Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XLIII)

În numărul anterior am evidențiat necesitatea abordării soluțiilor convertoarelor ac/dc în relație cu obținerea unei eficiențe energetice maxime la transferul energetic sursă-consumator și cu o îmbunătățire evidentă a calității energiei atât la sursă, cât și la consumator. Cu acest prilej s-au trecut în revistă aspecte privind calitatea energiei furnizate de aceste convertoare, comportarea lor la un scurtcircuit la ieșire, calitatea curentului absorbit din sursă și bilanțul puterilor antrenate în conversie. În concluzie, s-au reliefat preocupările specialiștilor ICPE ACTEL SA în optimizarea produselor din dotare privind termenii abordați în lucrare.

1. Introducere

Tracțiunea electrică este unul din domeniile cele mai vizate în momentul de față dat fiind interesul consumatorilor de a găsi soluții viabile, indiferent de costuri, la viitorul combustibililor fosili, dar și la eficiența energetică pe lanțul sursă de alimentare - roata motoare ce asigură deplasarea vehiculelor.

Din punct de vedere al motorului electric utilizat, astăzi se folosesc toate soluțiile constructive cunoscute, motor de cc, motor de curent alternativ asincron sau sincron. În cele ce urmează vom evidenția aspectele cantitative și calitative ale utilizării motorului de c.c. cu excitație serie, o soluție clasică utilizată de mulți ani în tracțiune, dar și una nouă în raport cu ceea ce știința a pus la dispoziție specialiștilor.

2. Motorul de curent continuu cu excitaţie serie

Schema electrică de principiu a motorului de c.c. cu excitație este prezentată în figura 1:

Figura 1. Schema electrica de principiu a motorului de c.c. cu excitație serie

IA – înfașurarea polilor auxiliari (de comutație)

IC – înfașurarea de compensație

EX – înfașurarea de excitație (statorica)

Ra – rezistența înfașurarii indusului

În regim staționar, ecuația tensiunilor în care se neglijează căderea de tensiune la perii și căderile de tensiune pe înfășurările de compensație și a polilor auxiliari este:

Se poate considera că valoarea rezistenței R_a cuprinde și valorile rezistențelor înfășurărilor de compensație, a polilor auxiliari și a înfășurării de excitație.

Rezultă expresia:

Rezultă caracteristica mecanică naturală a motorului de c.c. cu excitație serie:

Reprezentarea grafică a ecuației 6 este prezentată în figura 2:

• Figura 2. Caracteristica mecanica naturala a motorului de c.c. cu excitație serie

Concluziile referitoare la comportarea motorului de c.c. cu excitație serie prin prisma alurei caracteristicii mecanice din figura 2 sunt:

• Caracteristica seamănă cu o hiperbolă echilaterală, motiv pentru care putem aproxima P = M Ω~ ct și putem considera că motorul serie funcționează la putere constantă ceea ce-l face utilizabil în tracțiune.
• Caracteristica mecanică este căzătoare, deci suficient de elastică sau moale, cum se folosește în limbajul utilizatorilor, motorul având tendința de a se ambala în funcționarea în gol.
• Supraîncărcarea nu este admisă deoarece prin saturația polilor de comutație se pot produce scântei puternice la colector.

3. Acţionarea motorului de curent continuu cu excitaţie serie

Specificitatea motorului de c.c. cu excitație serie este legată de următoarele aspecte:

• Cuplu mare la pornire
• Putere absorbită cvasiconstantă indiferent de turație
• Independența cuplului față de variația tensiunii de alimentare.

Aceste particularități îl recomandă pentru acționarea vehiculelor și în mod deosebit în tracțiunea feroviară, unde sursa de energie este de curent alternativ monofazat.

Convertorul monofazat de pe locomotiva electrică oferă motorului de c.c. cu excitație serie atât componenta continuă redresată, cât și o serie de armonice pare, armonica 2 având ponderea cea mai mare. Este un capitol în care specialiștii au de lucru continuu pentru asigurarea unei eficiențe maxime a transferului de energie în lucru mecanic, cât și pentru compatibilizarea aspectelor privind calitatea energiei electrice la sursă și la utilizator.

Schema electrică de principiu pentru un redresor monofazat ce alimentează motorul de c.c. cu excitație serie din dotarea unei locomotive electrice este prezentată în figura 3:

• Figura. Motorul de c.c. cu excitație serie alimentat de la un convertor monofazat c.a./c.c.

Inductivitatea L, o bobină de netezire a curentului motorului M, are rolul de a reduce substanțial spectrul de armonice al acestuia.

Componenta alternativă al aceluiași curent înrăutățește procesul de comutație la colectorul motorului, motiv pentru care bobina L trebuie bine dimensionată, rolul ei fiind strâns legat de eficiența energetică, dar și de viața motorului utilizat în tracțiune.

Caracteristica mecanică a motorului M este practic cea  prezentată în fig. 2 indiferent de sursa de alimentare, în acest caz ea este un pic mai moale, mai căzătoare.

În cazul ideal al unui motor de c.c. serie nesaturat, cu neglijarea pierderilor de comutație, variația celor doi parametrii U_a și i este prezentată în figura 4:

• Figura 4. Diagrama de variație a motorului  de c.c. serie alimentat de la un convertor c.a./c.c.

Variația în timp a curentului i(t) este dată de relația:

Din punct de vedere al creșterii eficienței energetice a transferului energetic sursă-motor, putem spune că o inductivitate dimensionată economic ar putea conduce la un regim de curent întrerupt, ceea ce pe ansamblu pentru a obține același cuplu motor ar conduce la o creștere medie a curentului prin motor, acest lucru scăzând randamentul conversiei.

4. Concluzii

Avantajele motorului de c.c. cu excitație serie, enumerate mai sus, îl mențin încă în multe aplicații legate de tracțiunea electrică. Este foarte des întâlnit în tracțiunea feroviară, dar și urbană.

Din păcate, dezavantajele utilizării acestuia sunt legate strâns tocmai de problemele pe care le ridică privind eficiența energetică a transferului de energie de la sursă la roata motoare a vehiculului.

Astăzi se fac eforturi foarte mari fie pentru optimizarea randamentelor de utilizare, fie pentru înlocuirea acestui motor cu mașini de curent alternativ asincrone sau sincrone.

Și în aplicațiile ICPE ACTEL, motorul de tracțiune este din ce în ce mai indicat a fi un motor asicron trifazat cu rotorul în scurtcircuit, avantajele utilizării lui recomandându-l cu prisosință din ce în ce mai mult.

Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL