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

În numărul anterior am încercat să răspund la o întrebare foarte des întâlnită în aplicațiile în care se utilizează utilaje tehnologice antrenate de motoare de medie putere, în legătură cu tensiunea de lucru a acestor motoare, privită prin ochiul eficienței energetice. S-au trecut în revistă câteva exemple de caz, în care aplicația este o antrenare cu turație variabilă și cuplu controlat al motoarelor asincrone de medie și joasă tensiune, cu sarcina având cuplu variabil de tip pompă, ventilatoare, ş.a., pentru care s-au evidențiat avantajele și dezavantajele fiecăreia dintre ele, prin prisma eficienței energetice și a amortizării costurilor de investiție sau de retehnologizare.

1. Introducere

O altă aplicație pentru care specialiștii ICPE ACTEL și-au dedicat activitatea în scopul obținerii unei eficiențe energetice sporite este și aceea legată de dezvoltarea surselor de putere destinate controlului proceselor electrochimice.

Electrochimia este o ramură a chimiei fizice pe care și-o revendică atât chimiștii, prin prisma proceselor de conversie a energiei chimice în energie electrică, dar și electricienii, prin influența energiei electrice asupra proceselor chimice. Deși a apărut încă din secolul al XIX-lea ca domeniu al chimiei, astăzi electrochimia este influențată și folosită tot mai mult în urma unei colaborări științifice între specialiștii din domeniile electric și chimic.

Primele semne ale interdependenței chimie - electrotehnică au apărut încă din anul 1800, datorită activității fizicianului Alessandro VOLTA, care a descoperit pila electrică; au continuat să apară, după aceea, prin dezvoltarea teoriei conductibilității soluțiilor chimice de către S. ARRHENIUS și au culminat cu renumita lege FARADAY, care, în 1832, a evidențiat efectul trecerii curentului electric printr-o soluție electrolitică.

Toate cercetările amintite, toate descoperirile rezultate ale acestora, sunt astăzi folosite în aplicații specifice, dintre care trebuie amintite: electroliza, galvanizarea, pilele electrice, protecția catodică activă la coroziune etc. Trecerea în revistă a acestor aplicații va evidenția dezvoltarea unor surse electrice, ai căror parametri esențiali sunt tensiunea la ieșire și curentul electric debitat în condiții de sarcină variabilă, dar și restricțiile impuse valorilor celor doi parametri, pentru a nu influența în mod ireversibil procesele chimice.

2.      Electroliza - proces electrochimic

Electroliza, ca proces electrochimic, se definește ca un ansamblu de reacții chimice, rezultat al trece- rii unui curent electric printr-un electrolit.

Există și o relație matematică, o funcție între rezultat și elementele care participă la acest proces, cunoscută fie ca legea electrolizei, fie ca legea lui Faraday și anume:

unde: k – constanta lui Faraday sau echivalent electro- chimic;

m – cantitatea de substanță transformată;

I – intensitatea curentului care trece prin soluție;

t – timpul în care se produce disocierea electrolitică sau electroliza.

După cum se observă în relația 1), elementul definitoriu în obținerea unei substanțe prin elec- troliză este curentul electric, intensitatea acestuia având un rol important în ceea ce definim cu toții ca eficiență energetică a proceselor tehnologice.

Dintre aplicațiile cele mai des întâlnite în industrie, privitoare la electroliză, amintesc electroliza apei pentru obținerea celor două componente H2, respectiv O2, strict necesare vieții, electroliza diverselor soluții care conțin metale etc.

3. Coroziunea - proces electrochimic

În viața produselor metalice funcționând în diferite medii (umiditate, temperatură etc.) există un pericol permanent privind distrugerea lor datorată coroziunii chimice, un proces ce conduce la degradarea metalelor în contact cu soluții de neelectroliți și /sau gaze uscate. Reacția generală după care un metal M coro- dează este o reacție de oxidare exprimată chimic astfel:

În realitate, soluțiile de neelectroliți sunt mai rar întâlnite în natură, astfel încât se poate afirma, cu certitudine, că metalele în contact cu soluții de electroliți au un schimb de particule după următoarea configurație:

•  atomii metalelor se ionizează

• cationii rezultaţi trec în soluţie

• prin soluție și metal va trece un curent electric, implicit se va stabili un câmp electric la limita dintre soluție și metal.

Toate afirmațiile de mai sus conduc la o con­cluzie logică și anume, în realitate, coroziunea este un proces electrochimic, prin care, dincolo de efectele de natură chimică, apar și efectele secundare de apariție a unor câmpuri electrice de intensitate redusă, care, la rândul lor, influențează în mod negativ procesul de coroziune.

Acest lucru se poate exprima în următoarele etape ale procesului de coroziune:

• metalul eliberează ioni în soluție care se hidratează

• electronii sunt asimilaţi în soluţie:

Cu cât asimilarea electronilor este mai rapidă, cu atât coroziunea este mai pregnantă.

Apariția unui câmp electric la interfața metal - soluție electrolitică ne sugerează faptul că anularea lui printr-un câmp electric impus din exterior va anula și efectele coroziunii electrochimice.

4. Acumulatorul electric - convertor energie chimică - energie electrică

În explicația proceselor de electroliză și de coroziune electrochimică, am evidențiat rolul ener­giei electrice în interacțiune cu procesele chimice, influența acesteia asupra acestor procese.

În aplicațiile în care se folosesc acumulatori electrici, vom încerca să găsim o relație de interde­pendență între aceleași forme de energie chimică, respectiv electrică, cum relaționează între ele atât din punct de vedere calitativ, cât și cantitativ.

Un acumulator este o pilă electrică de concen­trație reversibilă formată din 2 electrozi și un elec­trolit ce-i separă fizic și care participă la procesul electrochimic ce se produce continuu în interiorul acestuia.

Pentru exemplificare, mă voi referi tot la istoricul acumulator cu plumb care are 2 electrozi, unul de Pb – catodul și altul de dioxid de Pb – anodul, și un electrolit format dintr-o soluție de acid sulfuric.

Reacțiile chimice care contribuie la generarea energiei electrice sunt:

•  la catod:

• la anod:

Ca reacție globală putem aprecia:

cu următoarele concluzii:

•  la catod, plumbul se oxidează trecând în Pb2+;
•  la anod, plumbul se reduce trecând în același Pb2+;
•  dincolo de aceste reacţii, la ambii elec­trozi apare și sulfatul de plumb care aderă la aceștia și care, dacă este sub formă cristalizată, creează o piedică (rezistență) pentru încărcarea acumulatorilor, producând binecunoscuta sulfatare;
• când o mare parte din plumb este oxi­dat (Pb2+), legat de fracțiunea SO₄2-, se întâmplă ca acumulatorul să fie descărcat, urmând a-și reveni prin procesul de încărcare cu energie electrică prin aplicarea între cei 2 electrozi a unei diferențe de potențial.

Din cele enumerate se poate concluziona că energia electrică este un ajutor important pentru un acumulator, redându-i capacitatea de sursă de c.c. pentru aplicații izolate.

Pentru toate cele 3 aplicații enumerate, energia electrică este strict necesară pentru a manageria procesele electrochimice ca procese tehnologice foarte des întâlnite în industrie.

De aceea este imperios necesar să ne îndreptăm atenția asupra surselor electrice utilizate în aceste aplicații, din dorința de a obține randamente sporite în lanțul energetic sursă - sarcină, adică de a obține o efi­ciență energetică sporită în astfel de procese.

5. Surse electrice pentru aplicaţii electrochimice

Realizarea proceselor electrochimice amintite, în cadrul unor procese tehnologice industriale, necesită existența unor surse de c.c. controlate, atât în domeniul tensiunii de lucru, cât și al curentului debitat, surse denumite generic pentru aplicații electrochimice.

Dat fiind faptul că aceste surse sunt de curenți intenși (de la câțiva amperi până la zeci de kilo­amperi), în afara problemelor tehnice specifice realizării lor, specialiștii sunt preocupați tot mai mult și de creșterea randamentului global al surselor. În cele ce urmează, voi aborda din punct de vedere istoric evoluția tehnică a soluțiilor dez­voltate de ICPE ACTEL, soluții ce au urmărit în mod deosebit eficiența energetică, în paralel cu evoluția componentelor din domeniul semiconductoarelor de putere.

5.1. Soluţia cu amplificatoare magnetice

Această soluție datează din anii '60 ai secolului trecut și se bazează pe principiul de funcționare al amplificatorului magnetic. Schema electrică de principiu a sursei este prezentată în figura 1.

FIGURA 1. Schema electrică de principiu a sursei de c.c. cu amplificator magnetic

Tensiunea de ieșire a sursei Uies= este depen­dentă de tensiunea din secundarul transforma­torului T și de curentul I reglabil din cea de-a doua înfășurare „primară” a transformatorului amintit.

Convertorul u a fost, în decursul timpului, un redresor fie cu plăci de seleniu, fie cu diode discrete, existând, încă și astăzi, pe piața de produse. Deși a avut o viață destul de lungă, o astfel de sursă are dezavantajul unei eficiențe energetice scăzute, date fiind randamentele scăzute ale elementelor componente (T, u, L).

5.2. Soluţia cu „contactor static” Această soluție a apărut după anii '70, odată cu apariția semiconductoarelor de putere comandate. Schema electrică de principiu a soluției este prezentată în figura 2.

FIGURA 2. Schema electrică de principiu a sursei de c.c. cu contactor static

Sunt evidente avantajele acestei surse în raport cu soluția precedentă, dar și aceasta are dezavantajul unei eficiențe energetice scăzute, prin prezența contactorului static în primarul transformatorului T. Tensiunea de ieșire Uies = este dependentă de unghiul de comandă al dispozitivelor de comandă din grila tiristoarelor contactorului static. 5.3. Soluţia cu „convertor cu tiristoare” Odată cu apariția tiristoarelor de curenți foarte mari (mii de amperi), soluțiile s-au simplificat și randamentele surselor au crescut. O astfel de soluție care s-a dezvoltat prin anii '80 este prezentată în figura 3.

FIGURA 3. Schema electrică de principiu a sursei de c.c. cu convertoare cu tiristoare

Cu cât lanțul de componente legate în serie este mai redus, cu atât randamentul produsului ce reprezintă soluția propusă va fi mai mare. De principiu, randamentul produsului soluție este:

Astăzi, specialiștii fac toate eforturile pentru creșterea randamentelor fiecăreia dintre componente, atât prin folosirea de materiale cu caracteristici superioare, cât și prin soluții constructive performante. O soluție propusă de ICPE ACTEL, cu caracteristici superioare privind eficiența energetică, este prezentată în continuare, având în vedere următoarele considerații:

• există o limitare, deocamdată, a randamentelor transformatoarelor T;
• există o limitare a randamentelor convertoarelor cu tiristoare u;
• progresele în creșterea randamentelor bobinelor L depind de două aspecte:
• creșterea frecvenței de lucru a transformatoarelor T și a convertoarelor u reprezintă o soluție performantă, dar scumpă;
• obținerea unui „riplu” scăzut al tensiunii, respectiv al curentului la ieșirea din convertorul u. O astfel de soluție o supun atenției în cele ce urmează:

 5.4. Soluţia cu „riplu redus de tensiune şi curent”

Soluția propusă este prezentată în figura 4. În principiu, înfășurările secundare ale transfor- matorului T sunt defazate electric cu 30o electrice prin construcția acestuia și, în acest fel, dimensionarea bobinei L conduce la valori mai mici ale acesteia și, implicit, la creșterea randamentului ei. Sunt însă și soluții „combinate”, care pot obține ajustări în plus ale randamentului total. Acest lucru se face pornind de la tipul aplicației, de la cerințele clientului, de la locul de amplasare a aplicației etc.

FIGURA 4. Schema electrică de principiu a sursei de c.c. cu riplu redus de U și I

6. Concluzii

O trecere în revistă a soluțiilor de surse pentru aplicații electrochimice a reliefat următoarele aspecte:

• sursele amintite sunt surse reglabile atât din punctul de vedere al tensiunii, cât și al curentului debitat, limitări existând numai la nivelul tensiunii, în funcție de potențialele de electrod ale proceselor electrochimice;
• calitatea tensiunii, respectiv a curentului debitat, sunt tot funcție de procesul electrochimic pe care sursa îl alimentează;
• dat fiind faptul că aceste surse sunt de curenți intenși, căderile de tensiune pe căile de curent intrare - ieșire, cât și pe componentele sursei sunt importante, ele influențând negativ randamentul total al sursei. Aceste motive au reprezentat o provocare con- tinuă pentru specialiștii ICPE ACTEL în vederea obținerii unor surse performante, inclusiv din punctul de vedere al eficienței lor energetice.

English summary

One of the mobile power sources based on electrical-chemical processes is the electric battery or accumulator. In translates chemical energy into electric power. The electric battery has a long history, but its performance is still rather low. Currently, professionals are searching for methods and means to improve its performance and efficiency.

ION POTÂRNICHE este  dr. ing., Director General