Tehnologia motoarelor de putere

TEHNOLOGIA MOTOARELOR DE PUTERE

Prin masina electrica se intelege o masina rotativa care transforma puterea electrica in putere mecanica - motoare - sau invers - generatoare.

1. Clasificarea motoarelor electrice

Masinile electrice se impart in masini de curent continuu si masini de curent alternativ, dupa felul energiei electrice ce ia parte in conversia electromecanica realizata de masina. Masinile de curent alternativ pot fi mono- sau polifazate. Orice masina electrica este reversibila din punct de vedere al conversiei energiei realizate; ea poate functiona fie ca generator, fie ca motor.

Masinile de curent alternativ se impart in doua mari clase: sincrone si asincrone. Masina sincrona se caracterizeaza prin faptul ca in regim permanent frecventa curentului schimbat cu reteaua de curent alternativ se afla in raport constant cu viteza unghiulara de rotatie a masinii, indiferent de gradul de incarcare al masinii. Masina asincrona se caracterizeaza printr-o viteza unghiulara ce nu se mentine in raport constant in raport cu frecventa retelei electrice, ci variaza odata cu modificarea regimului de functionare al motorului sau cu modificarea gradului de incarcare.

2. Clasificarea masinilor electrice din punct de vedere al ventilatiei

Evacuarea caldurii din masina electrica constituie o problema tot asa de importanta ca si fenomenele legate de insasi functionarea propriu-zisa. De aceea, alegerea unei ventilatii satisfacatoare trebuie avuta in vedere inca de la alegerea solicitarilor electromagnetice. In concluzie, proiectantul trebuie sa gaseasca sistemul de ventilatie cel mai eficace pentru un tip de protectie impus. Totodata nu trebuie lasata deoparte clasa de izolatie in care se realizeaza masina electrica respectiva.

OBSERVATII. Dupa natura agentului de racire, la masinile electrice rotative se disting:

a) racirea cu gaz (aer sau hidrogen);

b) racirea cu lichid (cel mai frecvent - apa).

Dupa tipul de ventilatie, masinile electrice pot fi realizate in urmatoarele variante (se au in vedere tipurile cel mai frecvent intalnite si care folosesc drept agenti de racire aerul si apa):

masini cu ventilatie naturala;

masini cu autoventilatie fortata;

masini cu ventilatie fortata independenta (straina).

1.2.1. Masini cu ventilatie naturala

Masinile cu ventilatie naturala sunt acelea in care evacuarea caldurii provenita din pierderi se face numai prin radiatie, conductivitate si convectie naturala, in sensul ca nu se folosesc mijloace de activare a evacuarii caldurii. Trebuie mentionat faptul ca, totusi, rotorul fiind o piesa in miscare are o oarecare influenta pozitiva, mai ales asupra convectiei. Totusi, fiindca nu exista dispozitive speciale (ventilatoare, aripioare etc.) de creare a unui curent de aer care sa schimbe valorile coeficientilor de conductivitate, convectie si radiatie, acest sistem de ventilatie se considera " natural ".

In prezent, acest sistem se foloseste la masinile mici, precum si la masini care, avand o protectie IP00 le asigura o racire convenabila. Totusi, daca suntem nevoiti a folosi acest sistem de ventilatie, solicitarile electromagnetice se aleg cu 10 - 20 % mai mici decat in cazul masinilor protejate si cu ventilatie fortata.

1.2.2. Masini cu ventilatie fortata

La cele mai multe masini se adopta un ventilator montat pe axul rotorului, cu scopul de a crea o presiune, sau o depresiune, incat aerul din interiorul masinii sa fie schimbat cu un altul proaspat din mediul ambiant. Aerul fiind mereu altul se spune ca avem o " ventilatie fortata in circuit deschis "; pentru ca ventilatorul este antrenat de insasi masina pe care o raceste, sistemul se numeste " autoventilat ". Tipul acesta de ventilatie se poate realiza atat la masinile deschise cat si la cele protejate (la protectiile IP22, IP23, IP33). Dupa modul cum este dirijata circulatia aerului in masina, se disting urmatoarele posibilitati:

a)    Autoventilatie fortata axiala in care circulatia aerului in interiorul masinii se face axial, adica paralel cu axul masinii. In acest caz aerul patrunde pe la un capat al masinii si este evacuat pe la capatul opus.

b)    Autoventilatie fortata radiala in care aerul de racire absorbit pe la un capat al masinii, este refulat catre partea activa a miezului magnetic, miez care este divizat in pachete. Aerul trece pe sub jugul rotoric, intra in canalele de ventilatie radiale dintre pachete, trece apoi in canalele radiale din stator, patrunde in spatiul dintre miez si carcasa si dupa ce face un cot, de aproximativ 90⁰, iese in mediul ambiant.

Pentru ca aerul sa nu iasa din masina fara a trece prin canalele radiale, partea rotorului opusa ventilatorului trebuie obturata. Acest sistem se mai numeste si " axial - radial ". In cazul masinilor lungi si foarte lungi masina poate fi prevazuta cu doua ventilatoare radiale dispuse la cele doua capete ale rotorului.

In practica, acest tip de ventilatie mai poarta numele de " ventilatie bilaterala ". La masinile cu diametrul rotorului mare, ventilatoarele constau din palete montate chiar pe butucul rotorului.

O problema deosebita o prezinta ventilatia masinilor inchise, adica cele cu protectie IP44, IP54 etc.

Solutia cea mai des intalnita este suflarea cu ajutorul unui ventilator propriu a suprafetei exterioare a carcasei cu un curent de aer rece, obtinandu-se astfel o masina cu autoventilatie exterioara.

In scopul realizarii unor masini inchise cu parametrii economici acceptabili s-au imaginat si alte constructii, cum ar fi:

carcase nervurate si cu buzunare (canale) pentru circulatia aerului de interior;

statoare prevazute cu canale axiale de ventilatie pentru aerul de racire;

rotoare prevazute cu canale axiale de ventilatie pentru aerul de racire.

1.3. Consideratii privind influenta ventilatiei asupra proiectarii masinii

O problema deosebita o ridica, din punct de vedere al ventilatiei, masinile cu reglaj de turatie. In aceasta situatie existand mai multe posibilitati, trebuie analizata varianta cea mai economica, bineinteles fara a aduce prejudicii bunei functionari a instalatiei.

In scopul rezolvarii proiectarii masinilor cu turatie variabila s-au imaginat si realizat constructii cu ventilator independent integrat al carui debit de aer nu depinde de viteza masinii principale.

De asemenea o masina cu turatie variabila si cu protectie IP44 sau superioara poate fi realizata cu schimbator de caldura, dar la care circulatia aerului se face in circuit inchis cu ajutorul unui ventilator actionat independent de motorul propriu-zis.

Un alt element care influenteaza dimensionarea unei masini electrice, respectiv alegerea solicitarilor electromagnetice, este altitudinea la care functioneaza masina. Conform standardelor in vigoare (STAS 1893-72), toate masinile au puterea si incalzirea garantata daca functioneaza pana la o altitudine de 1000 m. Daca se depasesc 1000 m, atunci datorita rarefierii aerului, ventilatia masinii se inrautateste. Din aceste motive trebuie ca solicitarile electromagnetice sa fie micsorate cu 5 % la masinile deschise si cu 10 % la masinile inchise, daca masinile sunt destinate a functiona la altitudini de pana la 2000 m. Peste aceasta altitudine se intalnesc cazuri mai rare.

Standardele precizeaza ca temperatura maxima a aerului de racire este de +40⁰C si toate referirile privind incalzirea masinii se fac la aceasta valoare. In realitate se pot intalni cazuri cand temperatura mediului ambiant depaseste +40⁰C. Evident in acest caz trebuie alese solicitari mai mici. Micsorarea acestor solicitari in functie de puterea nominala a masinii si de temperatura mediului ambiant este data in tabela 1.3. Este mai comod si mai sigur a aplica aceasta micsorare produsului (A B_δ).

TABELA 1.3

Micsorarea relativa a produsului (A B_δ) in functie de temperatura mediului ambiant(%).

Alegerea masinii electrice in functie de conditiile de exploatare

Prin conditii de exploatare se intelege o suma de situatii in care se poate afla un motor electric in timpul utilizarii lui. Aceste situatii pot influenta buna functionare a motorului electric. Ca urmare, la alegerea unui motor trebuie sa se tina seama de conditiile in care aceasta va functiona in exploatare.

Un motor electric bine ales din punct de vedere al parametrilor electrici si mecanici poate fi pus in situatii diferite de functionare de urmatorii factori: serviciul de functionare, altitudinea locului de montare, temperatura mediului ambiant, pozitia de functionare, solicitarile in perioada de pornire, suprasarcini in timpul functionarii, scopul functional.

Incepand cu normativele CEI 34 - 1 din anul 1969 si STAS 1893 - 72 s-au introdus notiunile de regim, serviciu si serviciu tip referitoare la functionarea unei masini electrice.

Altitudinea locului de montare si exploatare

Altitudinea pentru care se proiecteaza si construiesc motoarele electrice, prevazuta in STAS 1893 - 72, (normale) este de 1000 m deasupra nivelului marii. Este necesara aceasta limitare, deoarece pe masura ce altitudinea creste, presiunea aerului scade si motorul electric tinde sa se incalzeasca mai mult la aceeasi putere nominala, ceea ce determina inrautatirea conditiilor de racire. Aceasta crestere a incalzirii a motorului este de aproximativ 0,5^OC la 100 m majorare a altitudinii locului de montaj, considerandu-se aceeasi temperatura ambianta pentru care a fost garantat motorul la 1000 m altitudine. cu toate acestea, exista si motoare construite special pentru a functiona la parametrii nominali la mai mult de 1000 m altitudine. aceste motoare sunt necesare pentru a asigura transportul la inaltime.

Temperatura mediului ambiant

Toate motoarele electrice sunt dimensionate pentru a asigura parametrii nominali la o temperatura a mediului ambiant de maximum +40^OC, adica temperatura aerului sau a mediului de racire a masinii electrice sa nu depaseasca +40^OC.

In cazul folosirii apei ca mijloc de racire, aceasta nu trebuie sa depaseasca +25^OC la un motor normal.

Orice depasire a temperaturii mediului ambiant conduce la realizarea unei masini speciale sau, in cazul utilizarilor unor motoare normale, acestea vor trebui alese in comun acord cu producatorul.

Daca montarea motorului se face intr-un spatiu prea mic sau in conditii in care ventilatia masinii este obturata partial sau total, desi temperatura mediului ambiant este cea regulamentara, se va alege un motor special, in comun acord cu fabricantul.

Natura mediului ambiant si protectiile necesare

In functie de conditiile mediului ambiant norma, explosiv, cu vapori de acizi, sau climat special, tipurile constructive de motoare se realizeaza cu grade de protectie corespunzatoare acestor conditii.

Un prim factor al conditiilor de mediu este climatul. La alegerea unui motor se iau in considerare climatele temperat, tropical umed, tropical arid (uscat).

Standardele fixeaza drept mediu de baza, mediul determinat de climatul temperat. Acest mediu se numeste mediu termic normal.

Pentru mediul termic normal, STAS 625 - 71 stabileste gradele normale de functionare pentru motoarele electrice.

Pentru alte medii ambiante determinate de prezenta gazelor, vaporilor sau pulberilor explozive, de amestecul dintre aceste elemente intre ele sau cu aerul, de vapori corozivi, etc., motoarele electrice se construiesc in mod special pe baza unor conditii tehnice speciale inscrise in caietele de sarcini sau standarde.

Astfel, in Romania prin STAS 6877/1,2-73; 6877/3 . 7-74; 6877/9-76; 6877/10-76 se stabilesc conditiile tehnice pentru incarcarea echipamentelor electrice destinate a functiona in medii explozive sau in medii gazoase.

Climatul tropical obliga unor masuri in plus,privind protectia pieselor componente ale masinilor electrice rotative, impotriva coroziunii, actiunii bacteriilor, termitelor, variatiei de temperatura si umiditate.

Motoarele electrice se construiesc cu diferite tipuri de protectie mecanica, fata de patrunderea in interiorul lor a corpurilor solide straine si a apei, cum si fata de atingerea partilor active ale motorului atat din punct de vedere electric cat si mecanic, astfel diminuandu-se pericolul de producere a accidentelor si spre a li se putea asigura o exploatare corespunzatoare locului si scopului pentru care au fost construite.

Notarea unitara a tipurilor de protectie mecanica pentru Romania este reglementata prin STAS 5325-70. Protectia este definita de ansamblul masurilor luate pentru a permite motorului respectiv sa functioneze la parametri nominali si pentru a asigura securitatea persoanelor care se gasesc in preajma motorului respectiv.