

Pe durata functionarii unui convertor electric, pe langa conversia energiei dintr-o forma in alta se produce si o disipare de energie datorata pierderilor inerente functionarii. Caldura rezultata din aceasta disipare este transmisa in exterior prin elementele constructive si circuitul de racire.

Pierderile de energie se produc in principal in circuitele active ale convertorului (infasurari, armaturi magnetice) si sunt datorate fenomenelor electromagnetice si mecanice. In cazul fenomenelor electromagnetice pierderile de energie se explica prin procesele fizice care sunt legate de conductia electrica si magnetizarea materialelor magnetice. Convertoarele de tip electric-electric nu au armaturi in miscare.

In regim permanent de functionare este mai comod sa se analizeze pierderile de putere in locul pierderilor de energie.

a) Pierderile de putere in circuitele electrice (P_J) - sunt pierderi prin efect Joule in infasurari. Expresia generala a acestora se stabileste conform legii transformarii energiei in conductoarele parcurse de curent electric de conductie

,

unde J este densitatea curentului de conductie in materialul conductor, care ocupa volumul si are rezistivitatea .

Pentru infasurari realizate din conductoare parcurse de curent alternativ, expresia pierderilor Joule ia forma:

(1.9)

unde I este valoarea efectiva a curentului ce strabate conductorul, R este rezistenta electrica a conductorului in ipoteza distributiei uniforme a densitatii curentului in sectiunea conductorului (rezistenta in curent continuu), iar k_R este factorul de majorare datorita efectelor de refulare a curentului la frecvente nenule. Daca infasurarea este parcursa de curent continuu, atunci I este valoarea acestui curent si k_R = 1.

b. Pierderile de putere in circuitul magnetic () sunt pierderi care apar ca urmare a doua efecte datorate distributiei unui camp magnetic variabil in timp intr-o armatura feromagnetica: efectul aparitiei curentilor turbionari P_T si efectul magnetizarii neunivoce, dupa o curba de histerezis P_H.

Pierderile prin curenti turbionari se datoreaza curentilor care se inchid pe trasee circulare, incluse in plane transversale tubului de flux magnetic (vezi figura 1.6.a) si sunt determinati de tensiunile electromotoare induse prin variatia fluxului magnetic; astfel, pierderile prin curenti turbionari depind direct proportional de patratul valorii intensitatii acestor curenti.

La o anumita valoare maxima a fluxului magnetic prin miez si o anumita valoare a frecventei acesteia, respectiv la anumite valori ale tensiunilor electromotoare induse, intensitatea curentilor turbionari prin circuitele elementare se poate reduce prin cresterea rezistivitatii electrice a acestor circuite. Acest lucru se face practic prin alierea otelului electrotehnic cu siliciu si prin lamelarea miezului feromagnetic, adica realizarea lui din fasii de tabla (tole), izolate intre ele (vezi figura 1.6 b).

unde p_T reprezinta pierderile specifice prin curenti turbionari, care depind de inductia magnetica maxima in fier B_fe si coeficientul de pierderi prin curenti turbionari , specific materialului.

Pierderile prin histerezis sunt legate de o proprietate a materialelor magnetice utilizate in constructia convertoarelor electromecanice: feromagnetismul. In timpul magnetizarii alternative a materialului magnetic, la fiecare perioada de variatie in timp a intensitatii campului magnetic se parcurge un ciclu complet de histerezis (vezi paragraful I 2.1). Acest fenomen este insotit de pierderi care sunt proportionale cu aria ciclului de histerezis. Astfel, o posibilitate de reducere a pierderilor prin histerezis este utilizarea materialelor cu ciclu de histerezis cat mai ingust.

Expresia pierderilor prin histerezis, la magnetizare alternativa cu frecventa f, a unui volum de material feromagnetic este:

unde p_H reprezinta pierderile specifice prin histerezis, care depind de inductia magnetica maxima in fier B_fe si coeficientul de pierderi prin histerezis , specific materialului.

Din expresiile celor doua categorii de pierderi in fier se constata ca pentru o constructie data, la frecventa constanta, ele depind numai de patratul inductiei magnetice:

(1.10)

unde uzual se considera exponentul k=1,5.

In cazul regimului permanent de functionare, inductia magnetica pe diferite portiuni ale circuitului magnetic depinde numai de fluxul magnetic rezultant. La randul sau, fluxul magnetic este proportional, printr-un factor k_fe, cu valoarea tensiunii U_b la bornele circuitului electric ce il determina. In consecinta, in multe situatii practice se considera ca, pentru o constructie data si la o frecventa constanta, pierderile in fier au expresia:

(1.10.a)