Ingineria electrica are o reputatie de a fi misterioasa, motiv pentru care termenul „ fum magic” a devenit o gluma care circula printre ingineri si tehnicieni. Cu toate acestea, o cunoastere a principiilor ingineriei electrice poate fi incredibil de utila chiar daca nu sunteti inginer electric – mai ales daca trebuie sa lucrati cu unul!
In acest sens, acest articol acopera un concept de baza in inginerie electrica: energia electrica trifazata. Vom incepe cu elementele de baza si ne vom indrepta drumul pana la capat, cu scopul ca pana la sfarsitul acestui articol, fumul magic sa nu para atat de magic.
Inductie electromagnetica
Acest fenomen a fost descris initial de Michael Faraday. Daca un conductor este plasat intr-un camp magnetic diferit, forta electromagnetica indusa (EMF), adica tensiunea, apare la capatul opus. Un curent electric curge atunci cand bucla realizata din circuitul conductorului este inchisa, cu conditia ca conductorul plasat in campul magnetic diferit sa fie traversat de linii de camp magnetic.
Curent alternativ si inductie electromagnetica
Curentul alternativ (AC) are o forma sinusoidala si isi schimba alternativ directia si amplitudinea. Curentul AC este generat de un generator de curent electric care functioneaza pe principiul inductiei electromagnetice (EMI). Prin urmare, generatorul electric converteste energia mecanica in energie electrica.
Partile sale de baza sunt un stator si un rotor. Acesta din urma reprezinta sursa campului magnetic, in timp ce primul contine conductorul unde este indus EMF (in general conductorul este sub forma de sarma infasurata).
Generatorul este format din sursa unui camp magnetic variabil (un magnet sau un electromagnet) si conductorul traversat de linii de camp magnetic. Electromagnetul este un feromagnet (fier) infasurat de bobina (conductor). Fierul devine magnet (creeaza campul magnetic) atunci cand un curent electric curge prin bobina.
Electromagnetii sunt cea mai frecvent utilizata sursa de camp magnetic datorita avantajelor lor particulare din aceasta aplicatie (de exemplu, controlul fortei magnetice, o putere mai mare a magnetului etc.).
Valoarea de tensiune indusa la capetele conductorilor statorului depinde de rezistenta campului magnetic (care este proportional cu numarul de linii de camp magnetic pe unitate de suprafata), de viteza de schimbare a campului magnetic (viteza de rotire a magnetului sau conductorului) si unghiul la care liniile campului magnetic traverseaza conductorul.
In practica, bobina (conductor cu mai multe viraje) este utilizata in locul unui conductor de baza pentru a obtine o valoare EMF mai mare. Valoarea EMF este direct proportionala cu numarul de bobina se transforma N. De exemplu, in cazul unei bobine cu 100 de rotatii, EMF-ul indus va fi de 100 de ori mai mare decat unul dintr-o singura bucata de conductor.
De ce curentul AC are o forma sinusoidala?
Rotorul (magnetul) se roteste intr-un camp magnetic, facand un complet 360˚ intr-o perioada de timp t). Perioada t este invers proportionala cu frecventa, adica t = 1 / f. Statele Unite folosesc un sistem AC de 60 Hz (t = 1 / f = 16,67 ms), in timp ce Europa foloseste un sistem de 50 Hz (t = 1 / f = 20 ms). Aceasta inseamna ca un rotor intr-un generator de 60 Hz acopera o rotatie completa de 360˚ in 16,67 ms.
Tensiunea indusa, precum si curentul extras din generator, au o forma sinusoidala, asa cum s-a aratat mai sus, ca urmare a constructiei si principiului de functionare a generatorului. Liniile campului magnetic trec prin bobine intr-un unghi diferit atunci cand rotorul (magnetul) se roteste. Astfel, atunci cand rotorul se schimba, in bobina este indusa o valoare EMF diferita.
Magnetul rotorului are doi poli, nord (N) si sud (S). Cand rotorul (magnetul) se roteste, poli de magnet opus trec de bobina in fiecare jumatate de ciclu (180˚), inducand un EMF cu polaritate inversa. Polaritatea tensiunii de inversare determina o directie de inversare a curentului (adica curent alternativ).
Generatoare multifazice
Un generator curent poate fi fabricat cu un numar diferit de bobine plasate in stator. O bobina in stator formeaza un generator monofazat, in timp ce mai multe bobine alcatuiesc un generator multifazic. Un EMF cu amplitudine egala este indus in fiecare bobina.
Avantajele generale ale unui generator multifazic fata de un generator monofazat cu putere egala este ca primul este mai mic, mai usor si mai putin costisitor. Practic, singura diferenta fizica intre un singur generator si un generator multifazic este bobinele suplimentare cu piese insotitoare in stator.
Fiecare faza genereaza cantitati aproximativ egale de energie. Energia generata va fi inmultita cu numarul de faze (adica, bobine instalate in generator). In comparatie cu un sistem monofazat, un sistem in doua faze necesita mai multe fire si conductoare mai groase, dar fara beneficii suplimentare, motiv pentru care nu este popular in practica.
Generatoare trifazate
Statorul are trei bobine (11 ‘, 22’, 33 ‘), iar rotorul poate fi fie un magnet permanent, fie un electromagnet. Se roteste printr-o forta externa, indiferent ca este vorba de apa intr-o hidro turbina, de aburi intr-o centrala electrica, de vant intr-o turbina eoliana etc.
Campul magnetic al unui generator curent trifazat se roteste impreuna cu magnetul rotorului. EMF indus in fiecare bobina statorica are aceeasi amplitudine si aceeasi frecventa (faza schimbata pentru 120 °).
Aceste trei EMF-uri induse reprezinta cele trei faze, iar deplasarea timpului intre ele (2π / 3) este o deplasare de faza sau deplasare de faza. Motivul pentru schimbarea fazelor este bobinele de deplasare spatiala in stator: bobinele sunt deplasate fizic cu 120˚ una de cealalta.
Practic, constructia unui generator curent trifazat su principiul sau de lucru definesc forma si valoarea tensiunii induse. Rotorul comun se roteste cu viteza egala si, astfel, valorile frecventei tuturor tensiunilor induse sunt de asemenea egale.
Este necesar ca toate cele trei EMF-uri induse sa fie uniforme, cu deplasari de faza egale intre ele. Aceasta reprezinta sistemul trifazic simetric: Suma valorilor tensiunii instantanee intr-un sistem trifazat simetric este egala cu zero.
Un generator curent trifazat este simetric daca si numai daca:
- sarcina a fiecarei faze are o valoare a impedantei egale;
- impedanta de incarcare a fiecarei faze are un unghi de faza egal;
- Valorile de tensiune si curent sunt egale pentru fiecare faza si;
- Deplasarea de faze este de 120˚ intre fiecare faza.
- In cazul sistemelor trifazice simetrice, curentul nu circula printr-o linie neutra comuna.
