Mașini și acționări electrice

1. INTRODUCERE

1.1. Evoluţia istorică a tehnicii acţionărilor

Acţionarea înseamnă o mişcare controlată unde se încearcă utilizarea forţelor naturii în scopul de a satisface necesităţile oamenilor.

La început pentru antrenare s-a folosit forţa omului, greutatea corpurilor, forţa şi greutatea animalelor, energia apelor şi a vânturilor.

Marea dorinţă şi ţel de a dispune de energie de mişcare în orice loc, în orice moment şi în cantitatea necesară s-a apropiat de realitate după ce energia electrică s-a produs pe scară industrială şi s-a putut distribui pe suprafeţe întinse.

La început au fost necesare o serie de descoperiri, invenţii şi dezvoltări pentru a stăpânii proprietăţile şi posibilităţile electricităţii şi procesele de transformare. Acestea s-au referit la început la bazele fizice descoperite prin experimente.

Prima piatră de temelie a tehnicii acţionărilor electrice poate fi considerată descoperirea în anul 1820 de H. Ch. Oersted că acul magnetic în apropierea unui conductor parcurs de curent este deviat. Urmează apoi descoperirea lui M. Faraday , in anul 1831, a inducţiei magnetice, efect care a fost utilizat imediat în aşa numitele maşini magnetoelectrice, azi numite generatoare. Faraday furnizează şi ideea posibilităţii producerii unei mişcări de rotaţie continue cu ajutorul electricităţii. Perioada următoare se caracterizează prin experimente cu “electromotoare”. În 1838 M.H. von Jakobi construieşte motorul din figura 1.1, de 1CP care s-a folosit pentru antrenarea unei bărci.

Fig. 1.1. Motorul Jakobi (1838) [ ]

Descoperirea principiului electrodinamicii în anul 1866 de W. von Siemens reprezintă o nouă piatră de hotar pe drumul spre tehnica acţonărilor moderne. Realizarea rotorului din tole, la mijlocul anilor 70, rezolvă problema încălzirii excesive a fierului care s-a opus obţinerii unui randament mai bun.

Dezvoltarea rotorului dublu T de Siemens în 1856, a rotorului inel de Pacinotti în 1860 şi a rotorului Trommel de Heffner-Alteneck în 1872 sunt paşi pe drumul realizării primelor maşini de current continuu utilizabile în practică, care au dominat la început fiindcă s-au folosit ca surse elemente galvanice.

Prima maşină antrenată de un câmp învărtitor a fost construită de G. Ferraris în 1885, fără importanţă practică datorită randamentului sub 50%. Ea constă din doi electromagneţi dispuşi perpendicular (fig. 1.2) alimentaţi de un curent alternativ bifazat iar în centru un cilindru de cupru.

Fig. 1.2. Motorul Ferraris [ ]

N. Tesla a arătat însă că soluţia este viabilă şi a adus idei noi în construcţia maşinilor electrice. A construit rotoare care au funcţionat pe principiul curenţilor turbionari sau a reluctanei, a construit rotor Trommel cu înfăşurări scurtcircuitate şi rotor dublu T alimentat în curent continuu, a construit maşini cu mai mult de doi poli şi maşini la care înfăşurările rotorice au fost alimentate prin inele colectoare, dar motoarele Tesla nu au avut succes industrial.

Doar după ce s-a constatat că alimentarea motoarelor cu un sistem trifazat este mult mai eficient decât cu un sistem bifazat s-a născut maşina de curent alternativ, realizat şi numit aşa în 1891 de M. Von Dolivo-Dobrovolsky. Ea avea o înfăşurare inelară în stator iar în rotor înfăşurări scurcircuitate. În acelaşi timp s-a realizat şi prima linie trifazată de transport a energiei electrice alternative la tensiunea de 8,5 kV, cu o lungime de 175 km, care a pus bazele distribuţiei energiei electrice la distanţe mari. Aceste două realizări au pus bazele succesului acţionărilor electrice care la începutul secolului 20 a trăit prima perioadă de înflorire.

În 1891 H. W. Leonard a propus o acţionare cu posibilitatea modificării vitezei de rotaţie, care a putut lucra în toate cele patru cadrane şi a avut un mare succes în tehnica acţionărilor industriale. Sistemul a fost compus dintr-o maşină de curent continuu alimentată de la un generator de curent continuu cu antrenare constantă la care valoarea tensiunii continue se poate modifica prin modificarea curentul de excitaţie.

Cu regulatoare mecanice bazate pe forţă centrifugă s-au realizat imediat primele sisteme de reglare a vitezei de rotaţie, cu care s-a atins o constantă a vitezei de rotaţie de 0,5%.

În anul 1902, în timp ce Cooper-Hewitt făceau experienţe cu lampa cu vapori de mercur au descoperit efectul de redresare al arcului electric şi astfel s-a găsit soluţia transformării curentului alternativ în curent continuu la puteri relativ mari şi cu un randament acceptabil, care au devenit necesare la acţionările comandate. Cu descoperirea comenzii pe grilă în 1914 prin J. Langmuir şi reglajul fazei în 1923 prin P. Toulon s-a construit în 1930 primul invertor cu lămpi cu vapor de mercur.

Prin combinarea unui redresor cu o maşină de curent continuu s-a obţinut, măcar pentru acţionări de mare putere, un sistem în care reglarea s-a realizat cu amplificatoare cu tuburi . Cercetările ulterioare au permis realizarea schemelor în punte.

La începutul anilor 30 s-au realizat primele scheme de convertoare autocomandate (selbstgefuhrten Wechselreichterschaltungen). Introducerea diodei de fugă (1932) (Ruckstromdiode) a făcut posibilă utilizarea lor şi la sarcini rezistiv-inductive, deci şi la maşini electrice.