ELEMENTE GENERALE - Convertoare electrice

I 1. Introducere

Sistemul fizic este un ansamblu de corpuri localizate intr-un domeniu spatial bine precizat si aflate sub influenta unor campuri de natura data. Sistemul fizic este in permanenta interactiune cu mediul inconjurator, dar si corpurile care definesc sistemul interactioneaza intre ele.

Din energia totala a unui sistem putem separa anumite parti, numite forme de energie, care depind numai de o anumita clasa de marimi de stare (marimi mecanice, electrice, magnetice etc). In acest caz forma de energie capata denumirea clasei de marimi de care este dependenta: energie mecanica, energie electrica, energie magnetica etc.

Modificarea starii unui sistem fizic se numeste transformare, iar orice transformare conduce la modificarea valorii diferitelor forme de energie care caracterizeaza sistemul fizic.

Toate fenomenele din natura se desfasoara conform primului principiu al termotehnicii (legea transformarii si conservarii energiei):

sau formulat matematic:

"Variatia energiei interne unui sistem fizic, la trecerea de la o stare in alta W -W este egala cu suma dintre variatia lucrului mecanic si variatia cantitatii de caldura schimbata de sistem cu exteriorul

(1.1)

unde W₁ reprezinta energia initiala, iar W₂ energia finala a sistemului, iar variatia lucrului mecanic si a caldurii sunt pozitive (, ) atunci cand sunt cedate de catre sistem.

Descompunerea energiei unui sistem fizic in categorii distincte este posibila numai pentru cazuri foarte simple. In sistemele reale coexista mai multe forme de energie, iar procesele de conversie asigura dinamica acestor sisteme.

Expresia energiei unui sistem reprezinta o suma a tuturor energiilor partilor componente ale sistemului. Astfel se ajunge, la limita, la notiunea de densitate de energie, care depinde numai de marimile de stare locale.

Energia electromagnetica joaca un rol deosebit in procesele tehnologice datorita proprietatilor sale:

se produce pe baza conversiei altor forme de energie, din lucru mecanic sau din caldura (vezi figura

se poate converti in alte forme de energie, in lucru mecanic sau in caldura (vezi figura

se poate stoca;

se poate transmite la distante mari cu pierderi relativ mici prin linii aeriene sau cabluri;

se poate divide in cantitati extrem de mici sau extrem de mari;

se poate livra la valori diferite ale parametrilor sai;

nu este poluanta.

Fig. 1.1. Transformari ale energiei electromagnetice in alte forme de energie

Variatia energiei electromagnetice poate fi exprimata astfel:

(1.2)

unde: este variatia densitatii de volum a energiei electrice din volumul

este variatia densitatii de volum a energiei magnetice din volumul

Variatia densitatii de volum a energiei electromagnetice

nu este o diferentiala totala exacta datorita proceselor ireversibile care au loc in cazul materialelor cu histerezis. Din acest motiv se pot determina expresii analitice pentru energia electromagnetica numai pentru cazuri particulare.

Astfel in cazul mediilor liniare si omogene, fara magnetizatie si polarizatie temporara, se pot obtine expresii simple pentru densitatea de volum a energiei electromagnetice

    (1.3)

    (1.3.a)

    (1.3.b)

unde: este densitatea de volum a energiei electrice

este densitatea de volum a energiei magnetice.

Corespunzator pentru aceleasi medii energia electromagnetica se poate determina cu expresia:

(1.3.c)

considerandu-se constante densitatile de volum pe elementul de volum .

I 2. Principiul de functionare

Prin definitie:

In baza definitiei:

Energia inmagazinata in acest camp electric sau camp magnetic se numeste energie intermediara.

In baza principiului de functionare convertoarele electrice se pot clasifica in doua categorii:

convertoare electrice cu energie electrica intermediara

convertoare electrice cu energie magnetica intermediara

Marea majoritate a convertoarelor electrice sunt convertoare cu energie magnetica intermediara. Acest lucru se explica prin faptul ca la solicitari limita, densitatea de volum a energiei magnetica (1.3.b) are valori mult mai mari decat densitatea de volum a energiei electrica (1.3.a). Astfel, pentru aer, la solicitarile limita T si kV/cm, raportul celor doua densitati de energie este:

indicand avantajele economice ale convertoarelor cu energie magnetica intermediara.

I 2.1. Sursele campului magnetic

Pentru frecvente joase (sub 10¹⁷ Hz) se poate neglija efectul variatiei fluxului electric astfel incat in cazurile practice sursele campului magnetic sunt:

- circuitele electrice parcurse de curenti;

- magneti permanenti.

In teoria convertoarelor, circuitul electric care este sursa pentru campul magnetic se numeste bobina. Pentru consolidare, bobinele sunt asezate pe suporti, numiti circuite magnetice, care pot fi executate din diverse materiale feromagnetice.

Prin circuitul magnetic se inchide campul magnetic produs de bobine.