Definiti conceptul de proiectare a unei masini electrice

A proiecta o masina electrica inseamna a determina prin calcul sau a alege pe baza unei anumite experiente anterioare toate elementele care concura la definirea structurii constructiv-functionale a masinii avand in vedere posibilitatile tehnice si tehnologice de fabricare a fiecarei parti componente si a ansamblului masinii,plecand de la anumite date initiale, cerinte de exploatare si alte informatii formulate in tema de proiectare.Argumentati utilizarea materialelor feromagnetice in constructia masinii electrice

Daca se foloseste miez magnetic se obtine aceeasi inductie magnetica pentru un curent mult mai mic prin bobina (pierderi Joule mai mari, randament mai bun)Tipuri de materiale utilizate in constructia masinilor electrice

Materialele utilizate in constructia masinilor electrice sunt de mai multe tipuri:Electroconductoare (cupru, aluminiu,alama,aliaje)Magnetice (tole din otel magnetic, otel, ferite)Electroizolante (fibre textile, mica, polietilena)Altele (otel si fonta pentru consolidarea mecanica)Tipuri de protectie la masinile electrice

Tipurile normale de protectie ale masinilor electrice sunt standardizate si se simbolizeaza prin caracterele IP urmate de doua cifre:
prima cifra semnifica tipul de protectie contra atingerilor si contra patrunderii corpurilor solide strainea doua cifra se refera la protectia contra patrunderii apeiExplicati semnificatia simbolurilor: IP 55 , IP W 23

IP 55 primul 5 protejat partial contra patrunderii prafuluial doilea 5 protejat contra jeturilor de apa sub presiuneIP W 23 W- in conditii meteo speciale2 protejat impotriva patrunderii corpurilor solide straine mai amri decat 12mm 3 protejat impotriva picaturilor de apa cazute sub un unghi de maxim 15 grade fata de verticalaRacirea masinilor electrice

Evacuarea corespunzatoare a caldurii in exces din masina electrica este foarte importanta in exploatarea optima a acesteia.Caldura in exces se evacueazaa prin mecanisme specifice de transfer termic prin conductie,convectie si radiatie.Supraincalzirea duce la imbatranirea accelerata a sistemului sau de izolatie.Tipuri de ventilatie utilizate la masinile electrice

Ventilatie naturalaVentilatie fortata (autoventilatie sau ventilatie independenta)Definiti coeficientul de constructie al unei masini electrice

KG = M/MaMa = masa partilor active = Mfe + Mcu (masa miezului feromagnetic si masa conductoarelor din cupru)
M = masa totala a masiniiDefiniti dimensiunile ideale sau de calcul ale masinii electrice (D , Li , )

Dimensiunile ideale sau de calcul ale unei masini electrice sunt dimensiunile unei masini echivalente dpdv al solicitarilor si fenomenelor care au loc in masina reala care este caracterizata de camp magnetic uniform in intrefier.D diametrul masinii este diametrul interior al miezului feromagnetic statoricLi lungimea ideala este lungimea axiala a miezului feromagnetic al unei masini intrefierul echivalent este definit ca fiind lungimea intrefierului unei masini Definiti pasul polar functie de diametrul D al masinii

Pasul polar al masinii se defineste ca fiind lungimea arcului de cerc de diametru D corespunzator unui pol = D/(2p)Care sunt solicitarile electrice ale masinilor electrice?

Principalele solicitari electrice sunt reprezentate de patura de curent notata cu A si de densitatea de curent din conductoarele infasurarilor masinii notata cu JCare sunt solicitarile magnetice ale masinilor electrice?

Principalele solicitari magnetice sunt inductia magnetica in intrefier si inductiile magnetice in diferitele portiuni ale circuitului magneticDependenta dintre puterea electromagnetica, dimensiunile masinii si solicitarile electromagnetice. Interpretare.

Pentru o putere electromagnetica data Se si o turatie data n volumul de material activ D2*Li este cu atat mai mic cu cat solicitarile electromagnetice A*B sunt mai mari. Un volum de material activ D2*Li dat poate conduce la o masina cu diametru mare D si lungime mica Li sau un diametru mic D si lungime mare LiFactorul de forma

Factorul de forma reprezinta raportul dintre lungimea Li a masinii si pasul polar = Li / Coeficientul de utilizare

Coeficientul de utilizare reprezinta puterea electromagnetica obtinuta pe unitatea de volum a materialelor active si pe unitatea de turatie.C = Se / (D2*Li*n) [J/dm3]Tipuri de pierderi in masinile electrice

Principalele tipuri de pierderi in masinile electrice sunt:pierderile Joule in infasuraripierdeile in fierpierderile mecanice prin frecare si ventilatiepierderile suplimentareExplicati simbolurile: ASRO, CEI(IEC), ISO, EN, STAS, SR EN, SR CEI, SR ISO

ASRO Asociatia de Standardizare din RomaniaCEI Comisia Electrotehnica InternationalaISO Organizatia Internationala de StandardizareEN Euro Norm STAS Standard de StatSR EN Standard Roman identic cu standard europeanSR CEI Standard Roman identic cu standard international elaborat de CEISR ISO standard roman identic cu standard international elaborat de ISOModele utilizate in proiectarea masinilor electrice

Modele analitice plecand de la unele relatii stabilite, de la teoria masinii sau de la observatii empirico-experimentaleModele numerice pentru determinarea unor marimi sau parametri de interes pentru masinaCombinatie medoele analicite/modele numerice.Definiti problema de analiza si etapele ei

Problema de analiza inseamna determinarea performantelor unei masini date asi are urmatoarele etape:analiza si prelucrarea datelor norminale si a altor date de catalog ale masinii studiate

analiza principalelor elemente constructive

determinarea prin calcule a performantelor tehnice si economice pe baza unor modele adecvate ale masinii

Definiti problema de sinteza si etapele ei

Problema de sinteza consta in proiectarea masinii la performante impuse si are urmatoarele etape:formularea temei de proiectare

calculu dimensiunilor principale ale masinii si evaluarea solicitarilor electromagnetice

dimensionarea in detaliu

calculul performantelor tehnice si economice

corectarea solutiei constructive

Etapele principale ale dimensionarii analitice a masinilor electrice

Formularea temei de proiectare, stabilirea datelor nominale si a altor date functionale si constructive

Determinarea marimilor de calcul

Calculul dimensiunilor principale

Determinarea lungimii intrefierului

Calculul infasurarilor statorice si rotorice

Calculul circuitului magnetic si a curentului de magnetizare

Determinarea parametrilor infasurarilor

Calculul pierderilor si a randamentului

Determinarea caracteristicilor masinii

Calculul elementelor auxiliare

Etape principale in analiza si proiectarea masinilor electrice utilizand MEF

Descrierea geometriei domeniului de calcul 2D/3D

Definirea retelei de discretizare tinand cont de aspectele fizice ale problemei

Definirea regimului de camp caracteristic studiului efectuat

Definirea proprietatilor de material care intervin in problema de analiza numerica

Definirea regiunilor domeniului de calcul si a surselor de camp

Definirea circuitului electric asociat daca e cazul

Asocierea proprietatilor de material si a componentelor de circuit regiunilor domeniului de calcul

Definirea conditiilor la limita

Asamblarea matricelor si rezolvarea sistemului de ecuatii algebrice

Analiza rezultatelor numerice

Criterii tehnico-economice de calcul optimal al masinilor electrice

Minimizarea costurilor materialelor componente si costurilor cu manopera de fabricatie

Minimizarea cheltuielilor totale de fabricatie si de exploatare

Minimizarea costurilor de fabricatie si maximizarea factorului de putere

Constrangeri in proiectarea optimala a masinilor electrice

Constrangerile se pot referi la:Dimensiunile geometrice ale masinii

Caracteristici de functionare

Clasa termica

Materiale utilizate

Tehnologia de fabricatie

Conditii speciale de lucru

Aspecte tehnico-economice

Formularea unei probleme de optimizare

O problema de optimizare consta in cautarea minimului unei marimi scalare E care depinde de n parametrii, x1, x2, x3,...., xn.Daca marimea E depinde de acesti parametrii prin intermediul unei functii f:->R, atunci putem defini problema de optimizare dupa cum urmeaza:Minimizarea E=f(x1,x2,x3,...,xn)Care semnifica faptul ca trebuie gasit setul de variabile independente (x1,x2,x3,...,xn) = argmin f, care apartin domeniului de definitie al functiei f, pentru care f ia valoarea cea mai mica, valoare care la randul sau trebuie deasemenea calculata.Functia f ce trebuie minimizata se numeste Functia Obiectiv (FO). Setul de n parametri va fi reprezentat ca un vector coloana avand componente reale:X=[x1,x2,x3,...,xn]T Rn Vom nota cu Xmin punctul X , pentru care f ia valoarea cea mai mica, notata cu: Emin = min {f(X) : X }.Daca Emin este valoarea cea mai mica a lui E pentru orice vector X care apartine domeniului de calcul , atunci punctul Xmin se numeste punct de minim global.Daca acest punct reprezinta un punct de minim doar intr-un subdomeniu al lui , acesta se numeste punct de minim local.Algoritmi de optimizare. Exemple

Algoritmii de optimizare numerica se impart in doua mari clase, si anume algoritmi deterministi si algoritmi stochastici.Algoritmii deterministi conduc la aceeasi solutie pentru diferite executii ale programului de calcul,daca algoritmul pleaca din aceleasi conditii initiale si are aceiasi parametri.Algoritmii stochastici au un caracter aleatoriu si nu conduc obligatoriu la aceeasi solutie, chiar daca algoritmul pleaca din aceleasi conditii initiale si are aceiasi parametri.Exemple de algoritmi deterministi: Simplex Downhill, Powell, Metoda ReteleiExemple de algoritmi stochastici: Random Search, Genetic Algorithms, Particle Swarm Optimization.Rezolvarea problemelor inverse

Algoritmii de optimizare se folosesc deseori la rezolvarea problemelor inverse (probleme de sinteza).Rezolvarea unei probleme inverse presupune in general rezolvarea unui numarimportant de probleme directe pana cand criteriul de precizie este indeplinit.Numarul de probleme directe ce trebuie rezolvat este dependent de mai multe criterii precum:Numarul de parametrii ai FO

Forma reliefului FO

Gradul de precizie dorit

Rezolvarea problemei necesita redimensionarea masinii de un anumit numar de ori pana cand performantele masinii obtinute sunt suficient de apropiate de cele impuse.Regimul magnetodinamic. Formularea in potential magnetic vector in aplicatii 2D

Acest regim al campului electromagnetic permite studiul regimurilor permanente ale echipamentelor electrice caracterizate de tensiuni si curenti sinusoidali. Ecuatia diferentiala caracteristica in aplicatii 2D se scrie:rot [(1/) rot A] = JS- j***Aunde:JS este densitatea curentilor sursa este conductivitatea electrica = 2f, este pulsatia campului electromagneticContinutul temei de proiectare la masina asincrona

Tema de proiectare a unei masini asincrone contine de regula urmatoarele date:Date nominale: - Puterea nominala Pn a motorului in kWTensiunea nominala de alimentare in V (valoarea de linie)

Frecventa tensiunii de alimentare f1 in HZ

Turatia de sincronism n1 in rot/min

Numarul de faze m (uzual m=3)

Alte date constructiv-functionale: Tipul motorului: cu rotor bobinat sau in scurtcircuitCaracteristicile de functionare Mm/Mn si de pornire Mp/Mn si Ip/In (pentru rotor in scurtcircuit)

Gradul de protectie

Conditii privind mediul, altitudinea, serviciul de functionare

Forma constructiva si modul de montaj

Marimi ce intervin in expresia t.e.m. si a fluxului magnetic la masina asincrona

unde: = D/(2p) este pasul polar, Li lungimea ideala a masinii, B1 inductia magnetica in intrefier, f1 frecventa tensiunii de alimentare, w1 numarul de spire, 1 fluxul magnetic pe pol.Marimi ce intervin in dimensionarea intrefierului masinii asincrone

Lungimea intrefierului trebuie sa fie cat mai mica pentru a obtine curent de magnetizare mic si un facor de putere mare.Siguranta in exploatarea si limitarile tehnologice de constructie ale masinii impun evitarea valorilor prea mici ale intrefierului care pot conduce la frecarea rotorului de stator.Lungimea intrefierului se poate adopta pe baza relatiei urmatoare:Lungimea intrefierului se rotunjeste din 0,05 mm in 0,05 mm.Marimile D si Lg se introduc in [mm]D=diametrul masiniiLg=lungimea geometrica totala a masinii Lg=Li+nv*bvSolicitarile electrice la masina asincrona

Patura de curent A se adopta pentru o anumita clasa termica din anumite grafice pe baza pasului polar si a numarului de perechi de poli p.Densitatea de curent JIn infasurarea statorica ea depinde de clasa termica a masinii,de tensiunea nominala si de tipul ventilatiei. Valorile J1 mici se aleg pentru masini cu turatii mici.Pentru infasurarea rotorica se aleg valori mai mari ale densitatii de curent J2 deoarece infasurarea este racita mai bine prin rotatie.Valorile J2 mici se aleg pentru masini cu turatii mici.Pentru masinile inchise valorile J1 si J2 sse aleg mai mici cu 10-15%.Solicitarile magnetice la masina asincrona

Inductia magnetica in intrefier B se adopta in functie de pasul polar si de numarul de perechi de poli 2p.Inductiile magnetice in alte portiuni ale circuitului magnetic. Miezurile magnetice sunt uzual construite din tabla silicioasa laminata la rece, cu cristale neorientate, grosime 0,5 mm si izolata cu lacuri sau oxizi.Valorile recomandate ale inductiilor magnetice sunt:in jugul statoric: Bj1 = 1,35-1,55 T

in jugul rotoric: Bj2 = 1,2-1,6 T

Marimi ce intervin in dimensionarea arborelui masinii asincrone

Diametrul d0 minim al arborelui la capat de ax se calculeaza cu relatia: unde: rezistenta admisibila la torsiune a materialului din care este realizat arborele exprimata in daN/cm2k = 2 pentru masini normale de curent alternativ si curent continuuk = 2,5 pentru motoare de curent alternativ utilizate la laminareDiametrele arborelui in zonele de fixare a rulmentilor si a miezului magnetic se calculeaza cu relatia:d=1.1 d0 : dm=(1.2-1.3)*ks*dunde d- diametrul in zona rulmentului ales de standarde, valoarea imediat superioaradm diametrul arborelui pe portiunea pe care se fixeaza miezul magnetic rotoricks coeficientul de siguranta care tine de solicitarile la cuplu maxim, la cuplu de pornire, normalizari,etc.Etapele elaborarii modelului numeric de camp al masinii asincrone

Se definesc parametrii asociati crestaturilor statorice si rotorice si se initializeaza cu valori in limitele recomandate sau care tin cont de SDV-urile existente

Se descriu geometriile 2D ale miezurilor stator si rotor corespunzatoare unei sectiuni transversale prin masina studiata tinand cont de eventuale simetrii

Se defineste tipul problemei de cam electromagnetic

Se definesc proprietatile de material ce intervin in studiu

Se definesc regiunile de tip suprafata ale domeniului de calcul cu proprietati fizice distincte

Se defineste circuitul asociat problemei de camp

Se realizeaza asocierea fetelor domeniului de calcul cu regiunile de tip suprafata

Se realizeaza asocierea regiunilor de tip suprafata cu elementele de circuit

Se definesc parametrii elementelor de circuit

Se definesc regiunile lineice si conditiile pe frontierele domeniului de calcul

Se construieste reteaua de discretizare in elemente finite

Se salveaza aplicatia pe calculator

Se rezolva problema de camp

Se exploateazarezultatele numerice si se verifica solicitarile electromagnetice

Se reia studiul daca este cazul pana cand rezultatele numerice se incadreaza in limitele recomandate.

Influenta parametrilor coliviei rotorice asupra performantelor masinii asincrone

Functionarea masinii asincrone poate fi influentata semnificativ de caracteristicile coliviei rotorice precum:Proprietatile materialului din care este turnata colivia

Geometria barelor rotorice

Geometria inelelor de scurtcircuitare

Modificarea caracteristicilor coliviei rotoriceafecteaza atat rezistenta cat si reactanta echivalenta a circuitului rotoric, care la randul lor influenteaza marimi precum: curentul absorbit, cuplul mecanic, cuplul si curentul de pornire, alunecarea critica, randamentul masinii, etc.Masuri specifice ce permit cresterea randamentului masinii asincrone

Inlocuirea coliviilor turnate din aluminiu cu unele din cupru

Reproiectarea geometriei barelor rotorice si ale inelelor de scurtcircuit ale masinii

Utilizarea unor materiale magnetice cu proprietati superioare

Reconsiderarea lungimii pachetului de tole si a structurii infasurarii statorice