Tema E5

PETROM EPS Mentenanta

“ TEACHER ”

PROGRAM DE

PERFECTIONARE PROFESIONALA

Tema E5: Electricitate si Magnetism II

2011

2

Electricitate si Magnetism

II

Material pentru perfectionare profesionala Traducere si redactare: Ing. Vlad Colodeiciuc si ing. Daniel Chiriac Coordonare: Ing. Paul Popescu Sef Serviciu Tehnic si Fiabilitate

3

Cuprins:

4 Motoare şi Generatoare de C.A. ..................................................................... 4

5 Transformatoare ............................................................................................ 24 6 Distribu ţia Electrică ....................................................................................... 34

7 Instrumentele Electrice .................................................................................. 49 8 Pericole Electrice ............................................................................................ 55 9 Surse neinteruptibile de tensiune (UPS) ...................................................... 61

10 Variatoare de viteză ....................................................................................... 64

4

1. Motoare şi Generatoare de C.A.

Generarea de C.A

Generatoare elementare de C.A

Generatorul elementar de CA este alcătuit dintr-un conductor(armătură) sau un fir buclat situat într-un câmp magnetic produs de către un electromagnet (Figura 4-1). Un generator tipic de AC are câmpul excitat de către o sursă exterioară. Cele două terminaţii ale buclei sunt conectate la inelele de alunecare care sunt în contact cu

două perii. Când bucla se roteste intersectează liniile magnetice de forţă, inducându-se astfel o tensiune în buclă

.

Figura 4-1 Generatorul elementar de CA intersectând liniile de flux maxim

Figura 4-2 Generatorul de CA intersectând liniile de flux minim

5

Când bucla continuă să se rotească, si ajunge în poziţie paralelă cu liniile de flux si tensiunea indusă scade la zero (Figura 4-2). Bucla rotindu-se înapoi în poziţia orizontală (Figura 4-3), tensiunea urcă înapoi la maxim.

Dezvoltarea undei sinusoidale de iesire

În momentul în care bucla se află în poziţie verticală, după cum este prezentat în Figura 4-4, părţile bobinei se află în poziţia de 0° si se miscă paralel cu câmpul neintersectând liniile magnetice de forţă. Deoarece liniile fluxului magnetic nu sunt intersectate nu se induce nicio tensiune în buclă. Bobina rotindu-se peste punctul de 0° în direcţie anti trigonometrică, cele două părţi ale bobinei vor intersecta liniile magnetice de forţă în direcţii opuse. Sensul tensiunii induse depinde de direcţia miscării bobinei.

Tensiunile induse pe ambele părţi ale buclei se adună fiind înseriate. Tensiunea indusă va creste spre

Figura 4-3 Generatorul elementar de C.A.

Figura 4-4 Generarea tensiunii sinusoidale

6

maxim când bobina intersectează numărul maxim al liniilor de forţă la 90° (a se vedea Figura 4-4). Bobina continuă să se învârtă de la fluxul magnetic maxim spre fluxul magnetic minim la 180°. Tensiunea indusă va scădea până la zero bobina aflându-se în poziţie verticală la 180°. În cealaltă jumătate de micare de revoluţie o tensiune egală dar de semn contrar este indusă.

Regula care ne dă relaţia dintre miscarea conductorului, fluxul magnetic si tensiunea indusă este denumită regulă mâinii stângi pentru generatoare după cum este arătat si în Figura 4-5. Degetul mare, arătător, si cel mijlociu sunt

ţinute la 90° fiecare pe direcţia miscării, fluxului sau forţei respectiv curentul.

Câmpul

Câmpul generatorului de CA (Figura 4-6) este generat de bobine de conductoare din generator care primesc o tensiune continuă de la o sursă de CC (denumită excitaţie) si produc un flux magnetic. Fluxul magnetic intersectează armătura pentru a produce tensiune. Aceasta reprezintă tensiunea de iesire a generatorului de CA. Acest câmp poate fi staţionar(Figura 4-6) sau rotativ(Figura 4-7). Câmpul rotitor

Figura 4-5 Regula mâinii stângi pentru generatoare

Figura 4-6 Generatorul de CA (Câmp Staţionar))

7

este creat cu ajutorul curentului continuu furnizat de altă sursă care ajunge la înfăşurările rotorice prin intermediul inelelor de alunecare si perii. Câmpul rotitor urmează rotorul si intersectează înfăsurările armăturii.

Armătura

Armătura este partea generatorului de CA unde este produsă tensiunea. Această componentă constă din multe bobine destul de mari, care sunt capabile să suporte curentul de sarcină maximă a generatorului. Această armătură poate fi staţionară (Figura 4-7) sau rotativă(Figura 4- 6). Curentul de ieşire al armăturii rotative este preluată de inelele de alunecare.

Motorul de acţionare este componenta care este utilizată pentru

actionarea(rotirea) generatorului de CA. Motorul primar poate fi orice tip de motor: diesel, pe abur sau electric. Rotorul

Din punct de vedere mecanic, rotorul este

întotdeauna partea generatorului de CA care se roteste. Rotorul este învârtit de motorul de acţionare. Depinzând de tipul de generator, rotorul mecanic poate fi fie armătura electrică sau câmpul. Rotorul este un termen mecanic în timp ce armătura si câmpul sunt termeni electrici.

Stator

Din punct de vedere mecanic, statorul este întotdeauna partea staţionară a unui generator de CA(Figura 4-7). Statorul mecanic poate fi fie armătura sau câmpul. Dacă generatorul are câmp staţionar, statorul constitute acest câmp. Totusi, dacă generatorul are o armătură staţionară atunci armătura este statorul. Generatorul are întotdeauna două părţi mecanice si două părţi electrice. Există deci două combinaţii posibile:

(1) Statorul constitute câmpul si rotorul armătura, după cum este arătat în Figură 4-6. – Sau –

(2) Statorul constituie armătura si rotorul constituie câmpul după cum este arătat în Figură 4-7.

Figura 4-7 Generatorul de CA (Câmp Rotitor)

8

Inelele de alunecare/Periile

Inelele de alunecare constituie conexiuni electrice care sunt utilizate pentru transferul puterii la si de la rotorul generatorului de CA(Figura 4-6 si Figura 4-7). Inelele de alunecare constau dintr-un material circular conductiv care este conectat la înfăsurările rotorice si izolat de ax. Periile realizeaza contactul cu inelele de alunecare în timpul alunecării rotorului si conectarea circuitelor la circuitele electrice exterioare(sarcină) sau la puterea furnizată de către generator. Generatoare Diesel (GD)

Generatoarele Diesel sunt alcatuite după cum poate fi văzut si în Figura 4-8. În acest caz, motorul diesel reprezintă motorul de acţionare, armătura statorul unde sunt generate tensiunile care alimentează sarcina, iar câmpul îl constituie rotorul. Din moment ce câmpul se află pe rotor, curentul continuu trebuie furnizat rotorului pentru a genera acest câmp. Un generator de mică putere de CC (sau de AC dacă tensiunea este redresată) este condus de motorul diesel şi acest generator furnizează puterea pentru câmpul principal al generatorului. Această putere în CC este furnizată rotorului (câmpului) prin intermediul inelelor de alunecare si prin perii. De la inelele de alunecare, puterea în CC trece prin înfăsurările care generează câmpul magnetic. Masina de acţionare (motorul diesel) conduce câmpul pe bobinele armăturii si o tensiune de 480 VDC este generată în armătură(stator). Tensiunea de 480 VCC de la armătură(stator) este conectată la sarcină prin intermediul comutatorului.

Figura 4-8 Rotorul tipic (câmpul) cu o Masină de Acţionare Diesel

9

Regulatorul de Tensiune

Valoarea tensiunii induse în înfăsurările armăturii depinde de trei factori: (1) numărul de conductoare sau de înfăsurări în bobina armăturii (2) viteza câmpului magnetic cu care taie conductorii armăturii, si (3) intensitatea câmpului magnetic

Primii doi factori sunt constanti, lăsând disponibilă doar intensitatea câmpului magnetic pentru controlul curentului în bobinele generatoare de câmp. Numărul de conductori este fixat la construirea generatorului. Viteza câmpului magnetic influenţează frecvenţa CA de la generator si este ţinută constantă la 50Hz de sistemul de control al vitezei a masinii de acţionare. Variatia intensitatii câmpului unui generator se face prin controlul curentului care trece prin bobinele generatoare de câmp (Figura 4-7). Curentul de câmp sau excitaţia este modificată pentru a controla tensiunea generatorului. Dacă tensiunea indusă de armătura generatorului este mică, curentul prin câmpul generatorului creste, având ca efect cresterea tensiunii în armătură. Iesirea generatorului poate fi controlată manual prin ajustarea câmpului de excitaţie prin intermediul unui reostat, după cum este arătat în Figură 4-7. Deoarece generatoarele de CA au o rezistenţă internă aferentă înfăsurărilor armăturii de valoare mică, nu toată tensiunea generată în înfăsurări se regăseste la terminalele generatorului(Figura 4-9). Dacă sunt adăugate sarcini generatorului, curentul de sarcină va creste deoarece toate sarcinile sunt în paralel. Dacă generatorul generează o tensiune constantă de 480VCA, tensiunea de pe terminale este redusă crescând curentul de sarcină. Aceasta poate fi calculată prin înmulţirea curentului cu rezistenţa internă a generatorului de 0.1 ohmi.

Figura 1-9 Reglarea tensiunii generatorului

10

Asadar, dacă generatorul furnizează 300 de amperi sarcinii (capacitatea maximă a generatorului), căderea de tensiune de-a lungului rezistenţei de 0.1 ohmi este de 30 de volţi (E=I x R = 300A x 0.1Ω). Tensiunea generatorului la terminale scade de la 480 VCA la 450 VCA. Aceasta este unul dintre dezavantajele generatoarelor de CA dar acest lucru este inevitabil. Pentru a compensa această pierdere de tensiune în înfăsurările generatorului, poate fi prevăzut un regulator de tensiune.

În schema prezentată în Figură 4-10, un senzor este plasat pentru a măsura curentul pe sarcină. Dacă tensiunea de iesire de la generator variază în acelasi mod ca în exemplu anterior, regulatorul de tensiune poate fi reglat ca să crească curentul generator de câmp odată cu cresterea curentului de sarcină.

Dacă curentul de sarcină ar creste la 300 de amperi, tensiunea regulatorului ar creste în mod automat curentul si tensiunea câmpului generatorului astfel încât acesta să genereze 510 volţi faţă de 480 de volţi. Asadar, când cei 30 de volţi sunt pierduţi pe rezistenţa armăturii generatorului, tensiunea netă pe terminale rămâne de 480VAC. Funcţia exactă a regulatorului de tensiune este de a păstra tensiunea de iesire a generatorului constantă chiar dacă sarcinile alimentate de către acesta variază într-o plajă largă.

Analiza Producerii de CA

Valorile Efective

Tensiunea de iesire a unui generator de CA poate fi reprezentată grafic cu ajutorul unei unde sinusoidale (Figura 4-11). Când un generator de CA produce tensiune, curentul variază odată cu aceasta. Când rotorul generatorului se roteste cu 360°, tensiunea de iesire trece printr-un ciclu complet. Într-un ciclu, tensiunea creste de la zero la Emax într-o direcţie, descreste la zero, crescând înapoi la E max în direcţia opusă (Emax negativ) iar apoi creste înapoi la zero. Valoarea Emax apare la 90° si este denumită valoare de vârf. Timpul necesar unui generator pentru a face un ciclu complet se numeste perioadă, iar numărul de cicluri pe secundă se numeste frecvenţă (măsurată în herţi, Hz) Un mod de a ne referi la tensiunea sau la curentul CA este prin tensiunea de vârf (Evărf) sau prin curentul de vârf (Ivărf). Acesta este curentul sau tensiunea maximă

Figura 4-10 Regulator de tensiune

11

pentru acea undă sinusoidală de CA.

Cea mai des utilizată valoare pentru CA este valoarea efectivă. Valoarea efectivă a CA este cantitatea de CA care produce acelasi efect de încălzire ca si echivalentul în curent continuu CC. În termeni mai simpli, un amper în valoare efectivă în CA va produce aceeasi cantitate de căldură într-un conductor într-o anumită perioadă de timp ca si un amper în CC. Efectul de încălzire a unui curent CA este proporţional cu pătratul curentului. Valoarea efectivă a CA poate fi calculată ridicand la pătrat toate amplitudinile unei unde sinusoidale într-o perioadă, luând valoarea medie a acestor valori si extrăgând radicalul din ea. Valoarea efectivă fiind radicalul dintr-o medie a curenţilor la pătrat, vezi Figura 4-12. Valorile lui I sunt prezentate pe graficul superior, si valorile corespunzătoare ale lui I2 sunt prezentate pe graficul inferior. Curba I2 are frecvenţa dublă faţă de I si variază deasupra si

dedesubtul noii axe. Noua axă reprezintă media valorilor lui I2 iar rădăcina pătrată din această valoarea o reprezintă RMS-ul, sau valoarea efectivă a curentului. Valoarea medie este: ½ Imax

2. Valoarea RMS în consecinţă este:

Figura 4-11 Unda sinusoidală de tensiune

Figura 4-12 Valoarea efectivă a curentului

max

2max

22

2

2ISAU

I

12

Care este egal cu 0.707 Imax

Valoarea instantanee reprezintă valoarea tensiunii sau curentului în orice moment specific de timp. Această valoare se poate încadra între zero si valoarea de vârf, depinzând de momentul ales pentru a o verifica. Există două ecuaţii de bază care sunt folosite pentru a transforma valoarea tensiunii sau curentului CA în altă valoare, după cum urmează:

(1) Valoarea Efectivă (RMS) = Valoarea de Vârf (Max) x 0.707 (2) Valoarea de Vârf (Max) = Valoarea efectivă (RMS) x 1.414

Valorile curentului (I) si tensiunii (E) utilizate în mod curent reprezintă valorile lor RMS; asadar pentru acestea nu se mai foloseste nici un indice.

Circuite trifazate

Sisteme trifazate

Un sistem trifazat (3φ) reprezintă o combinaţie între trei sisteme monofazate. Într-un sistem trifazat echilibrat, puterea este furnizată de un generator CA trifazat care produce trei tensiuni separate si egale, pe trei conductori separaţi, defazate fiecare la 120° de cealaltă (Figurile 4-13 si 4-14).

Figura 4-13 Sistem alternativ trifazat

Figura 4-14 Generator trifazat

13

Cele trei faze sunt conectate împreună la sursă (generator sau transformator) pentru a permite utilizarea unui singur conductor pentru fiecare fază faţa de doi conductori pentru fiecare fază adică sase conductori. (Figurile 4-15, 4-16, si 4-17.)

Echipamentele trifazate (motoare, transformatoare, etc) sunt mai mici si cântăresc mai puţin decât echipamentele monofazate de aceeasi putere. O gamă largă de tensiuni poate fi folosită pentru alimentarea sarcinilor monofazate de la surse de putere trifazate. De asemenea transportul puterii pe linii trifazate este mult mai ieftin comparativ cu numărul de linii necesare pentru 3 sisteme monofazate. Trei sisteme monofazate ar necesita sase conductori faţă de trei conductori necesari pentru un sistem trifazat.

Figura 4-15 Generator trifazat cu înfăsurări monofazate alimentând un motor trifazat

Figura 4-16 Generator trifazat cu punctele de neutru conectate

14

Conexiunile ∆ si Y

Sistemele trifazate pot fi conectate în două moduri. Dacă un capăt al fiecărei faze este conectat la un punct comun si celelalte capete sunt conectate la o linie trifazată, este denumită conexiune Y(Figura 4-18). Dacă cele trei faze sunt conectate astfel încât să formeze o buclă închisă, este denumită conexiune ∆ (delta).

Conexiunea triunghi(∆)

Tensiunile trifazate sunt aduse în punctele A, B si C situate între sarcinile celor trei linii. Această tensiune este denumită tensiune de linie, din moment ce reprezintă tensiunea dintre linii. Tensiunea de linie este dată de simbolul Elinie si se defineste prin următoarea relaţie:

N

S

N

B

N C

N

A A

N

C

N

B

N

Figura 4- 17 Generator trifazat alimentând un motor trifazat

Figura 4-18 Conexiunile sistemului trifazat CA

15

CABCABlinie EEEE ===

Căderea de tensiune pe fiecare sarcină si curentul prin fiecare sarcină au denumirea de tensiune respectiv curent de fază. Următoarele relaţii exprimă curentul în funcţie de tensiune de fază si impedanţă (rezistenţă)

Z

EI

Z

EI

Z

EI 3

32

21

1 ===

Din moment ce tensiunile de fază sunt egale, relaţia de mai jos este adevărată pentru sarcini echilibrate:

linieCABCAB EEEE ===

La conexiunea delta, tensiunile de linie sunt egale cu tensiunile de fază. În privinţa relaţiei dintre curenţii de fază si curenţii de linie, IA, IB, IC care au numele generic de curenţi de linie si simbolul Ilinie si Ilinie este egal cu radical de trei înmulţit ori curentul de fază

Conexiunea stea(Y)

La conexiunea Y, tensiunile de fază EAN, EBN, ECN sunt mai mici decât tensiunile de linie EAB, EBC, ECA. Relaţia este descrisă de relaţia EAB=EAN+ENB sau EAB=EAN-EBN. Vectorul sumei EAN-EBN arată ca cele trei tensiuni EAN, EBN, ECN sunt egale cu tensiunile de linie împărţite la radical de trei.

Cei trei curenţi de fază sunt egali cu cei de linie.

Teoria Motorului de CA

Principii si Modul de Funcţionare

Principiu de funcţionare în cazul tuturor motoarelor de curent alternativ are la bază interacţiunea dintre câmpul magnetic al statorului si curenţii din rotor. Un câmp magnetic învârtitor este creat în stator de către curentul alternativ. Tensiunea şi curentul sunt „induse” în rotor. Interacţiunea între câmpul magnetic si curenţii rotorici produce un cuplu util. Acest cuplu furnizează forţa de rotaţie a rotorului, care poate fi cuplat cu sarcinile dorite într-o manieră convenabilă. Înainte de prezentarea diferitelor tipuri de motoare de CA, trebuie introduse anumite principii

3 • = faza linie I I

3linie

faza E

E =

16

si termeni de bază. Câmp învârtitor

Înainte de a stii cum un câmp magnetic va produce învârtirea motorului, trebuie să aflăm cum este produs acest câmp magnetic învârtitor. Figura 4-19 ilustrează un stator trifazat alimentat de un curent deasemenea trifazat. Înfăsurările acestuia sunt conectate în Y. Există două înfăsurări pentru fiecare fază care sunt bobinate în aceeasi direcţie. Câmpul magnetic pentru fiecare fază depinde de curentul prin acea fază. Dacă curentul prin acea fază este zero, câmpul magnetic rezultat va fi deasemenea zero. Dacă curentul este la valoare să maximă, câmpul rezultant va fi deasemenea la valoarea maximă. Din moment ce curenţii din cele trei înfăsurări sunt defazaţi la 120 °, câmpurile magnetice produse vor fi deasemenea defazate cu 120°. Cele trei câmpuri magnetice se vor combina pentru a produce un singur câmp care va

acţiona asupra rotorului. Acest câmp este direcţionat de-a lungul diametrului

Figura 4-19 Statorul trifazat

Figura 1-2017 Câmpul magnetic de-a lungul statorului

17

statorului si se întoarce la înfăsurările fazelor pe cadrul motorului (Figurile 4-20 si 4-21).

Pentru o exemplificare mai clară, câmpul magnetic prezentat în Figura 4-22 include „instantanee” ale câmpului statoric în sapte poziţii selectate notate de la T1 la T7. Aceste poziţii sunt la intervale de 60° pe undele sinusoidale reprezentând curentul în cele trei faze (A, B si C). Pentru discuţiile următoare, când curentul dintr-o fază este pozitiv, câmpul magnetic se va crea la polul nord la polii notaţi cu A, B si C. Când curentul este negative câmpul magnetic se va dezvolta la polii nordici notaţi cu A′, B′, and C′.

La punctul T1, curentul pe fază C este la valoare pozitivă de vârf. În acelasi moment, curenţii prin faza A si B sunt la jumătatea drumului dintre zero si valoare lor negativă de vârf. Câmpul magnetic combinat al celor trei faze este pe verticală în jos, având puterea maximă de câmp pe fază C, între polul C(nord) si polul C’(sud). Acest câmp magnetic combinat este adăugat câmpurilor magnetice mai slabe dezvoltate pe fazele A si B, cu polii nord A’ si B’ si A si B poli sudici.

La punctul T2, unda sinusoidală a curentului s-a rotit cu 60 de grade electrice. În acest punct, curentul în faza A a crescut la valoarea sa negativă de vârf. Curentul în faza B si-a inversat direcţia si se află la jumătatea drumului spre valoarea sa pozitivă de vârf. Contrar, curentul în faza C a scăzut spre jumătate din valoarea lui pozitivă maximă. Câmpul magnetic rezultant are direcţia în jos spre

Figura 4-21 Doi poli magnetici în cadrul unui motor

18

stânga, cu puterea maximă de câmp pe fază A, între polii A’ (nord) si A (sud). Acest câmp magnetic se adaugă la câmpurile mai slabe de pe fazele B si C, având polii B si C ca poli nordici si polii B’ si C’ ca poli sudici. Asadar, se poate vedea câmpul magnetic din stator al motorului s-a rotit cu 60 de grade electrice.

În punctul T3, unda sinusoidală de curent s-a rotit din nou cu 60 de grade electrice faţă de punctul precedent având o rotaţie totală de 120 de grade electrice. În acest punct, curentul în faza B a crescut la valoare să pozitivă de vârf. Curentul în faza A a scăzut la jumătatea valorii sale negative de vârf, în timp ce curentul în faza C si-a schimbat direcţia si se află la jumătate din valoarea sa negativă de vârf. Câmpul magnetic rezultant este în sus spre stânga, având puterea maximă a câmpului dezvoltată pe fază B, între polii B (nord) si B’ (sud). Acest câmp magnetic este adunat câmpurilor mai slabe dezvoltate pe fazele A si C, cu polii A’ si B’ poli nordici si polii A si C poli sudici. Se poate vedea câmpul magnetic al statorului cum s-a rotit cu alte 60° având o rotaţie totală de 120°.

În punctul T4, unda sinusoidală de curent s-a rotit cu 180 de grade electrice faţă de punctul T1 asa că relaţia dintre curenţii de fază este identică cu punctul T1 doar că polarităţile s-au inversat. Din moment ce curentul pe fază C este din nou la valoarea sa de vârf, câmpul magnetic rezultat s-a dezvoltat de-a lungul fazei C va avea puterea maximă. Totusi, având sensul de curgere a curentului reversat în faza C câmpul magnetic stabilit va fi pe verticală în sus între polii C’ (nord) si C (sud). După cum poate fi văzut, câmpul magnetic s-a rotit acum cu 180° faţă de punctul

Figura 4-182 Câmpul Magnetic Învârtitor

19

de început În punctul T5, undele curentul pe fază A este la valoarea sa pozitivă de vârf,

care stabileste câmpul magnetic în sus spre dreapta. Din nou, câmpul magnetic s-a rotit cu 60° faţă de punctul precedent pentru o rotaţie totală de 210°. În punctul T6 curentul de fază B este la valoarea sa maximă negativă, care stabileste o direcţie a câmpului magnetic în jos spre dreapta. Câmpul magnetic s-a rotit din nou cu 60° faţă de punctul T5 pentru o rotaţie totală de 300°.

În final în punctul T7 curentul are aceeasi polaritate si valoare ca si în punctul T1. Asadar, câmpul magnetic în acest punct va fi identic cu cel stabilit în punctul T1. Din această discuţie se poate observa că pentru o rotaţie completă a undei electrice sinusoidale (360°), câmpul magnetic dezvoltat în statorului motorului s-a rotit deasemenea într-o revoluţie completă de (360°).

În concluzie, se poate vedea că prin aplicarea unui curent CA trifazic pe cele trei înfăsurări simetrice de-a lungul statorului, un câmp magnetic învârtitor este generat. Viteza cu care acest câmp se roteste este denumită viteză sincronă. Generarea cuplului

La aplicarea unui curent alternativ pe înfăsurările statorului unui motor de inducţie, un câmp magnetic învârtitor este creat (Figura 4-23). Câmpul magnetic intersectează barele rotorului si induce o tensiune în ele. Direcţia curenţilor rezultanţi poate fi aflată prin aplicarea regulii mâinii stângi pentru generatoare. Această tensiune indusă va produce un curent prin conductorii rotorului. Pentru a produce cuplu sau forţă de rotaţie în rotor, trebuie îndeplinite două condiţii:

(1) Un conductor prin care să treacă curenţii trebuie să fie prezent.

(2) Conductorul purtător de curent trebuie să se afle în câmpul magnetic.

Ecuaţia care se aplică generării de cuplu este:

IkT Φ= Unde:

Figura 4-193 Motorul de inducţie

20

T = cuplul (în Newton x metri) Φ = câmpul magnetic I = curentul (în amperi) K = o constantă

Deoarece curentul din rotor este dependent de intersecţia barelor cu câmpul statoric, pentru a produce tensiune, trebuie să existe o anumită diferenţă între viteză câmpului rotoric si viteza câmpului statoric. Din acest motiv, rotorul nu se poate alinia cu câmpul statoric aşadar îl urmăreste de undeva din urmă.

Este imposibil pentru un rotor al unui motor de inducţie să se învârtă cu aceeasi viteză ca si câmpul magnetic învârtitor. Dacă viteza rotorului ar fi aceeaşi ca si viteza câmpului învârtitor al statorului, n-ar mai exista miscare relativă între ele deci n-ar mai fi posibilă inducerea unui câmp elecgtromagnetic în rotor (FEM). (Din prezentările anterioare a reiesit că miscarea relativă intre un conductor si un câmp magnetic este necesară pentru inducerea unei tensiuni). Fără existenţa acestei FEM nu ar exista nici o interacţiune între câmpul magnetic si curentul din rotor pentru a produce miscare. Rotorul trebuie asadar să se rotească la o anumită viteză mai mică decât viteza de sincronism a câmpului magnetic dacă există miscare relativă între cele două. Această diferenţă de viteze este denumită alunecare. În mod curent alunecarea este calculată ca procentajul cu care viteza rotorului se află în urma vitezei sincrone a câmpului magnetic învârtitor. Cuplul

Cuplul unui motor de CA este dependent de forţa interacţiunii dintre câmpul statoric si curenţii rotorici si de relaţia dintre acestea. În timpul funcţionării normale, cuplul este direct proporţional cu curentul rotoric. Curentul rotoric creste direct proporţional cu alunecarea. Modificarea cuplului în funcţie de alunecare arată că, odată cu cresterea alunecării la ~10%, cuplul creste liniar(Figura 4-24). Odată cu cresterea sarcinii si alunecării până în puctul anterior punctului de cuplul de sarcină maximă. Cuplul atinge valoarea maximă la o valoare a alunecării de 25%. Valoarea maximă a cuplului este denumită de cuplu de rupere al motorului. Dacă sarcina creste dincolo de acest punct, motorul se calează si se va opri. Cuplul

Figura 4-24 Cuplu versus Alunecare

21

de rupere al motorului de inducţie variază în mod normal de la 200 la 300% din cuplul nominal.

Cuplul de pornire reprezintă valoarea cuplului la o alunecare de 100% si este în mod normal de 150-200% din cuplul nominal. Odată cu accelerarea motorului, cuplul va creste până la cuplul de rupere iar apoi va descreste până la valoarea necesară susţinerii sarcinii la viteză constantă, de obicei între 0-5%. Curentul de pornire

Curentul de pornire este mai mare decât curentul nominal al motorului. Există trei motive pentru acest curent mărit. Primul motiv îl reprezintă crearea câmpului magnetic în stator care necesită putere. Cel de-al doilea motiv îl reprezintă inerţia motorului, care necesită o anumită cantitate de energie ca să fie învinsă, sau mai simplu este nevoie de energie pentru a pune motorul în miscare. Iar cel de-al treilea si cel mai important motiv îl reprezintă interacţiunea dintre curenţii rotorici si câmpul magnetic statoric. Câmpul magnetic din stator

intersectează conductorii din rotor, generând un câmp electromagnetic în rotor. Conductorii rotorici sunt scurtcircuitaţi, generând o curgere de curent si un câmp magnetic în jurul rotorului(Figura 4-25).

În momentul în care motorul este pornit, un câmp magnetic rotitor este produs; totusi rotorul nu se învârte încă. Din moment ce rotorul nu se învârte, valorile tensiunii si curenţilor indusi în rotor sunt mari. Acesti curenţi rotorici determină cresterea curentului pe liniile care alimentează motorul.

Curentul de pornire este de obicei de 5-7 ori mai mare decât curentul de sarcină. Curentul de sarcină este cantitatea de curent pe care motorul o trage din reţea când motorul este folosit la capacitate nominală. Acest curent este întotdeauna scris pe plăcuţa motorului. Curentul de pornire se poate vedea când un motor de putere mare dotat cu un ampermetru este pornit. În majoritatea cazurilor după pornirea motorului acul ampermetrului se va „agăţa” de partea superioară a scării de valori, apoi va reveni la valoarea normală de funcţionare a curentului. Desi sună

Figura 4-25 Rotorul Motorului de Inducţie

22

a situaţie extremă, acest lucru este normal si de asteptat. Dacă curentul de de pornire nu este remarcat, aceasta trebuie considerată ca o situaţie anormală care cere o cercetare mai amănunţită.

Curentul de Funcţionare(nominal)

Odată ce un motor de AC a pornit, curentul de funcţionare va fi direct proporţional cu valoarea sarcinii. Cel mai simplu exemplu este cel al unui motor care acţionează o pompă. Odată cu cresterea debitului prin pompă(ex: este deschisă o supapă) sarcina motorului va creste, determinând cresterea curentului prin motor. Dacă supapa este închisă, debitul prin pompă va scădea la fel ca si sarcina motorului, iar curentul prin motor va scădea

Curenţi de funcţionare mari sunt cauzaţi de obicei de defecţiuni ale îmbinărilor mecanice ale motorului sau a componentelor conduse de către acesta. De exemplu, dacă garnitura unei supape acţionate de motor s-a strâmtat în mod excesiv, curentul prin motor va creste datorită cuplului mărit care apare pentru a învinge forţa de frecare. Acesti curenţi mari de funcţionare au ca efect generarea de căldură excesivă de către motor, cauzând distrugerea izolaţiei si deteriorarea motorului.

Rezumat

• Un generator primar consistă dintr-o buclă conductoare care se învârte într-un câmp magnetic interserctând liniile magnetice de forţă.

• O undă sinusoidală este rezultatul intersecţiei unei părţi a unei bucle a generatorului a liniilor de câmp într-o direcţie iar a celeilalte părţi a buclei în direcţie opusă. Prima jumătate de rotaţie a buclei produce tensiunea pozitivă si cea de-a doua jumătate de rotaţie produce tensiunea negativă. Prin aceasta se încheie un ciclu a generării de CA

• Masina de acţionare este dispozitivul utilizat pentru rotirea generatorului de CA.

• Rotorul unui generator de CA este rotit de masina de acţionare • Statorul unui generator de CA reprezintă componenta staţionară a acestuia • Inelele de alunecare si periile sunt conexiuni electrice utilizate pentru transferul

puterii la si de la rotorului unui generator de CA. • Un regulator de tensiune controlează curentul de câmp pentru a regla iesirea

tensiunii din generator. • Frecvenţa reprezintă numărul de cicluri pe pe care tensiunea sau curentul CA le

fac într-o secundă. Unitatea ei de măsură e hertzul, abreviat Hz

23

• Perioada reprezintă durata de timp pentru încheierea unui ciclu. • Valoarea efectivă a CA reprezintă cantitatea de CA care produce acelasi efect

de încălzire ca si cantitatea egală de CC. • Rădăcină medie pătratică (RMS) transformă CA în echivalentul în CC:

- Irms = 0.707 Imax = Curentul efectiv

- Erms = 0.707 Emax = Tensiunea efectivă • O undă trifazată conţine trei unde monofazate, egale în amplitudine si defazate

la 120°. • Sistemele trifazate sunt utilizate în industrie deoarece: - circuitele trifazate cântăresc mai puţin decât circuitele monofazate de

aceeaşi putere - au o plajă mare de tensiuni si pot fi utilizate și pentru sarcinile monofazate. - echipamentul trifazat este mai mic în dimensiuni, cântăreste mai puţin si

este mai eficient decât echipamentul monofazic. • Cuplul într-un motor CA este dezvoltat de interacţiunea dintre rotor si câmpul

magnetic învârtitor. Câmpul magnetic învârtitor „taie” barele rotorice si induce un curent în ele. Acest curent indus interacţionează cu câmpul magnetic statoric pentru a produce cuplu.

• Într-un motor de inducţie odată cu cresterea alunecării de la zero la ~10% cuplul creste liniar. Odată cu cresterea sarcinii si a alunecării dincolo de cuplul nominal, cuplul va atinge valoarea maximă la o alunecare de 25%. Dacă sarcina este mărită dincolo de acest punct, motorul va cala si se va opri imediat. Cuplul de rupere pentru un motor de inducţie variază în mod normal între 200-300% din cuplul nominal. Cuplul de pornire este valoarea cuplului la o alunecare de 100% si este în mod normal situat între 150-200% din cuplul nominal

• Curentul de pornire într-un motor este de 5-7 ori mai mare decât curentul nominal. Acest curent este determinat de:

- puterea necesară construirii câmpului magnetic învârtitor în motor. - cantitatea de energie necesară înfrângerii forţei de inerţie a motorului. - interacţiunea dintre curenţii rotorici si câmpul magnetic statoric • Curentul de funcţionare variază proporţional cu sarcina.

24

2. Transformatoare

Descrierea unui Transformator

Un transformator este un dispozitiv care transferă energie electrică de la un circuit la altul prin inducţie electromagnetică. Energia este întotdeauna transferată, fără o schimbare a frecvenţei, dar, de obicei, cu modificări de tensiune şi curent. Fiecare transformator are o înfăşurare primară şi una sau mai multe înfăşurări secundare. Înfăşurarea primară primeşte energia electrică de la o sursă de curent alternativ şi induce energia electrică la înfăşurarea secundară. Energia apare ca o forţă electromotoare (FEM) peste înfăşurarea secundară, şi dacă o sarcină este conectată la secundar, energia este transferată.

Transformatoarele oferă un mijloc de transfer al energiei electrice de la un circuit la altul cu nici o conexiune electrică între circuite.

Transformatoarele sunt folosite într-o varietate de aplicaţii. Cea mai importantă aplicaţie a unui transformator este ridicarea sau coborârea tensiunii primite de la o sursă de putere.

Un transformator simplu constă din două înfăşurări situat foarte aproape împreună, de multe ori pe partea de sus. O înfăşurare este formată din multe spire din sârmă înfăşurată în formă de bobină, similar cu un inductor. Înfăşurările sunt izolate una de alta şi pot fi montate pe un miez de fier. Construcţia de bază a unui transformator este prezentată în Figura 5-1. Înfăşurarea primară şi secundară sunt puse pe părţi opuse ale miezului. Prin urmare, tensiunile induse sunt pozitive la partea de sus a ambelor înfăşurări în timpul jumătăţii pozitive a ciclului tensiunii de intrare. Această relaţie este, de asemenea, adevărata dacă primarul şi secundarul sunt înfăşurate pe acelaşi picior al miezului de fier şi în aceeaşi direcţie.

Figura 5-1 Transformator

25

Principiile de Funcţionare ale unui Transformator

Un transformator funcţionează pe principiul transferului de energie prin inducţie magnetică de la un set de bobine la un alt set printr-un câmp magnetic variabil. Fluxul magnetic este produs de o sursă de curent alternativ. Sursa de curent alternativ trebuie să fie utilizată în scopul de a oferi un câmp alternant (expansiune şi contractare) magnetică. Dacă o sursă de curent continuu ar fi folosită, ar exista un câmp magnetic constant şi nu exista tensiune indusă.

Înfăşurarea unui transformator care este alimentată dintr-o sursă de curent alternativ se numeşte înfăşurare primară; bobina care livrează energie către sarcina este numit înfăşurarea secundară (Figura 5-1).

Atunci când tensiunea alternativă se aplică la înfăşurarea primară, un curent alternativ de flux va magnetiza miezul magnetic, prima dată într-o direcţie iar a doua oară în altă direcţie. Acest flux alternativ care trece prin întreaga lungime a bobinei secundare induce o tensiune în înfăşurările secundare. Tensiunea indusă va avea aceeaşi frecvenţă ca şi cea din primar.

O tensiune va fi de asemenea indusă în înfăşurarea primară, deoarece aceasta este, de asemenea, în imediata apropiere a câmpului magnetic în schimbare. Această tensiune se opune tensiuni aplicate la înfăşurarea primară şi se numeşte forţă contrelectromotoare (CEMF).

Primul concept discutat în conformitate cu teoria de operare a transformatoarelor este de inducţie reciprocă (sau inductanţa mutuală). Atunci când un curent alternativ trece prin înfăşurarea primară, un câmp magnetic primar este stabilit. Datorită naturii curentului alternativ, câmpul magnetic îşi schimbă mereu sensul.

Aceasta duce în mişcarea relativă între înfăşurarea primară şi câmpul primar. Prin urmare, o tensiune este dezvoltată în înfăşurare. Într-un transformator, înfăşurarea secundară este plasată lângă primar. Înfăşurarea primară interacţionează cu înfăşurarea secundară, inducându-i o tensiune electromotoare. Capacitatea de a transfera energia de la un circuit electric izolat, prin inducţie electromagnetică, se numeşte inductanţă mutuală

Funcţionarea Transformatoarelor

În conformitate cu legea lui Faraday, tensiunea care este indusă într-un conductor este dependenta de rata de schimbare a fluxului magnetic şi numărul de înfăşurări ale conductorului. Transformatoarele folosesc această lege pentru a modifica tensiunea de la primar la înfăşurările secundare. În cazul în care înfăşurările secundare ale unui transformator sunt mai multe decât înfăşurările primare, o tensiunea mai mare va fi indusă în secundar, şi va acţiona pentru a creşte tensiunea. Aceste tipuri de transformatoare sunt cunoscute ca transformatoare ridicătoare de tensiune.

În cazul în care secundarul unui transformator conţine mai puţine spire decât primarul, mai puţină tensiune va fi indusă în înfăşurarea secundară şi

26

transformatorul va acţiona pentru a reduce tensiunea. Aceste tipuri de transformatoare sunt cunoscute ca transformatoare coborâtoare de tensiune.

Această caracteristică oferă transformatoarelor abilitatea de a schimba amplitudinea curentului alternativ. În unele aplicaţii, schimbarea tensiunii de la o sursă de curent alternativ poate fi benefică pentru performanţele sistemului.

De exemplu, sistemele electrice de transport a tensiuni pe distanţe lungi lucrează mai bine pentru tensiuni mai mari. Dacă această tensiune mai mare a ar fi prezentă la generatoare care produc energia electrică şi sarcinile care consumă energia electrică, mai multă izolare şi mai multe echipamente de siguranţă ar fi necesare pentru funcţionarea, rezultând într-un cost mai mare. Prin utilizarea transformatoarelor crescătoare şi descrescătoare de tensiune, energia electrică poate fi transformată la o tensiune înaltă, care este mai eficientă din punct de vedere al transportului energiei electrice, şi după aceea transformată într-o tensiune mai mică care este mai potrivită pentru consum.

O altă funcţie indeplinită de transformatoare este de a furniza capacitate de izolare. Amintim din discuţia anterioară că nu există conexiuni fizice între înfăşurările primare şi secundare, existănd doar o conexiune magnetică. Această caracteristică asigură că sursa de alimentare şi sarcina nu sunt conectate electric; prin urmare, o anomalie electrică pe o parte a transformatorului nu va afecta echipamentul aflat pe partea cealaltă a transformatorului.

Amplitudinea tensiunilor induse depinde de intensitatea câmpului magnetic, şi numărul de spire în înfăşurările care sunt tăiate de câmpul electromagnetic. Intensitatea câmpului magnetic depinde de amplitudinea curentului primar şi permeabilitatea magnetică a miezului. În cazul în care câmpul magnetic taie acelaşi număr de spire în ambele înfăşurări, tensiunile primare şi secundare vor fi identice.

Transformarea curentului şi a tensiunii este un concept important al teoriei de operare a transformatoarelor. Un transformator poate creşte sau descreşte tensiunea de intrare. Raportul dintre tensiunea primară şi tensiunea secundară este direct proporţională cu raportul dintre numărul de spire al înfăşurării primare şi numărul de spire al înfăşurării secundare. De exemplu, în cazul în care primarul are patru spire iar secundarul are opt raportul este de 4-8 (1:2).

Asta înseamnă că tensiunea secundară va fi de două ori mai mare decât tensiune primară. Acest tip de transformator este numit un transformator ridicător de tensiune (tensiunea secundară este mai mare decât tensiunea primară). În cazul în care tensiunea de ieşire este mai mică decât tensiunea de intrare, transformator este un transformator coborâtor de tensiune.

Într-un transformator ideal nu există pierderi de putere. Prin urmare, din moment ce nici o putere nu se pierde, putere de intrare este egală cu puterea de ieşire. Dacă puterea printr-un transformator rămâne constantă, orice schimbare în tensiunea de la bornele transformatorului va determina curentul să îşi schimbe sensul. Acest lucru este arătat de următoarele ecuaţii:

27

sspp IEIE =

p

s

s

p

I

I

E

E=

Unde: Pprimara = puterea de intrare Psecundara =puterea de ieşire Ep = tensiunea primară (prin înfăşurarea primară) Es = tensiunea secundară (prin înfăşurarea secundară) Ip = curentul primar Is = curentul secundar

Într-un transformator ridicător de tensiune, tensiunea creşte iar curentul scade pentru a menţine puterea de la intrare egală cu puterea de ieşire. Într-un transformator coborâtor, tensiunea scade iar curentul creşte.

Este posibil calculculul tensiunii şi curentului în primarul şi secundarul unui transformator în cazul în care se cunosc numărul de spire din fiecare înfăşurare, una dintre tensiuni şi un curent.

Un transformator este un dispozitiv de autoreglare. În cazul în care secundarul unui transformator este în gol, curentul secundarului este zero. Iar curentul prin primar o să fie foarte mic. În studierea inductanţei, am învăţat că un inductor produce o tensiune autoindusă care se opune tensiunea aplicată. Un transformator cu secundarul în gol lucrează ca un inductor.

Atunci când o sursă de curent alternativ este conectată la înfăşurarea primară, curentul alternativ duce la schimbarea sensului câmpului magnetic creat în jurul primarului. Acesta intersectează liniile secundarului, ceea ce induce o tensiune în secundar. Tensiunea indusă în secundar este maximă atunci când frecvenţa de schimbare a curentului din primar este cea mai mare, şi minim în cazul în care în primar avem un curent continuu.

Atunci când o sarcină este conectată la bornele secundarului, prin secundar va trece un curent, care crează la rândul lui un câmp magnetic care se va opune câmpului creat de primar. Acest lucru duce la scăderea tensiuni autoinduse în primar (tensiune care se opune treceri curentului prin primar), ca urmare curentul prin înfăşurarea primară va creşte. Pe măsură ce sarcina creşte, curentul prin primar va creşte. Astfel puterea de intrare în transformator este controlată de puterea de ieşire din transformator. Acest întreg proces este descris pe scurt ca inducţie mutuală.

În cazul în care s-ar scurtcircuita secundarul unui transformator, o cantitate

undaraprimara PP sec=

28

prea mare de curent va trece prin acesta, precum şi prin secundar. Acest lucru nu ar avea ca rezultat doar arderea transformatorului, dar de asemenea poate provoca daune la sursa de alimentare. Creşterea curentului ar produce o căldură mai mare decât cea la care poat bobinele transformatorului să reziste. În concluzie: dacă secundarul transformatorului, conectat la o sarcină rezistivă, este parcurs de un curent mic, tensiunea şi curentul din primar şi secundar sunt defazate cu 90 de grade. Pe măsură ce creşte sarcina secundarului, unghiul de fază devine mai mic.

Tipuri de Transformatoare

Transformatoare sunt construite astfel încât caracteristicile lor se potrivească aplicaţiei pentru care le sunt destinate. Tipurile de transformatoare sunt, de asemenea, catalogate în funcţie de rolul pe care îl îndeplinesc într-un circuit, cum ar fi un transformator de izolare. Transformatoarele de Distribuţie

Transformatoarele de distribuţie sunt în general utilizate în distribuţia energiei electrice şi a sistemelor de transmisie. Această clasă de transformatoare are cea mai mare putere, sau valori de putere aparentă, şi cele mai mai valori ale curentului continuu. Puterea nominală este în mod normal determinată de tipul metodei de răcire pe care transformatorul le poate folosi. Unele metode frecvent utilizate pentru răcire le reprezintă folosirea uleiului sau din alte materiale conducătoare de căldură. Amperajul este crescut într-un transformator de distribuţie prin mărirea dimensiunii înfăşurărilor primare şi secundare, valoarea tensiunii este crescută prin creşterea capacităţii de izolare, ale izolări folosite în construcţia transformatorului.

Trei faze de putere pot fi procesate prin folosirea a trei transformatoare monofazate. Aceasta se numeşte o baterie transformatoare trifazată. Cele trei transformatoare monofazate pot fi plasate într-un bazin de ulei, cu un sistem de răcire comun. Un alt mod de a procesa puterea trifazată este prin utilizarea unui singur transformator trifazat. Avantajele de a folosi un transformator trifazat sunt: costul iniţial scăzut şi dimensiunile mai mici. Dezavantajele sunt costurile mai mari de reparaţie şi scoaterea lui completă din circuit în caz de avarie. Transformator Instrumental

Transformatoarele instrumentale îndeplinesc mai multe funcţii. Ele separă circuitele de măsură de circuitele electrice de forţă pe care le măsoară, în cazul în care acestea funcţionează la o tensiune ridicată. Aceste transformatoare reduc tensiunile şi curenţii astfel încât să poată fi măsuraţi în condiţii de siguranţă. Tensiunile şi curenţii reduşi, de asemenea, sunt folosiţi pentru alimentarea releelor de putere de protecţie şi alte instrumente pentru circuite de înaltă tensiune. Cele două tipuri de transformatoare instrumentale sunt: transformatoarele de curent şi

29

transformatoarele de tensiune.

Transformatoare Instrumentale de Tensiune

Transformatorul instrumental de tensiune (TT) coboară tensiunea unui circuit la o valoare scăzută, care poate să fie eficientă şi folosită în condiţii de siguranţă pentru alimentarea unui voltmetru, wattmetru şi altor relee folosite pentru diverse scopuri de protecţie.

Transformatorul de tensiune (TT) este folosit pentru a monitoriza surse de curent alternative care au o tensiune ridicată. TT este un tip de transformator coborâtor de tensiune. Legătura între primar şi secundar este electromagnetică. Prin urmare, un voltmetru convenţional de joasă tensiune poate fi folosit pentru a măsura tensiunea mai mică din secundar. Tensiunea primară este determinată dacă se cunoaşte numărul de spire din secundar şi primar. Pentru a asigura exactitatea transformatorului, înfăşurările primare şi secundare trebuie să aibă un număr precis de spire. Tensiunea primară şi a raportului de transformare determina tensiunea secundarului.

Multe tipuri diferite de voltmetre sunt proiectate pentru o tensiune nominală de 120 volţi. Prin urmare, producţia unui transformator potenţial poate fi citit că pe voltmetru standard.

Transformatorul Instrumental de Curent

Transformatorul instrumental de curent (TC) coboară curentul unui circuit de la o valoare mai mică şi este utilizat în aceleaşi tipuri de echipamente ca un transformator de tensiune. Acest lucru se face prin construirea unui bobine secundare formate din mai multe spire, în jurul bobinei primare, care conţine doar câteva spire. În acest mod, măsurătorile de valori ridicate de curent pot fi obţinute.

Un transformator de curent ar trebui să fie întotdeauna scurtcircuitat atunci când nu este conectat la o sarcină externă. Deoarece circuitul magnetic al unui transformator de curent este proiectat pentru curent de magnetizare scăzut atunci când este sub sarcină, o creştere mare a curentului de magnetizare va duce la un flux mare în circuitul magnetic şi poate cauza transformatorul să acţioneze ca un transformator crescător de tensiune, inducând o tensiune excesiv de ridicată, în secundar atunci când nu e sub sarcină.

Transformatorul de curent este folosit pentru a măsura fluxul de curent prin intermediul circuitelor de înaltă tensiune sau de curent mare. Când curentul trece printr-un conductor, un flux magnetic înconjoară acel conductor. Intensitatea câmpului este direct proporţională cu amplitudinea fluxului de curent. Transformatorul de curent este proiectat astfel încât tot curentul din circuit să fie măsurat prin intermediul fluxurilor de primar.

Deoarece conductorul primar deja se înconjoară de un flux, nu este necesar

30

ca conductorul să fie neapărat spiralat. În schimb, conductorul primar este înconjurat de liniile electrice izolate ale secundarului. Acesta stabileşte un curent scăzut în secundar care masoară cu precizie orice schimbare în curentul primarului.

Valoarea curentului de ieşire a unui transformator de curent este mai mică şi direct proporţională cu curentul primarului. Primarul, este format din câteva tururi de sârmă groasă pe un miez de oţel laminat.

În cazul în care transformatorul are o valoare a curentului ridicată, înfăşurarea primară poate fi o bară de cupru care trece printr-un miez gol. Multe transformatoare de curent sunt formate prin trecerea conductorului printr-un orificiu al miezului înfăşurări secundare. Acest lucru se face de obicei când conductorul trece printr-o bucşă (transformatorul de curent este uneori numit un transformator de curent bucşă).

Transformatorul de curent este de obicei construit în baza trecerilor izolate de întrerupătoare, transformatoare, şi alte echipamente electrice. Transformatorul de curent de tipul bucşa este utilizat în situaţii de înaltă tensiune. Înfăşurările secundare constau, de obicei, din multe spirale. Numărul de spire depinde de raportul dorit între primar şi secundar.

Construcţia Transformatoarelor

Transformatorul standard are două înfăşurări izolate electric una de cealăltă. Aceste spire sunt înfăşurate pe un miez magnetic comun realizate din tole de oţel laminat. Principalele componente includ:

(1) miezul, care furnizează un circuit de reluctanţă scăzută (o cale permeabilă pentru fluxul magnetic) pentru fluxul magnetic

(2) înfăşurarea primară, care primeşte energia de la sursa de curent alternativ

(3) înfăşurarea secundară, care primeşte energia prin fenomenul de inducţie mutuală, de la primar, şi o distribuie sarcinii.

Cele mai comune tipuri constructive sunt: (1) cu miez în coloane este foarte frecvent utilizat în transformatoare mici, şi

(2) tip shell, care este mult mai frecvent utilizat în transformatoarele mari.

Miezul unui transformator tipic este fabricat din tole de oţel laminate, aranjate sub forma unui pătrat cu centrul gol. Înfăşurările sunt amplasate în jurul celor două coloane opuse ale miezului. Înfăşurarea de înaltă tensiune este înfăşurată peste cea de joasă tensiune şi izolată faţă de ea.

Miezurile sunt construite cu ajutorul unei matriţe din tabla din oţel silicios. Curenţi turbionari, generaţi în miez de către curentul alternativ, sunt minimizaţi prin utilizarea de tole subţiri şi prin izolarea lor prin laminare cu un lac izolator. Pierderile histerezis, cauzate de frecarea particulelor magnetice, deoarece acestea sunt rotite prin fiecare ciclu de magnetizare sunt minimizate prin utilizarea unui tip special de tratare termică a oţelului siliconat laminat.

31

Înfăşurările transformatoarelor sunt proiectate pentru a obţine numărul necesar de spire într-un spaţiu minim. Dimensiunea conductorului (secţiunea transversală), trebuie să fie suficient de mare pentru a transporta curentul necesar, fără supraîncălzire, şi cu suficient spaţiu pentru izolare. Înfăşurările transformatorului trebuie să rezistente la curenţi cu valori mari. Cuprul este utilizat în înfăşurări deoarece are cea mai mică rezistenţă dintre materialele cu cost scăzut. Conductorii din cupru sunt de obicei făcuţi din fire de cupru panglică sau mici bucăţi de formă pătratică ambalate împreună pentru a forma conductorul de dimensiunea corectă.

Este nevoie de o izolaţie scăzută între spirele adiacente, deoarece există o diferenţă relativ mică de tensiune între spire.

Date nominale de funcţionare ale transformatoarelor

Puterea unui transformator este măsurată în kilovoltamperi(kVA). Puterea de ieşire a unui transformator se bazează pe curentul maxim pe care transformatorul este capabil să îl transporte fără a depăşi o anumită temperatură. Puterea în circuitele de curent alternativ depinde defactorul de putere al sarcinii, precum şi curentul care trece prin acesta. O putere de ieşire în kilowaţi (kW) trebuie să fie specificată la un anumit factor de putere. Acesta este motivul pentru care transformatoarele şi motoarele de current alternativ au datele nominale în kVA, care este independent faţă de factorul de putere.

În cazul în care sarcina alimentată de un transformator are factorul de putere unitar, ieşirea în kilowaţi (kW) va fi acelaşi că ieşirea în kVA. În cazul în care factorul de putere este subunitar, cum este cazul de obicei, ieşirea în kW va fi mai mică decât ieşirea în kVA. Diferenţa este invers proporţională cu valoarea factorului de putere. De exemplu, un transformator cu un rating de 100 kVA va suporta în condiţii de siguranţă 100kW, dacă factorul de putere este unu. Acesta va transporta 90kW dacă factorul de putere este de 0.9, şi 80kW dacă factorul de putere este de 0.8.

Datele nominale ale transformatorului constă în mod normal din patru parametri enumerati mai jos:

(1) Tensiunea nominală a primarului (2) Tensiunea din secundar, care ar apărea în sarcină la tensiune primară şi

putere nominală. (3) Puterea nominală aparentă a înfăşurării secundare exprimată în kVA, sau

VA, aceasta reprezintă puterea maximă care ar trebui furnizată de secundar

(4) Frecvenţa nominală a transformatorul.

De exemplu, dacă un transformator este evaluat la 220/1200V, 6 kVA, 50 Hz aceasta înseamnă că atunci când este aplicată la bornele primarului o tensiune de 220V, tensiunea secundară va fi 1200V, cu transformatorul furnizând 6 kVA, cu

32

frecventă de 50Hz unei sarcini. Pe piaţă se fabrică diverse tipuri de transformatoare. Acestea sunt enumerate

în cataloagele producătorului în funcţie datele tehnice şi de caracteristicile de construcţie.

O listă generalizată de tipuri este prezentată mai jos: (1) Transformatoarele de uz general, de obicei uscate având o tensiune

secundara de 400 volţi sau mai puţin. Utilizarea lor este în primul rând pentru coborârea tensiunii pentru iluminat şi alte aplicaţii de mică putere. Aceste unităţi servesc aplicaţiilor de uz caznic şi pentru iluminat.

(2) Transformatoarele de sarcină sunt fie de tip uscat sau umplute cu lichid. Ele sunt fie montate pe un stand fie sunt de sine stătătoare (atât de interior cât şi de exterior). Tensiunea este, de regula, 20.000 volti. Această tensiune este coborâtă la 6000 de volţi sau mai puţin. Acest tip de transformator este de obicei o parte intergrată într-o substaţie.

(3) Transformatoare de distribuţie au o putere de la 3 la 500 kVA, cu tensiunile din primar de 20.000 de volţi şi secundarul la niveluri mici de tensiune Aceste transformatoare sunt atât monofazate cât şi trifazate, şi răcite cu ulei. Transformatoare de distribuţie sunt montate pe stâlpi sau platforme

(4) Transformatoarele de putere au puterea peste 500 kVA. Acestea sunt transformatoare masive de exterior şi sunt utilizate la transmisia şi distribuţia tensiunilor de peste 6.000 de volţi. Unităţile de acest tip trebuie instalate ţinând cont de specificaţiile şi standarde ale staţiei.

Transformatoare Uzuale

Există două tipuri de transformatoare în cele mai multe facilităţi. (1) 20 kV la 500/380 Vca, trei faze, 50 Hz

Aceste transformatoare primesc puterea de la sistemul de alimentare şi o transformă de la 20 kV la 380 sau 500 VCA. Tensiunea de 380/500VCA este apoi utilizată pentru a alimenta întrerupătoarele de circuit, la componentele majore, cum ar fi centrele de control al motorului, întrerupătoarele automate de transfer.

(2) 500/380 Vca la 220 Vca, monofazic, 50Hz Aceste transformatoare de putere primesc 380 VCA de obicei de la centrul de control al motorului şi reduc tensiunea la 220 VCA, unde este folosită pentru sarcini, cum ar fi iluminat, instrumente, căldură, control console şi computere. Aceste transformatoare alimentează sarcinile prin intermediul panourilor de alimentare, similare cu cele din gospodării.

33

Capitolul 5: Rezumat

• Funcţionarea unui transformator: - Înfăşurarea primară este înfăşurată în jurul unui miez. - Tensiune alternativă este aplicată înfăşurărilor primare, provocând un câmp

magnetic care variază în timp. - Variaţia câmpului magnetic produs de primar induce o tensiune în

înfăşurările secundarului. - Tensiunea din înfăşurările secundare are aceeaşi frecvenţă ca tensiunea din

înfăşurările primare, dar de valori diferite. - Atunci când tensiunea creşte, curentul scade. - Atunci când tensiunea scade, curentul creşte.

• Funcţiile transformatoarelor: - Pentru a creşte sau scădea tensiunea alternativă (sunt folosite

transformatoarele crescătoare sau coborâtoare) - Pentru a oferi o izolare între sursă şi sarcină

34

6. Distribuţia Electrică

Componentele Sistemului şi Dispozitivele de Protecţie

Sistemul de Distribuţie Electrica cuprinde de toate componentele care se află între sistemele de producere a energiei electrice şi sarcini.

Sistemul de electric de distribuţie furnizează puterea pentru sarcinile de proces(pompe, ventilatoare şi compresoare), lumina, instrumente (unde sunt incluse şi sistemele computerizate), încălzire, circuite logice şi secvenţiale, dispozitive de operare(butoane şi întrerupătoare manuale) şi aparate de aer condiţionat. Sistemul electric de distribuţie permite conectarea şi deconectarea sarcinii, metode de protecţie a sarcini şi a cablurilor şi instrumentele necesare pentru automonitorizare.

Este esenţial ca măcar o parte din sistemul de distribuţie să fie activ tot timpul pentru că de el depind multe alte sisteme. Asigurarea operabilitatăţii se realizează prin alimentarea sarcinilor prin mai multe surse de alimentare şi prin asigurarea sarcinilor vitale/esenţiale cu o sursă de rezervă care în cele mai multe cazuri sunt generatoare diesel. Sarcinile care nu trebuie niciodată să fie lipsite de putere, nici măcar pentru momente scurte de timp, sunt alimentate de aşa numitele surse neîntreruptibile de tensiune(UPS) care au la bază baterii electrice. Distributia Electrica(DE) este folosită pentru alimentarea următoarelor sarcini: sisteme de control, sisteme PA şi calculatoare auxiliare. Aceste surse neîntreruptibile de putere alimentează sarcini cum ar fi sistemele de control, sistemele PA (de amplificare) şi componentelor auxiliare computerizate. Sistemele Electrice de Putere Tipice

Un sistem electric de putere este alcătuit din patru părţi: un sistem de generare, un sistem de transmitere, un sistem de distribuţie şi un sistem care să folosească această putere (Figura 6-1).

Sistemul de generare este altcătuit din surse de putere, la care sunt asociate transformatoarele, pentru transformarea mărimilor electrice cu scopul de ale transmite pe distanţe mari.

Sistemul de distribuţie poate să primescă energie electrică în două forme generale: putere normală sau putere de rezervă. Puterea normală este puterea care este este asigurată sarcinii. Acesta putere este asigurată de sistemul de distribuţie. Puterea de rezervă este puterea pe care o primesc sarcinile când puterea normală este deconectată sau întreruptă. Acesta putere este asigurată de către un generator diesel sau de un stand de baterii.

Sistemul de transmisie include cabluri de înaltă tensiune, stâlpii de susţinere, staţiile de comutaţie care conectează sistemul de generare la sistemul de distribuţie.

35

Sistemul de transport formează o reţea care se extinde zonal, de obicei cu tensiunea de transport a sistemului de 110 kV.

Sistemul de distribuţie este alcătuit din două sau mai multe substaţii. Prima substaţie reduce tensiunea de transmisie de la 110kV la o tensiune intermediară, tipic la 20kVca. Panourile de comutaţie pentru 20kV au în mod normal ampermetre care indică curentul pe care îl primesc de la liniile de alimentare. Contoarele sunt folosite pentru a determina câtă energie electrică este consumată de către sarcina.

Transformatoarele de distribuţie, transformă tensiunea înaltă, de la sistemul de transmisie de la sistemul de transmisie, la o tensiune care poate să fie folosită de către sarcini. Dacă sarcini mari sunt prezente în sistem, atunci aceasta tensiune intermediară poate fi folosită pentru alimentarea lor. Următoarea substaţie va

Figura 6-1 Sistemul Electric de Putere

36

reduce tensiunea şi mai mult la 400VCA, care se găseşte în alimentarea celor mai multe sarcini.

O substaţie de comutaţie distribuie 400VCA, putere produsă de către transformatorul de distribuţie. Comutatoarele sunt un grup de disjunctoare. Fiecare comutator are multe întrerupătoare de alimentare, un conductor şi multe întrerupătoare ale circuitului de alimentare. Întrerupătorul principal este acolo unde conductorul este alimentat de la transformatorul substaţiei. După aceea conductorul substaţiei alimentează centrul de control al motorului şi alte componente electrice mari prin intermediul întrerupătoarelor de alimentare.

Sistemul de distribuţie de 400VCA are parametrii asociaţi cu comutaţia. Indicatorii permit operatorului să determine dacă sistemul de distribuţie funcţionează corect şi de a verifica alarma. Dacă sistemul nu funcţionează corect, indicatorii pot fi folositi pentru a determina cauza anormalităţi create. O substaţie are de obicei următori indicatori:

(1) Voltmetru transformatorului – indică tensiunea pe linia dintre transformator şi întrerupătorul principal de comutaţie al circuitului.

(2) Ampermetrul transformatorului – indică curentul care iese din transformator, acest aparat de măsură este folosit pentru a indică cantitatea de curent pe care transformatorul o distribuie la comutatorul de linie.

(3) Wattmetru pe transformator – arată puterea care iese din transformator şi indică puterea reală distribuită de transformator pe o perioadă de timp.

(4) Voltmetrul pe linia de comutaţie – indică tensiunea pe linie de comutaţie, acest aparat de măsură este folosit pentru a indică tensiunea pe bara de linie.

O substaţie distribuie puterea prin folosirea unor magistrale electrice. O

magistrală electrică este o linie principală de distribuţie care conectează toate întrerupătoarele de la sursa de alimentare. Magistrala electrică este o bară de cupru (sau trei bare pentru un sistem trifazat) care conectează întrerupătorul de la alimentare la transformatorul substaţiei sau la întrerupătorul de comutaţie.

Întrerupătorul alimentării asigură transportul energiei electrice către sarcinile electrice. O sarcină electrică este un dispozitiv care consumă putere electrică. Cantitatea de putere electrică şi de curent care sunt consumate de sarcina depinde de mărimea sarcinii. Exemple: un motor, un solenoid sau un panou de alarmă, circuite care produc căldura, lumina şi instrumentele de măsură, de monitorizare şi contorizare.

Unele sarcini sunt cunoscute ca sarcini vitale sau sarcini esenţiale. Acestea sunt componente electrice care sunt esenţiale pentru operarea unui sistem care realizează una sau mai multe operaţii vitale. De obicei indicatoarele, regulatoarele, calculatoarele şi sistemele de protecţie sunt considerate sisteme vitale. Când puterea este pierdută (pană de curent), puterea electrică consumată de către sistemele vitale este asigurată de surse de rezervă (generatoare diesel) şi prin

37

nealimentarea sarcinilor neesenţiale. Prin nealimentarea sarcinilor neesenţiale se asigură mai multă putere pentru sarcinile esenţiale.

Centrul de control al motorului acţionează ca o distribuţie centralizată şi ca

punctul de control pentru sarcinile de 400VCA şi pentru alte componente de 400 VCA. Fiecare centru de control al motorului conţine întrerupătoare şi siguranţe, regulatoare, instrumente, şi dispozitive de protecţie pentru a controla sarcinile de la centru de control. Puterea de la centru de control al motorului poate să fie asigurată sarcinii prin intermediul unui regulator sau printr-un transformator coborâtor de tensiune. Centrul de control al unui motor are indicatoare asociate întrerupătoarelor de circuit PORNIT-OPRIT precum şi pentru puterea centrului de control (voltmetre şi iluminare).

Transformatorul coborâtor de tensiune reduce tensiunea de 400Vca la

230VCA. Acesta putere este după aceea distribuită la sarcinile mici, cum ar fi becurile, instrumentele. Panourile asigură distribuţia puteri electrice către sarcinile mici, şi sunt alcătuie din panouri mici care conţin întrerupătoare mici asemănătoare cu cele care se găsesc în locuinţe.

Puterea sistemului electric de distribuţie poate fi asigurată în două forme generale putere normală şi putere de rezervă. Puterea normală este puterea cu care este alimentat în mod normal sarcinile electrice. Această putere de obicei este asigurată de sistemele de distribuţie a energiei electrice. Puterea de rezervă este puterea cu care sarcinile sunt alimentate când puterea normală nu este disponibilă. Această putere electrică este asigurată de regulă de un generator diesel. Comutarea între puterea normală şi cea de rezervă este creată printr-un comutator automat, despre care se va discuta în următoarele subcapitole. Termeni Electrici Uzuali

Exista numeroase tipuri de dispozitive care sunt găsite într-un sistem tipic de distribuţie a energiei electrice. Fiecare astfel de dispozitiv are un rol specific. Lista de mai jos cuprinde dispozitivele comune, denumirea şi definiţia lor, care se găsesc într-un sistem de distribuţie a energiei.

• Zona de substaţie – primeşte energie de la sistemul de distribuţie. O substaţie conţine un întrerupător, un transformator şi un întrerupătoare de circuit.

• Transformator – creşte sau scade tensiunea alternativă. Tipic transformatoarele sunt folosite pentru a reduce tensiunea mare a unui sistem de distribuţie la o valoare la care tensiunea poate fi folosită de către echipamentele din zona respectivă.

• Substaţie de distribuţie – o substaţie care este alcătuită dintr-un transformator, care asigură tensiune ridicată pentru comutatoarele de

38

deconectare, şi care asigură tensiune mică pentru întrerupătoarele de circuit. O substaţie de distribuţie va primi o tensiune ridicată pe care o coboară la o valoare(tipică de 400 Vca), şi distribuie puterea componentelor aflate în aval prin intermediul întrerupătoarelor.

• Centrul de control al motorului (MCC) – un centru de control al motorului primeşte, de regula, 400Vca şi distribuie această putere sarcinilor (echipamentelor de proces). Un MCC conţine de asemenea echipamente de contorizare şi relee de protecţie.

• Comutator de transfer automat (ATS) – sunt folosite pentru pentru a asigura energia electrică de rezervă a echipamentelor esenţiale. Când puterea normală este întreruptă, ATS-ul va transfera automat puterea de la o sursă de rezervă către sarcina.

• Contactor – un dispozitiv electromecanic care controlează transferul de putere către un echipament electric. Ele au două stări de funcţionare PORNIT-OPRIT, când asigură şi când nu asigură energie electrică echipamentului.

• Întrerup ătoare de circuit – sunt dispozitive mecanice folosite pentru a controla puterea care este distribuită sarcini. Întrerupătoarele de circuit conţin dispozitive de supracurent pentru a izola automat sarcina de sursa de tensiune atunci când apare un supracurent.

• Întrerup ătoare de deconectare/deconectare de siguranţă – similare cu întrerupătoarele de circuit în funcţionare, dar aceste întrerupătoare pot fi şi fără dar şi cu siguranţe pentru a proteja sarcina. Întrerupătoarele de siguranţă sunt folosite tipic pentru a izola un transformator şi sursa acestuia de putere. Întrerupătoarele de siguranţă sunt folosite în circuite care au sub 600V şi sunt folosite pentru a izola echipamentele de sarcina acestora.

• Separatoare – folosite pentru a separa vizibil două circuite electrice. • Întrerup ătorul principal – folosit pentru a conecta bare de ansambluri de

aparataj la ieşirea din transformatoare. • Întrerup ător de alimentare – primeşte energie electrică de la întrerupătorul

principal şi trimite acesta energie electrică în aval. • Puterea nominală – puterea care este primită de la sursa nominală, la tensiunea

uzuală. • Surse multiple – părţi ale sistemului de distribuţie care pot furniza

componentelor aflate în aval cel puţin două surse de putere normală. • Generatoare diesel de rezervă – furnizează putere tuturor sarcinilor

vitale/esenţiale prin intermediului unui generator diesel aflat în zona de lucru.

• Avarii electrice – problemele electrice cum ar fi supraîncărcarea componentelor, scurtcircuit şi circuite care împiedică echipamentele electrice să funcţioneze corect.

• Punere la pamant – o conexiune, accidentală sau intenţionată, între un circuit, piesa unui echipament şi pământ, sau alt corp pe post de pământ, un loc cu potenţialul electric zero.

39

Relee de protecţie/Dispozitive de protecţie

Relee de protecţie sau dispozitivele de protecţie sunt făcute ca să realizeze oprirea rapidă a tensiuni a unui echipament ca acesta să nu fie distrus de tensiune. Când o condiţie anormală este detectată, releul/dispozitivul activează un întrerupător de circuit, deconectând echipamentul defect cât mai repede posibil.

Releele cu rol de protecţie monitorizează continuu parametri cum ar fi curentul, tensiunea, puterea, frecvenţă. Releele pot fi construite ca să protejeze echipamentele electrice în cazul unei condiţii anormale, cum ar fi: supratensiune, sub frecvenţă, suprafrecvenţă, inversarea fazelor, temperatura sau supracurent. Sigurante

Siguranţa este un dispozitiv care protejează un circuit în cazul unui supracurent. Are un conductor fuzibil care este topit de către temperatura produsă de curentul care trece prin el. Conductorul fuzibil este un element care permite trecerea curentului, în cazul unu curent normal conductorul fuzibil nu este afectat. Când un supracurent sau un scurtcircuit circula prin siguranţă, conductorul fuzibil se va topi şi va întrerupe legătura. Sunt mai multe tipuri de siguranţe care sunt folosite (Figura 6-2). Siguranţa încapsulată este o siguranţă construită dintr-un conductor de zinc sau dintr-un aliaj, un element fuzibil închis într-un tub de porţelan pe bază de filet. Acest tip de sigurata este folosit în mod normal pentru circuite de 230V sau mai puţin, şi care au o capacitate maximă de 30 amperi.

Siguranţa fuzibilă este construită din cupru sau aliaje fuzibile, element care este închis într-un tub de cilindru cu capetele elementului lipite de capetele tubului. Schema unui Sistem Trifazat

Spre deosebire de schema unui sistem monofazat, care necesită un conductor de nul şi de o împământare separată, sistemele trifazate nu au nevoie nici de un conductor neutru nici de împământare ca să opereze în condiţii de siguranţă. La fel ca şi în cazul sistemelor cu o singură fază doar secundarul transformatorului precum şi sarcinile conectate la acesta au nevoie de împământare.

În cazul conexiuni în Y tensiunea solului său a tensiunii disponibile de la linia de la sol este egală cu tensiunea de linie împărţită la 1.73, care este

Figura 6-2 Siguranţe fuzibile

3

40

În Figura 6-3, avem un exemplu de sistem în Y sau conexiune Y cu punct de nul după cum este denumită în mod normal, care extinde conceptul de trei conductori adăugându-i un al patrulea de nul. Depinzând de alegerea conductorilor, una dintre următoarele posibilităţi se poate realiza: o fază de tensiune coborâtă intre o fază şi punctul de nul; un circuit de tensiune normală între oricare două faze sau un sistem trifazat.

La fel ca orice sistem împământat, legăturile sunt făcute între pământ şi toate componentele sistemului. Sistemul este recunoscut ca fiind cel mai sigur sistem de distribuţie pentru joasă tensiune şi este întâlnit pentru sistemele de 230V. Împământările Sistemelor Electrice şi Greşelile de Împământare

În paragraful anterior, s-a discutat despre sistemele de împământare. Sistemele de împământare au un rol importat de a menţine tensiunea de linie la valori specifice şi pot să fie folosite pentru a proteja sistemul la atingeri accidentale şi de descărcări electrice.

Figura 6-3 Transformator trifazat

41

Figura 6-4 arată un sistem tipic de 230VCA. În acest caz, o defectare în oricare punct 1, 2 sau 3 va duce la comutarea întrerupătorului.

Legarea la pamant a Echipamentelor

Pentru situaţia în care un cablu de 400VCA care duce la o componentă vine in contact cu carcasa, incinta echipamentului ar avea un potenţial între el şi pământ care va fi egal cu tensiunea de linie a sistemului. Dacă această zonă ar fi atinsă de o persona, curentul va trece direct prin aceea persoană şi către pământ (Figura 6-5). Aceasta va fi o situaţie periculoasă dacă oricare din faza A sau faza C ar veni in contact cu incinta dacă aceasta nu ar fi legata la pamant.

Figura 6-4 Sistemul de Împământare, Conexiune în Y

Figura 6-5 Echipament neîmpământat

42

Pentru a preveni această situaţie periculoasă, cabinele electrice au echipamentul legat la pamant, aşa cum se arătă în Figura 6-6. In acest caz, dacă are loc un contact accidental între un cablu de alimentare şi carcasa echipamentului, curentul o să aibă o cale de rezistenţa mică către pământ, iar persoana care atinge aceea carcasa nu va fi curentată. Pentru astfel de puneri la pamant, curenţii sunt mari, ceea ce duce la activarea sistemului de siguranţă (siguranţe fuzibile, întrerupătoare de circuit). În acest caz personalul care intră în contact cu aceste echipamente trebuie să se asigure că echipamentul are împământarea făcută.

Întrerup ătoarele de Circuit

Întrerupătoarele de circuit au trei roluri importante. Primul rol este de a închide sau deschide circuitul pentru a proteja şi de asigură întreruperea alimentări fără a distruge circuitul.

Al doilea rol este de a izola circuitul de sursa de alimentare. Al treilea rol este de a fi un starter pentru motoarele mari. Un întrerupător de

circuit diferă de o siguranţă pentru că un întrerupător poate fi comutat între PORNIT şi OPRIT, în timp ce o siguranţă se topeşte şi trebuie înlocuită.. Întrerupătoarele în aer (ACBs) la care desfacerea contactelor are loc în aer. Întrerupătoarele cu ulei (OCBs) folosesc ulei pentru stingerea arcului electric la deschiderea contactelor.

Figura 6-6 Echipament Împământat

43

Întrerupătoare cu Aer pentru Tensiune Mică

Întrerupătorul de circuit pentru tensiune mică este un întrerupător pentru tensiuni de 400 volţi sau mai puţin. Unul dintre cele mai cunoscute întrerupătoare cu aer pentru tensiune mică este modelul prezentat în Figura 6-7.

Sunt mai multe variante posibile, în funcţie de curent: 100, 225, 400, 600, 800 şi 2,000 amperi. Gama tensiuni disponibile este între 220 V şi 1000V, şi curentul de rupere de 1000 amperi.

Întrerupătoarele de circuit pentru tensiune mică au de obicei: contacte principale, contacte auxiliare, stingător arc, un mecanism de declanşare, şi conectori terminali (Figura 6-8). Contactele Principale/Contacte pe Arc

Contactele principale sunt concepute pentru a transporta curentul electric către un sistem electric. Contactele principale sunt alcătuite din contacte mobile şi contacte fixe. Într-un întrerupător de circuit cu trei faze, există trei contacte staţionare şi trei contacte mobile, un set pentru fiecare fază. Contactele staţionare sunt montate pe o bază comună de material izolant. Contactele mobile sunt mecanic alăturate pentru a asigură că toate cele trei contacte se mişca împreună.

Întrerupătoarele de circuit create pentru curenţi mari au un al doilea set de contacte pentru fiecare fază, numite contacte de rupere. Contactele de rupere previn arderea şi erodarea contactelor principale. În timpul funcţionării unui întrerupător de circuit, contactele de rupere se închid primele. Contactele de rupere sunt create pentru a suporta curenţi mari la închiderea şi deschiderea întrerupătoarelor în condiţii normale şi anormale.

Figura 6-7 Întrerupător în caracasă

44

Stingătoare de arc electric

Fiecare set de contacte este prevăzut cu cameră de stingere pentru a minimiza intensitatea şi durata arcului electric. Camera de singere întinde, răceşte şi stinge arcul pe contactele principale sau pe contactele de rupere la închiderea sau deschiderea unui circuit. Camerele de stingere sunt instalate pe contactele principale sau pe contactele de rupere într-un întrerupător pentru a izola arcul în timpul operaţiei de deschidere a circuitului. Construcţia camerei de stingere permite arcului format, odată cu deschiderea contactelor să fie întins în camera de stingere. Când arcul este întins în camera de stingere, este împărţit în segmente mici şi stins. Această acţiune stinge rapid arcul, minimizând astfel pericolul apariţiei flăcării şi cel al avarierii contactelor întrerupătorului.

Mecanismul de actionare

Mecanismul de actionare asigură o comutare rapidă, indiferent de viteza cu care mânerul este actionat. Mecanismul este conceput pentru a avea o caracteristică mecanică liberă pentru a preveni blocarea întrerupătorului în poziţia închis în timpul unei condiţii de defect electric.

Un solenoid(bobina) de închidere, permite închiderea de la distanţă a întrerupătorului. Solenoidul este situat sub mecanismul de funcţionare. Atunci când tensiunea este furnizată solenoidului, o forţă magnetică este generată care atrage pistonul mecanismului de funcţionare. Punctul de atracţie al pistonului produce o

Figura 6-8 Întrerupător de circuit (fără carcasă)

45

acţiune de rupere, care va determina mecanismul de funcţionare sa închida întrerupătorul.

Un dispozitiv de şuntare cu declanşare permite declanşarea de la distanţă adică închiderea sau deschiderea unui întrerupător. Dispozitivul este o unitate activată electric care constă dintr-un magnet mobil, un mecanism de operare, şi o armătură. O sursă de control al puterii este necesară pentru funcţionarea dispozitivului de declanşare cu şunt. Dispozitivul de declanşare poate fi operat de la un comutator manual sau de la un releu de protecţie.

Întrerupătorul este operat de la distanţă sau manual de către operator. Întrerupător este operat manual prin deplasarea mânerului în poziţia ON(pornit) sau OFF(oprit). Toate întrerupătoarele cu excepţia celor foarte mici, au o legătură între mânerul de operare şi contactele au o acţionare rapidă indiferent de cât de repede sau încet mânerul este acţionat. Mânerul este conceput astfel încât să nu poate fi blocat pe poziţia închis în cazul unui scurtcircuit. În cazul în care întrerupătorul se deschide în conformitate cu una dintre aceste condiţii, mânerul va trece in poziţia declanşare liberă. Poziţia de declanşare liberă este la jumătatea distanţei între poziţiile ON(pornit) şi OFF(oprit) şi nu poate fi reînchis până când mânerul este împins în poziţia OFF şi resetat.

Întrerupătorul poate fi, de asemenea, operat automat în stare anormală. Într-o stare anormală, întrerupătorul este în mod normal, operat de releele de protecţie sau de o unitate de declanşare. Releele sunt regulatoare electrice şi/sau componente de monitorizare conectate în întregul sistem de energie electrică pentru a detecta condiţiile nesigure sau nedorite în interiorul unei zone. Parametrii monitorizaţi de relee includ curentul, tensiunea, frecvenţă şi temperatura. Când releul simte o condiţie anormală, releul activează şi deschide întrerupătorul, care deconectează echipamentele sau circuitele avariate cât mai repede posibil.

Întrerupătoarele de circuit cu aer mult mai mari sunt utilizate în sistemele de distribuţie mari: comerciale şi industriale. Aceste întrerupătoare sunt disponibile într-o plajă mult mai mare de curenţi decât cele în carcasă închisă .

Întrerupătoarele cu puteri de rupere mari cu aer utilizează un dispozitiv de închidere, prevăzut cu un mecanism de stocare de energie, pentru o acţiune rapidă de închidere. Energia este stocată prin comprimarea unui arc mare, de către o bobină puternică, care este ataşat de contactul întrerupătorului. Odată ce aceste arcuri sunt comprimate, dispozitivul de blocare poate fi operat pentru a elibera arcurile, iar energia arcurilor va închide întrerupătorul. Comprimarea arcurilor se poate face manual sau prin intermediul unui mic motor electric. Acest tip de întrerupător poate fi clasificat ca unul operat manual sau electric.

Când un întrerupător cu aer de capacitate mare este închis, mecanismul de închidere este blocat. Pe măsură ce întrerupătorul este închis, un set de arcuri este comprimat şi întrerupătorul poate fi apoi declanşat. Mecanismul de blocare poate fi operat atât manual dar sau de la distanţă prin intermediul unei bobine, care închide mecanismul şi care comprima arcurile.

46

Când un întrerupător este acţionat electric, arcul este comprimat de către un motor astfel încât întrerupătorul este pregătit pentru funcţionare şi pentru o nouă închidere. Întrerupătoarele acţionate manual sunt acţionate prin intermediul unei manivele. Figura 6-12 arată un întrerupător mare cu aer. Arcurile de închidere sunt comprimate de către manivelă aflată în faţa întrerupătorului. Acţionarea acestui întrerupător se face prin intermediu pârghiei de declanşare, situată în faţă în partea de jos a întrerupătorului.

Figura 6-12 Întrerupător de dimensiune mare cu aer

47

Întrerupătoare de Circuit de Tensiune Înaltă

Întrerupătoarele de circuit de înaltă tensiune (inclusiv întrerupătoarele cu o tensiune medie) sunt folosite pentru protecţia echipamentelor în cazul tensiunilor care depăşesc 6000V (Figura 6-13).

În stadiile incipiente de dezvoltare a sistemului electric, cea mai mare parte a întrerupătoarelor de înaltă tensiune au fost întrerupătoare cu ulei.

În acest tip de disjunctor au loc întreruperi, în ulei, între două contacte separabile cu ajutorul bobinelor. În timp ce contactele prin care trece curent se separă în condiţiile unui curent prea mare, arcul este tras afară orizontal şi transferat la un set de contacte de rupere. În acelaşi timp, bobina oferă un câmp magnetic de a atrage arcul în sus, în arcul voltaic.

Construcţia acestui tip de întrerupător de circuit este similar cu cel al unui întrerupător de circuit cu aer folosit pentru tensiune mică, cu excepţia ca toate sunt operate electric.

Figura 6-13 Intrerupătoare de Circuit de înaltă tensiune

48

Capitolul 6: Sumar

•••• Un conductor electric este un punct de distribuţie primar, care conectează toate

întrerupătoare de sarcină la sursa de alimentare. •••• O sarcină electrică este un dispozitiv care consumă putere electrică. •••• O sarcină vitală/esenţial este o componentă electric care este esenţială pentru

funcţionarea unui sistem care îndeplineşte o funcţie vitală. •••• Un centru de control acţionează ca un motor de distribuţie centralizat şi punctul

de control pentru sarcini aflate în 480 Vca. •••• Echipamentul de împământare ajută la prevenirea accidentelor de personal. •••• O staţie reduce tensiunea şi funcţionează ca punct centralizat de distribuţie a

puterii. •••• Un transfer de distribuţie transformă înalta tensiunea la o valuare, care poate fi

folosită de echipamentul electric. •••• Releele de protecţie realizează eliminarea promptă a oricărei părţi a unui sistem

de putere care suferă un defect electric. •••• O siguranţă protejează componentele electrice în cazul unui supracurent. •••• Scopul întrerupătoarelor electrice este: - Deschide un circuit de protecţie la supracurent fără a deteriora circuitul

întrerupătorului în sine - Asigură o funcţionare normală de comutare - Asigură izolarea - Este folosit ca un starter pentru motoarele mari •••• Cele trei roluri ale întrerupătoarelor electrice: - Deschide un circuit de protecţie şi oferă comutare normală fără a deteriora

circuitul. - Întreţine izolarea - Este folosit ca un starter pentru motoarele mari •••• Componentele întrerupătorului de joasă tensiune - Contactele principale/contactele pe bază de arc - Arc extinctor - Mecanismul de funcţionare - Mecanism de declanşare - Conectori de terminal

49

7. Instrumentele Electrice de Masura

Bobina Mobila (D'Arsonval) Contormetrul

Multe dintre aparatele folosite pentru a măsura tensiunea şi curentul folosesc bobina mobilă (D’Arsonval). Toate părţile care sunt în mişcare sunt arătate în Figura 7-1. Magnetul permanent crează un câmp magnetic uniform în care bobina mobilă se roteşte. Curentul care se măsoară trece prin bobina şi produce un câmp magnetic la nivelul bobinei. Câmpul magnetic creat de bobina interacţionează cu cel produs de magnetul permanent, iar bobina se roteşte. Acul care este montat pe bobină se roteşte şi el, indicând pe scara gradată curentul care trece pe bobină. Cu cât curentul este mai mare, cu atât va fi mai puternic câmpul magnetic din jurul bobinei, iar bobina se va roti mai mult, şi acul se va deplasa mai mult pe scara gradată. Un arc se opune mişcări de rotaţie a bobinei.

Ampermetrul

Ampermetrul măsoară curentul electric. Poate să fie calibrat în amperi, miliamperi,

Figura 7-1 Contormetru

Figura 7-2 Ampermetrul

50

sau microamperi. Pentru a măsura curentul ampermetrul trebuie montat în serie cu circuitul care va fi testat (Figura 7-2).

Când un ampermetru este montat în serie cu un circuit, rezistenţa circuitului va creşte cu rezistenţa internă a ampermetrului (Rm). Dezavantajul este ca ampermetru va trebui să suporte curentul care trece prin circuitul care este testat. În cele mai multe cazuri, acest curent este mai mare decât curentul pe care îl poate măsura aparatul (Im). Un ampermetru cu o scară până la Im poate fi şuntat cu un rezistor (RSH) pentru a măsura un curent I n(In > Im) (Figura 7-3). Motivul pentru şuntarea ampermetrului este pentru a mări gama şi de aceea pentru a măsura curenţii mai mari decât cei pentru care a fost construit aparatul.Rezistenţe de şuntare Ampermetrele clasice nu pot suporta curenţi mari. Sunt foarte puţine care pot măsura un curent mai mare de 10 miliamperi. Majoritatea echipamentelor vor trebui să măsoare un curent mai mare decât cel pentru care au fost construite. În acest caz cel mai simplu o parte din curent să ducă pe lângă ampermetru iar restul să treacă prin aparat. Acest lucru este realizat prin conectarea unui rezistor, denumit şunt, în paralel cu ampermetrul (Figura 7-4). Pentru că doar o parte din curent să treacă prin aparatul de măsură, care va fi măsurat, iar restul curentului va fi uşor de calculat. Orice bobină mobilă are rezistenţa în curent alternativ. Atunci când un şunt este conectat în paralel cu aparatul de măsură, adică cu bobina din interiorul lui, curentul se va fi împărţi în două, la fel ca la un circuit cu două rezistoare în paralel. Prin folosirea unui şunt de rezistenţă potrivită, curentul prin bobina rotativă va fi limitat la o valoare mai mică, pentru ca bobina să nu fie distrusă, iar restul curentului va trece prin şunt.

RSH

IM

ISH A

IT

Figura 7-3 Ampermetru cu şunt

Figura 7-4 Ampermetru cu rezistenţă de şuntare

51

Voltmetrul

Un voltmetru simplu de curent continuu poate fi construit prin plasarea unei rezistenţe denumite multiplicator, în serie cu un ampermetru şi se schimbă şi scara (Figura 7-5).

Voltmetrele trebuie să fie montate în paralel cu componenta a carei tensiune la borne este masurata. Voltmetrul poate fi distrus dacă nu este conectat cum trebuie. Curentul care trece prin voltmetru este foarte mult redus datorită rezistenţei interne a voltmetrului care este mare.

Atunci când se conectează un voltmetru de curent continuu să se ţină cont de polaritatea corespunzătoare. Borna negativă a voltmetrului trebuie conectată la cea negativă, sau la punctul cu potenţial mai mic, al circuitului. Borna pozitivă a voltmetrului trebuie conectată la cea pozitivă, sau cea cu potenţial mare, a circuitului. Dacă acest lucru nu este făcut cum trebuie bobina rotativă se va deplasa în cealaltă direcţie iar acul voltmetrului poate să fie îndoit. În curent alternativ, tensiunea îşi schimbă constant polaritatea, de aceea nu este nevoie să se ţină cont de polaritate atunci când se măsoară cu un voltmetru într-un circuit străbătut de curent alternativ.

Ampermetrul cu tr ăgaci(clampmetrul)

Ampermetrul normal, aşa cum să menţionat, este conectat în serie cu sarcina. Ampermetrul cu trăgaci este capabil să măsoare curentul fără să întrerupă circuitul pentru a monta aparatul de măsură în serie cu sarcina. Ampermetru cu trăgaci este alcătuit dintr-un miez de fier cu o bobină înfăşurată în jurul ei şi după aceea un aparat de măsură identic cu un ampermetru normal (Figura 7-6). Un dispozitiv de declanşare aflat pe miezul de fier, permite deschiderea acestuia astfel încât conductorul care este măsurat să fie introdus în miezul de fier. Acest lucru crează un transfer în care conductorul se comportă ca o înfăşurare principală iar bobina înfăşurată în jurul miezului de fier se comportă ca o înfăşurare secundară.

Figura 7-5 Voltmetrul de Curent Continuu

52

Curentul prin conductor produce un câmp magnetic, care induce curent în înfăşurarea secundară. Curentul circulă prin aparatul de măsură care este conectat la a doua înfăşurare şi indică curentul care trece prin conductor. Deoarece este nevoie de o acţiune de transformare acest instrument poate fi folosit doar în curent alternativ. Intensitatea câmpului magnetic în jurul conductorului este proporţional cu numărul de spire şi intensitatea curentului prin conductor. Acest tip de ampermetru este folosit în măsurarea curenţilor foarte înalţi, de exemplu sute de amperi, deoarece acest curent nu trece direct prin ampermetru, ci induce un curent, care este măsurat de ampermetru. Ohmmetrul Ohmmetrul este un instrument folosit pentru a determina rezistenţa electrică. Un ohmmetru simplu este alcătuit dintr-o baterie, o bobină mobilă şi o rezistenţă variabilă (Figura 7-7). Ohmmetrul este conectat la o componentă care este înlăturată din circuit aşa cum se ilustrează în Figură 7-7. Motivul pentru îndepărtarea acestei componente este următorul: intensitatea curentului electric prin aceea componenta determina rezistenţa ei. Dacă componenta nu ar fi fost înlăturată din circuit, şi acesta e în paralelă cu altă componentă sau mai multe, curentul va trece prin toate piesele şi aparatul va indică o valoare eronată. Ro este o rezistenţă variabilă a cărei scop este de a duce în zero ohmmetrul şi de a reduce consumul bateriei. Are de asemenea cu rolul de a limita curentul împreună cu rezistenţa bobinei (Rm).

Figura 7-6 Ampermetrul cu trăgaci

Figura 7-7 Circuit simplu cu ohmetru

53

Pe măsură ce rezistenţa măsurată începe să crească, curentul care trece prin ea scade non linear. De aceea scara unui ohmmetru este o inversare a scări unui ampermetru şi a unui voltmetru (Figura 7-8). Cu alte cuvinte, rezistenţă este zero (Rx = 0) în capătul din dreapta al scării, şi rezistenţa infinită (Rx = 1 MΩ) este în partea din stânga a scării gradate.

Wattmetrul

Wattmetrul este un aparat care măsoară puterea curentului continuu sau alternativ. Wattmetrul foloseşte bobine fixe să masoare curentul, în timp ce bobinele mobile masoara tensiunea (Figura 7-9). Bobinele L11 şi L12 sunt bobinele fixe, montate în serie şi servesc ca un ampermetru. Cele două terminale I ale aparatului sunt conectate în serie cu sarcina. Bobina mobilă (Lv) şi rezistorul de multiplicare (Rs) sunt folosite ca un voltmetru, cu terminalele E conectate în paralel cu sarcina. Deviaţia acului este proporţional cu tensiunea (E) şi cu intensitatea curentului (I), care reprezintă chiar puterea (P = E x I). Puterea totală într-un circuit trifazat este suma puterilor pe fiecare fază în parte.

Puterea totală poate fi măsurată prin plasarea unui wattmetru pe fiecare fază (Figura 7-10); tipic doar două wattmetre sunt folosite pentru a măsura puterea trifazată.

Figura 7-8 Scala ohmetrului

Figura 7-9 Schema unui Wattmetru

Figura 7-10 Wattmetre conectate pentru măsurarea puterii trifazate

54

Capitolul 7: Rezumat

•••• Voltmetrul - Măsoară tensiunea - Se conectează în paralel cu sarcina care va fi măsurată •••• Ampermetrul - Măsoară valuarea curentului electric - Se conectează în serie cu circuitul •••• Ohmmetrul - Măsoară rezistenţa circuitului - Se conectează cu o componenta, după ce acesta a fost îndepărtată din

circuitul în care se află •••• Wattmetrul - Măsoară puterea reală care este consumată de sarcină - Componenta tensiuni (bobina mobila) conectată în paralel cu sarcina şi

componenta curentului (bobina fixă) conectată în serie cu sarcina

55

8. Pericole Electrice

Efectele curentului asupra omului

Când un curent nedorit circulă prin corpul unei persoane, aceea persoana este supusă unui şoc electric. Un şoc electric poate varia de la o senzaţie slabă de furnicături până la o lovitură puternică. În funcţie de intensitatea curentului precum şi de durata timpului cât acesta trece prin corp, efectele acestuia asupra corpului uman pot fi diferite. V-aţi întrebat vreodată de ce puteţi atinge ambele capete ale unei baterii de 12 volţi (de maşină care poate produce un curent de câteva sute de amperi) fără să simţiţi vreo senzaţie de şoc electric? Răspunsul este rezistenta. Pielea uscată are o rezistenţă de 100,000 până la 600,000 ohm. Ne aducem aminte din Legea lui Ohm că fluxul de curent este calculat prin împărţirea nivelul de tensiune la rezistenţa totală. Dacă împărţim voltajul bateriei (12V) la rezistenţă pieli umane (100,000Ω), aflăm valuarea curentului de 0.00012 amperi. Este un curent electric, dar are o valoare aşa de mică încât nu poate fi simţit. Din acest exemplu reiese că direcţia pe care curentul o alege depinde de rezistenţă şi de mărimea tensiunii. Cu cât rezistenţa e mai mare cu atâta va fi mai mic curentul pentru o anumită tensiune dată. Cu cât este mai mare voltajul cu atât este mai mare curentul pentru o rezistenţă dată. Cantitatea de curent care poate trece printr-un om fără să reprezinte un pericol pentru acel om depinde de: rezistenţa individuală a fiecărui om, de intensitatea curentului, de tipul curentului, de traiectoria curentului prin corpul uman şi de durata electrocutarii. Din cauza faptului că sunt mulţi factorii e greu de stabilit ce înseamnă un curent periculos. În funcţie de intensitatea curentului şi de durata cât acesta străbate corpul uman, efectele pot fi diferite. Victima are, de obicei, senzaţia de o lovitură neaşteptată iar, în cazul în care tensiunea este suficient de mare, intră într-o stare de inconştienţă. Câteva arsuri pot apărea pe piele în locul în care s-a făcut contactul. Pot apărea spasme musculare, cauzând ca persoană să strângă cu putere echipamentul sau conductorul care a cauzat şocul şi astfel să nu mai poate să îl închidă. Şocul electric poate să omoare un om oprindu-i inimă sau respiraţia, sau ambele. Poate afecta ţesutul nervos iar acest lucru poate duce la pierderea lentă în masă musculară, efect care poate apărea la câteva luni după ce şocul a avut loc. Aceasta poate provoca fibrilaţie ventriculară, sau stop cardiac şi moarte.

56

Un curent mic de 5 mA poate să fie periculos. Dacă palma intră în contact cu un conductor, e de ajuns un curent de 12 mA că să facă muşchiul să se contracte iar palma să prindă strâns conductorul. Un astfel de curent poate sau nu poate cauza un şoc periculos, în funcţie de timpul de contact şi de condiţia fizică, în special condiţia inimi.

Figura 8-1 Rezistenţa tipică a unu om şi curentul prin corp pentru o

tensiune de 110V

57

Frecvenţa de 50Hz este cea mai periculoasă frecvenţa. Acesta frecvenţa e diferită faţă de frecvenţa cu care bate inima şi modifică ritmul normal al acesteia. Acesta frecvenţă provoacă un efect denumit fibrilaţie ventriculară. Odată în fibrilaţie ventriculară inima încerca să se sincronizeze cu frecvenţa curentului alternativ. Când asta se întâmplă inima nu mai poate pompa sânge, şi circulaţia se va opri. Această condiţie este fatală dacă inima nu reintră în ritmul normal. Acest lucru necesită o intervenţie medică de urgenţă de către personalul medical, folosind un defibrilator. Figura 8-1 arată rezistenţa tipică a unui corp uman, precum şi curentul electric care ar trece prin diferite părţi ale corpului uman când tensiunea este de 110V. Următorul tabel arată efectele unui curent de 50Hz asupra unui corp uman::

Curent Efecte

1 miliamper sau mai puţin Nu se simte.

1 - 3 miliamperi O senzaţie de şoc, dar nu dureroasă. Controlul muscular nu e pierdut, ceea ce înseamnă că victima poate să dea drumul echipamentului care e sub tensiune.

3 - 15 miliamperi Un şoc dureros. Cam 3% din populaţie în această situaţie îşi pierde controlul muscular, acest lucru îi împiedică să dea drumul echipamentului aflat sub tensiune..

15 - 30 miliamperi* Un şoc dureros. Muşchi locali se contractă. Un impact suficient de puternic pentru a „îngheţa” 50% din populaţie.

30 - 75 miliamperi Un şoc dureros. Muşchi locali se contractă. Probleme cu respiratul. Poate provoca asfixiere sau pierderea conştienţei

75 -200 miliamperi Poate apărea fibrilaţii ventriculare ale inimii. **

200 - 300 miliamperi Apar fibrilaţii ventriculare ale inimii. **

300 miliamperi şi mai mare Mai multe arsuri şi contracţii musculare. Contracţiile pot fi atât de severe încât muşchi pieptului se pot face ca o clemă în jurul inimi, oprind-o pe durata şocului. Acest lucru previne fibrilaţia ventriculară.

* Exista dovezi că rezistenţa pielii scade pe măsură ce durata treceri curentului electric creşte. Dacă o victimă rămâne prinsă de echipamentul care e sub tensiune, iar curentul prin victima e de 15 miliamperi, scăderea rezistenţei ar putea să fie suficientă ca curentul să ajungă la 30 miliamperi.

** Fibrilaţia ventriculară a inimi este o condiţie în care inima bate rapid şi fără ritm. Este de obicei fatală în câteva minute.

58

Aşa cum este arătat şi in tabel, pragul durerii e între 3 şi 15 miliamperi. Un curent de 30 miliamperi poate cauza moartea. Regulă generală pentru şocurile electrice este arătată mai jos: 1 miliamper - nicio senzaţie 10 miliamperi - senzaţie dureroasă de şoc 50 miliamperi - pierderea controlului muscular 100 miliamperi - moartea poate să apară dacă curentul trece prin victima pentru

o durată de timp mai mare de o secundă

În Cazul unui Şoc Electric

Orice persoana care lucrează aproape de echipamentele electrice trebuie să fie familiarizată cu tehnicile de îndepărtare a unei persoane electrocutate de lângă circuitul electric. Primul lucru care trebuie făcut este întreruperea contactului dintre victima şi circuitul aflat sub tensiune. Dacă este posibil, trebuie să se facă acest lucru întrerupând alimentarea circuitului. Dacă nu este posibil să se oprească alimentarea atunci să se îndepărteze victima cât mai repede posibil. Să nu se atingă o persoană sau un echipament care este în contact cu un circuit care se află sub tensiune. Trebuie să se folosească lemn uscat, funie, pătura pentru a îndepărta victima de lângă circuit. Cu cât victima rămâne mai mult în contact cu circuitul cu atât va fi mai mare riscul la care este expus. Imediat ce victima este îndepărtată de circuit, se determina dacă aceasta mai respiră. Nu mişcaţi victima şi nu îi permiteţi acesteia să se mişte. În cazul în care victima nu respiră, eliberaţii căile respiratorii. Dacă nu începe să respire, faceţi-i respiraţie gură la gură. Verificaţi dacă inima bate prin verificarea pulsului la nivelul gâtului. Dacă este nevoie ar trebuie folosit CPR (resuscitare cardio pulmonară).

Reducerea Riscurilor Electrice

Cea mai bună metodă de a evita un şoc electric este de a menţine o distanţă de siguranta intre un circuit aflat sub tensiune şi orice parte a corpului uman. Acest lucru nu este mereu posibil. În timpul unor operaţii de rutină, operatorilor şi tehnicienilor le este impus să folosească echipamentul de protecţie. Datorită posibilelor şocuri electrice care pot apărea, se impun măsurile de siguranţă:

• Doar personalul calificat are permisiunea de a opera şi de a se ocupa cu mentenanţa asupra unui echipament electric.

• Toate carcasele echipamentelor electrice trebuie împământate. Împământările prezintă o rezistenţă mică pentru curent şi o cale ca acesta să se ducă în pământ. Dacă un echipament este împământat în cazul unui scurt circuit curentul se va duce în pământ şi nu în personalul care intră în contact cu circuitul.

59

• De câte ori este posibil, trebuie oprită alimentarea circuitul, acest lucru este mai important decât lucrarea la el. Acest lucru poate implica: acţionarea contactoarelor, scoţând siguranţele. Schemele electrice trebuiesc consultate de către personalul calificat pentru a identifică toate sursele posibile de putere.

• Toate echipamentele electrice trebuie să fie considerate sub tensiune până se demonstrează că nu sunt alimentate, acest lucru se face de către personalul autorizat. Acest lucru se face prin verificarea circuitului şi conductorilor dacă au curent electric, iar acest lucru are o importanţă mai mare decât munca în sine.

• Sistemele electrice trebuie gândite astfel încât să se poată împământa repede. În cazul unui incendiu electric, focul trebuie stins folosind un extinctor special pentru incendiile electrice, un extinctor clasa C (când echipamentele electrice sunt sub tensiune).

• Dacă temperatura unui motor urmează a fi determinată, niciodată să nu puneţi mâna pe motor, în schimb de la distanţa încercaţi să simţit căldura folosind podul palmei. NU ATINGEŢI motorul.

Capitolul 8: Rezumat •••• Regulile generale pentru şocurile electrice: - 1 miliamper - fără senzaţie - 10 miliamperi - o senzaţie dureroasă de şoc - 50 miliamperi - pierderea controlului muscular - 100 miliamperi - dacă contactul e mai mare de o secundă, victima

moare

•••• În cazul unui şocul electric, victima se salvează astfel: - Întreruperea contactului dintre victima şi sursa de curent electric, preferabil

prin întreruperea alimentări - Îndepărtarea victimei folosind un material ne conductiv, în cazul în care

întreruperea cu alimentare nu a fost posibilă. DE ŢINUT MINTE: nu atingeţi victima când acesta e în contact cu un echipament aflat sub tensiune.

- Se verifică victima, dacă are tensiune/puls. Să se elibereze căile de respiraţie ale victimei şi să se facă resuscitare cardio pulmonară.

- Să nu se mişte victima, şi să se cheme un ajutor medical în timp ce victimei i se acordă primul ajutor.

60

•••• Măsuri de precauţie pentru a se evita şocurile electrice sau pericolele electrice: - Doar personalul calificat poate să lucreze cu echipamente electrice. - Sunt necesari paznici pentru a împiedica personalul neautorizat să între în

contact cu echipamentul electric. - Carcasele echipamentele electrice trebuie împământate. - De câte ori este posibil, echipamentul electric trebuie scos de sub tensiune

înainte să se lucreze pe el. - Să se verifice că toate echipamentele electrice sunt scoase de sub tensiune,

înainte de a se presupune că nu sunt alimentate, acest lucru trebuie făcut de către personalul autorizat.

- Să se folosească un extinctor special în cazul unui incendiu electric. - SĂ NU SE POARTE haine largi, bijuterii sau alte materiale care se pot

agăţa de un mecanism aflat în mişcare. - SĂ NU SE ATINGĂ cu mâna carcasa unui motor electric pentru a-i

determina temperatura.

9. Surse neînteruptibile de tensiune (UPS)

Principiul de operare

Rolul unui UPS este de a menţine continuitatea de putere pentru echipamente importante cum ar fi: calculatoarele, sisteme PA, alarmele de incendii etc. Un UPS este un dispozitiv electric/electronic care transformă puterea de alimentare în tensiune alternativă cu un anumit voltaj şi frecvenţa (Figura 9-1). Componentele unui UPS sunt: • Acumulatorul • Încărcătorul • Invertor • Comutator pentru transfer static • Comutator mecanic pentru bypass • Panoul de control • Panoul de distribuţie

Acumulatorul

Acumulatorul asigură o tensiune continuă invertorului când ieşirea redresorului scade sub un interval acceptabil. Capacitatea acumulatorului va asigura alimentarea consumatorului pentru o anumită perioadă de timp atunci când sursa de tensiune este întreruptă. Capacitatea acumulatorului UPS depinde de următoarele: • Durata de timp în care este necesar de a efectua oprirea sarcinii • Pornirea şi încărcarea surselor de putere auxiliare pentru UPS • Perioada de timp necesară pentru restaurarea puterii comerciale Încărcătorul/redresorul

Încărcătorul acumulatorului UPS, cunoscut şi cu denumirea de redresor, transformă tensiunea alternativa de intrare în tensiune continua necesara incarcarii acumulatorilor. Invertorul

Invertorul transformă tensiunea continua a acumulatorului în 220 Vca pentru sarcina critică. Este alcătuit din trei secţiuni: invertorul de putere în etape, filtrul de curent alternativ şi regulatorul de tensiune, puterea de logică. Invertorul de putere în etape transformă intrarea de curent continuu, într-un curent

62

alternativ non sinusoidal. Acest curent alternativ conţine frecvenţa fundamentală de 50Hz, dar şi frecvenţe armonice nedorite. Invertorul de putere este cel mai simplu dispozitiv care poate produce o tensiune alternativă. Este alcătuit de obicei din patru redresoare controlate (SCR). Electronica din filtrul/regulatorul de 230Vca elimină armonicele nedorite generate de puterea de inversoare pentru a oferi sarcini o formă de undă sinusoidală cu o distorsiune maximă dată şi o magnitudine reglementată. Puterea logică furnizează un control secvenţial asupra SCR-ului în faza de puterea pentru a oferi următoarele: • Controlul frecvenţei • Regulator de tensiune • Limitarea de curent pentru protecţie la suprasarcină • Sincronizarea cu sursa externă

Întrerupătorul cu transfer static

Întrerupătorul cu transfer static are două funcţii importante. Acesta oferă calea normală de curent de la invertor la panoul de distribuţie UPS. Este de asemenea folosit pentru a întrerupe fluxul normal de curent şi de a conecta o sursă alternativă către panoul de distribuţie UPS în cazul în care curentul de la invertor nu are valoarea dorită.

Modul Tipic de Operare

În cazul unei defecţiuni temporare în redresorul UPS sau din cauza alimentări, un senzor de tensiune va detecta o schimbare sau o scădere de tensiune. Când acesta lucru se întâmplă, curentul continuu „curge” direct de la acumulator către invertor cu nicio întrerupere la ieşirea invertorului. Acumulatorul continuă să alimenteze invertorul pentru o perioadă limitată de timp până când tensiunea de alimentare revine. În cele mai multe cazuri acumulatorii sunt construiti să alimenteze timp de 20 de minute.

63

Figura 9-1 Schema unui UPS uzual

64

10. Variatoare de viteză

Principul de funcţionare

Un variator de viteză (VSD) este un regulator care are abilitatea de a controla şi schimbă viteza de rotaţie a unui motor alternativ asincron. În contrast termenul „starter” este folosit pentru un regulator care nu poate schimbă viteza unui motor alternativ. Un VSD este alimentat direct de la o sursă de 380 de Vac (staţia de distribuţie sau de la centrul de control al motorului). VSD-urile sunt montate în cabine. Acestea sunt dimensionate in KW. Puterea de intrare este în trei faze de 50 Hz, 380 VCA. Când alimentează o sursă cu tensiune constantă, frecvenţa constantă, motorul cu rotorul în scurt circuit are o viteză constantă aşa cum e determinată de construcţia motorului după cum se arată pe plăcuţa de date. Dacă sarcina de încărcare a motorului variază, viteza motorului poate varia cu 5% faţă de cea care este indicată pe plăcuţa de date. Atunci când un motor asincron acţionează o pompă sau un ventilator, de obicei fluxul de ieşire al pompei sau al ventilatorul este variat prin utilizarea valvelor laminare sau amortizoarelor. Acesta este o metodă ineficientă de a controla fluxul datorită pierderilor din supape şi amortizoare. Un VSD îi permite unui motor să aibă o turaţie variabilă, eliminând nevoia de a mai varia turaţia folosind valve şi amortizoare. Rezultatul este un sistem mult mai eficient. Într-un VSD, tensiunea şi frecvenţa (380 Vca, 50 Hz) sunt transformate într-o tensiune constantă şi după aceea iar retransformare într-o tensiune alternativă la tensiunea şi frecvenţa necesare pentru a roti motorul la turaţia dorită. Turaţia unui motor asincron este direct proporţională cu frecvenţă şi cu tensiunea de alimentare. Dacă frecvenţa de intrare a unui VSD este schimbată, turaţia motorului este dată de relaţia:

(RPM) initiala Viteza frecventa Vechea

frecventa Noua (RPM) Viteza ×≈

De exemplu, dacă un motor de 480V, 50Hz, 1750 rpm este alimentat la 220V, 30Hz motorul va avea o turaţie de 875.

RPM 1050 = RPM 1750Hz50

Hz30 =Viteza ×

Multe VSD-uri au abilitatea de a furniza o tensiune şi/sau frecvenţa reglabilă într-un interval de zece la unu (10:1) ceea ce înseamnă că toate motoarele asincrone care sunt controlate de un VSD au capacitatea de a fi operate pe un interval de unu la zece din viteza de rotaţie. Limitele vitezei sunt determinate practic de anumite restricţii ale

65

motorului, cum ar fi încălzirea motorului şi răcirea motorului. De obicei motoarele acţionate de VSD sunt acţionate pe un interval de trei la unu (3:1).

Caracteristici

Avantajele unor caracteristici ale variatoarelor de viteza: • Sarcina determina turaţia motorului. Viteza poate fi variată continuu ca un

răspuns la sarcina motorului, ceea ce duce la o eficienţă mai mare. • Un VSD poate rula continuu la viteza redusă. Această caracteristică reduce

uzura pompelor. • Un VSD începe cu turaţie foarte mică, reducând jocul indus sistemelor

mecanice şi electrice. Motoarele pot fi pornite cu viteză mică şi după aceea accelerate la viteza normală într-o perioadă de timp, efect denumit câteodată ‘soft start’.

• Un VSD accelerează şi decelerează la o rata prestabilită pentru a optimiza procesul asociat.

Blocul LOGIC din Figura 10-1 arată unde informaţia operatorului (de la panoul instrumental) este transformată în comanda pentru componentele VSD-ului pentru a asigură ieşirea dorită. Pe PANOUL INSTRUMENTAL sunt afişate informaţiile VSD, cum ar fi viteza de ieşire şi curentul de ieşire. Un VSD este echipat cu un întrerupător de circuit şi siguranţă.

Figura 10-2 Diagrama tipică a unui VSD

Date post:	29-Oct-2015
Category:	Documents
Upload:	paulpop
View:	36 times
Download:	5 times

Tema E5

Documents