actionari electrice cu masini
DESCRIPTION
Actionari Electrice Cu MasiniTRANSCRIPT
ACŢIONĂRI ELECTRICE CU MAŞINI
ASINCRONE TRIFAZATE DE PUTERI MARI
Maşina asincronă trifazată numită şi maşina cu rotor în scurtcircuit
sau cu rotor în colivie s-a evidenţiat prin menţinerea facilă şi gradul înalt de
protecţie.
Majoritatea acestor motoare au lucrat până la acest moment cu turaţie
constantă. În ultimii ani progresul tehnic al convertoarelor a dus la apariţia
multor aplicaţii ale acestora.
Statorul motorului se compune dintr-un pachet de tole în care sunt
incluse cele trei înfăşurări. Rotorul în scurtcircuit se compune din mai multe
bare care sunt fixate la capete cu inele. Deoarece energia trasmisă de la
stator la rotor este inductivă şi nu ca la motorul de curent continuu prin perii
colectoare, acest tip de motor se păstrează în domenii de pericol al explozie
ridicat.
Înălţimile axelor la aceste motoare sunt standardizate internaţional
astfel încât să poată fi oricând disponibile. Protecţia motorului standard este
IP 54, deci mult mai mare ca cea a unui motor standard de curent continuu.
Răcirea cu aer a motorului se face printr-o elice, montată pe axa
motorului. Cele trei înfaşurări din conductorul de cupru sunt prinse pe stator.
Începuturile şi sfârşiturile înfăşurarilor sunt aduse la o placă de borne astfel
încât utilizatorul să poată comuta în funcţie de modul de utilizare.
Cele mai utilizate conexiuni (înfăşurări) ale înfăşurărilor sunt cele în
stea şi triunghi.
Figura 1 Modul de conectare pentru o faza
La aceste conexiuni sunt omise inductanţele de dispersie. Sarcina
influenţează mărimile electrice ale maşinii, ca o rezistenţă ohmică variabilă
inclusă în circuitul din figura 2.
I1 - curent statoric
I - curent absorbit de stator
I2’ - curentul din rotor (calculat ca fiind mărime raportată la marimea
statorului)
R1 – rezistenţa rotorului (calculată pe partea statorului)
s - alunecarea
U1 - tensiunea într-o infăşurare statorică
Xh – reactanţa
SIMBOLURI FOLOSITE ÎN FORMULE, UNITĂŢI,
DENUMIRI
Nr.
crt.
Simbol Unitate de
măsură
Denumire
1 f s-1 Frecvenţa
2 g m/s2 Acceleraţia (=9.81 m/s2)
3 H m Înălţimea de pompare
4 H0 m Înălţimea de pompare zero
5 H m Diferenţa de înălţime
6 n s-1 Turaţie
7 nsy s-1 Turaţie sincronă
8 nN s-1 Turaţie nominală
9 P W Putere
10 PV2 W Pierderea de putere prin alunecare
11 Q m3/s Debitul
12 R Rezistenţa electrică
13 s - Alunecare
14 T Nm Cuplul motor
15 Zp - Numărul perechilor de poli
16
kg/m3 Densitatea
TURATIA, MOMENTUL DE ROTATIE, PUTEREA
MOTORULUI ASINCRON
Formulele alăturate arată legătura dintre mărimile mecanice şi cele
electrice ale acţionărilor trifazate.
1. Turaţia:
cu (1)
2. Momentul de rotaţie:
T (2)
3. Puterea:
(3)
n – turaţia motorului
nsy – turaţia sincronă
f1 - frecvenţa câmpului invârtitor statoric
p – numarul de perechi de poli
T – momentul de rotaţie
fluxul magnetic in motor
I2 – curentul in rotor
P – puterea la axul motorului
ULN – tensiunea de linie la bornele motorului
cos factor de putere
randamentul
Apariţia unor eventuale oscilaţii armonice (de exemplu
transformatorul de alimentare) nu influenţează formarea momentului de
rotaţie, respectiv calculul puterii.
CARACTERISTICA MAŞINII ASINCRONE
În figura 3 este reprezentată o caracteristica tipică a maşinii asincrone
trifazate.
Figura 3 Caracteristica maşinii asincrone
TA – moment de pornire
TS – moment minim
TK – moment de răsturnare
TN – moment nominal
nn – turaţia nominală
nSy – turaţia sincronă
În figura 4 este prezentată evoluţia momentului la tahogenerator în
momentul de pornire, momentul minim şi momentul de răsturnare. La
funcţionarea la frecvenţă nominala se reglează la momentul nominal turaţia
nominală a maşinii.
Modificările de cuplu la arbore, conduc la variaţii de viteză a căror
mărime depind de caracteristicile motorului.
Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curentul din motor devine mai
puternic.
Scheme de pornire
Când o maşină asincronă se leagă la reţeaua de tensiune cu frecvenţa
constantă datorită asincroniei mari apar curenţi foarte mari care duc la
multiplicarea curenţilor nominali ai motorului. Pentru reducerea curenţilor la
conectare se pot face următoarele conexiuni:
- montaj de pornire stea–triunghi;
- montaj de pornire lentă cu autotransformator;
- dispozitiv de pornire lentă - cu sfotstarter.
Funcţia de bază este aceeaşi la toate. În timpul perioadei de accelerare
apare o tensiune nominală. Spre sfârşitul pornirii (funcţionării) tensiunea
devine maximă.
Momentul de rotaţie şi curentul preluat din reţea sunt în raport pătratic
cu demultiplicarea tensiunii.
Legătura stea–triunghi se foloseşte la motoare care funcţioneză în
mod normal în triunghi (tăbliţa de pe motor) 380/660 V.
La o reţea 3x380 V tensiunea de pornire la o înfăşurare este de 220 V
în loc de 380 V. Curentul de la reţea se reduce la fel ca şi momentul de
rotaţie cu o treime din valoarea celui de la conexiunea în triunghi.
Acest tip de pornire este valabil numai la acele acţionări care nu
pornesc în sarcină.
La conexiunea stea, motorul trebuie sa atingă turaţia nominală la
cuplu de rotaţie fixat.
La comutarea din stea în triunghi, curentul creşte foarte mult şi efectul
de reducere a curentului va fi mic.
Observaţie : În momentul comutării din conexiunea stea la conexiunea
triunghi curentul momentului de rotaţie sare de pe o caracteristică pe alta
conform figurilor 4 şi 5.
Figura 4 Variaţia momentului de rotaţie la legătura stea-triunghi
Figura 5 Variaţia curentului la legatura stea–triunghi
Metoda de pornire prin autotransformator
Funcţionarea la pornire a maşinilor asincrone trifazate prin
intermediul unui transformator este în principiu identică cu pornirea stea-
triunghi. În plus faţă de pornire stea-triunghi, pornirea prin
autotransformator are o comportare foarte rigidă a tensiunii pe înfăşurările
motorului.
În cazul metodei de pornire cu transformator la o funcţionare maximă
se poate alege tensiunea dorită.
Dispozitivele de pornire lentă
Softstarterul este un dispozitiv electronic de putere, format din două
părţi:
- circuitul de reglare si comandă;
- circuitul de putere.
Circuitul de forţă în contrast cu pornirea stea–triunghi şi pornirea cu
autotransformator, are posibilitatea de a regla continuu valoarea medie a
tensiunii alternative, prin întârzierea de fază, astfel încât să nu apară vârfuri
la comutări.
Creşterea în timp a tensiunii duce la un comportament bine stăpânit în
perioada de accelerare şi se poate programa în trepte.
Pentru a avea loc pornirea, softstarterele nu asigură la conectare o
tensiune egală cu zero, ci aproape o valoare fixă, prestabilită la aproximativ
40% din tensiunea nominală de ieşire.
Unele softstartere oferă şi posibilitatea unei limitări de curent. Aceasta
înseamnă că tensiunea iniţială nu creşte dacă curentul nu ajunge la valoarea
maximă.
La o sarcină mărită această funcţie permite o limitare a curentului şi a
momentului de rotaţie şi implicit creşterea la maximum a duratei de
funcţionare.
Pentru acţionarea unor motoare care au un moment de rupere ridicat,
la un anumit timp se permite un vârf de curent.
O altă sarcină a softstarterelor este funcţia de economisire a energiei
într-un domeniu parţial de sarcină. Domeniul parţial de sarcină este
caracterizat prin faptul că curentul reactiv este adesea mai mare decât
curentul activ.
Din ecuaţia pentru momentul de rotaţiei a unui motor asincron trifazat
se observă ca momentul de rotaţie este proportional cu produsul dintre flux
(curent reactiv) si curentul activ.
Deci electronica de putere aduce avantaje în domeniul pornirilor
motoarelor asincrone precum şi o reducere mare a costurilor remarcate atât
prin economia de energie cât şi prin reducerea vârfurilor de curent datorită
utilizării metodelor moderne de pornire.
Aceste avantaje sunt:
- accelerarea lentă a maşinii de lucru şi prevenirea încercărilor sub formă de
socuri care duc la uzura prematură a componentelor maşinii;
- în cazul benzilor transportatoare acestea nu alunecă şi nu se mişcă în
timpul transportului;
- curentul la pornire este mult redus, fapt care nu duce la tensiuni mari într-o
reţea slabă;
- utilizarea aparatelor (dispozitivelor) de cuplare devine avantajoasă;
- au o durabilitate foarte mare şi nu necesită supradimensionări în alegerea
aparatajului;
- economie de energie şi costuri la maşinile care sunt acţionate cu sarcină
parţială.
Toate aceste metode enumerate mai sus nu pot suplini însă şi folosirea
la pornire a unui moment de rotaţie maxim în timpul accelerării şi în aceast
caz este nevoie de introducerea în schemă a dispozitivelor de schimbare a
frecvenţei tensiunii de alimentare a motorului.
Figura 6 Circuitul de forţă a unui softstarter
Figura 7 Caracteristicile de variaţie a cuplului curentului pentru
tensiuni diferite debitate de un softstarter.
REGLAREA TURAŢIEI PRIN MODIFICAREA
FRECVENŢEI
Turaţia maşinii asincrone este influenţată electric de trei mărimi
diferite:
- numărul de perechi de poli;
- alunecarea;
- frecvenţa.
Reglarea turaţiei prin schimbarea numărului de perechi de poli se
poate face în trepte prin comutarea polilor cu ajutorul conexiunilor
exterioare.
Reglarea turaţiei prin modificarea alunecării în circuitul rotorului se
realizează cu ajutorul unor rezistenţe sau a unui reostat legat în cascadă.
Aceste măsuri se pot lua într-un domeniu limitat al turaţiei dependentă
de sarcina axului motorului.
Astăzi se foloseşte cu preponderenţă a treia posibilitate cea a
modificării frecvenţei. Pentru aceasta este necesar un moment constant şi o
turaţie reglabilă.
Pentru înţelegerea mai amănunţită a funcţionării vom considera
schema din figura 2 la care se neglijează rezistenţa statorului R1 pe care o
considerăm 0.
Influenţa variaţiei frecvenţei asupra turaţiei este clară, cele două
mărimi au o variaţie proporţională faţă de alunecare.
Momentul de turaţie dorit necesită un flux constant care este
reprezentat aici de curentul reactiv. Dacă dorim să menţinem constant
curentul care trece printr-o sarcină inductivă trebuie să modificăm cu aceeaşi
valoare atât frecvenţa cât şi tensiunea.
(4)
(5)
R1 – s-a neglijat
Din cele două relaţii de mai sus se desprinde concluzia de bază că în
cazul folosirii unui convertor de frecvenţă se pot realiza următoarele: dintr-o
reţea cu tensiune şi frecvenţă constantă se obţine o a doua reţea la care atât
tensiunea cât şi frecvenţa sunt variabile. În afară de acestea, valorile de la
reţeaua de ieşire sunt independente de valoarea instantanee a reţelei fixe.
Electronica de putere s-a dezvoltat în această direcţie în ultimii ani şi a
prezentat diferite soluţii, astfel convertoarele de frecvenţă se împart în trei
categorii:
- Convertor direct, cu ajutorul unei acţionări adecvate din reţeaua fixă duce
la formarea unei reţele noi (fară folosirea unui circuit intermediar) pentru
decuplare. Această varianta se foloseşte numai pentru reglarea turaţiei unor
motoare asincrone cu puteri mari şi este utilizată într-un domeniu limitat de
turaţie.
- Convertorul de curent I, lucrează cu inductivitatea cu rol de acumulator de
enegie în circuitul intermediar. Această posibilitate se utilizează la reglarea
turaţiei de peste 55 kW şi ea necesită o concordanţă între schimbătorul de
frecvenţă şi motorul la care a fost conectat.
- Convertorul de tensiune U, lucrează cu un condensator ca acumulator de
energie în circuitul intermediar. Această este o soluţie avantajoasă din punct
de vedere tehnic şi al costurilor pentru acţionări de până la 130 kW şi permit
cuplarea în paralel a mai multor motoare la un singur convertor.
Dacă în continuare vom discuta despre “convertor” este vorba despre
convertor “U” care astăzi au cea mai largă întrebuinţare.
REGLAJUL TURAŢIEI
Circuitele de forţă a unui convertor U constă din trei blocuri funcţionale:
- redresor tensiune;
- circuit intermediar;
- modulator (alternator).
Figura 8 Circutul de forţă al convertorului
Redresor de tensiune
Se compune dintr-o punte care redresează tensiunea care corespunde
mereu cu valoarea de vârf a tensiunii reţelei (ULN x ), ca urmare
condensatorul circuitului intermediar reprezintă o sarcină capacitivă (unde
căderea de tensiune de încărcare nu este luată în considerare). La această
mărire a tensiunii şi puterilor mici redresorul poate fi monofazat sau trifazat.
La puteri mari această tensiune nu este recomanadată din următoarele
motive:
- puntea monofazată produce o încărcare asimetrică;
- la conectare, variaţia tensiunii redresate este mare astfel încât în circuitul
secundar condensatorul trebuie să aibă valori mai mari.
Atunci când a fost stabilită o astfel de capacitate va apare pentru
început un curent de încărcare foarte mare. Acest curent poate deveni aşa de
mare dacă nu se iau măsuri de limitare încât redresorul poate fi scos din
funcţiune până chiar la distrugerea unor părţi componente.
Pentru preîntâmpinarea acestui fenomen este necesară folosirea a două
tipuri de limitatoare ale curentului de încărcare.
Rezistenţa de încărcare se înseriaza la cuplarea convertorului de
frecvenţă cu condensatorul. În cele mai multe cazuri rezistenţa de încărcare
se găseşte pe partea de curent continuu a redresorului. La redresoarele de
reţea monofazate se recomandă introducerea unei rezistenţe pe partea de
curent alternativ, aceasta va duce la o execuţie mai bună a comenzii pentru
releul de şuntare a rezistentelor după loja de încărcare.
În timpul încărcării condensatorului din circuitul intermediar valoarea
tensiunii este limitata, fapt care duce la limitarea curentului de încărcare.
În timpul funcţionării tiristorii din punte sunt comandaţi astfel încât să
aibă acelaşi comportament ca în cazul punţii nemodulate. Comanda punţii în
acest caz va provoca oscilaţii suplimentare în reţea.
Figura 9 Rezistenţa de încărcare pe partea de reţea
Figura 10 Rezistenţa de încărcare pe partea de circuit intermadiar
Circuitul intermediar
Are rolul de a cupla reţeaua fixă de alimentare de reţeaua de ieşire a
convertorului. Condensatorul circuitului intermadiar C1 acţioneaza asupra
energiei din partea de reţea încât tensiunea circuitului intermadiar să rămână
constantă la valori mici ale curenţilor absorbiţi din reţeaua de curent
alternativ. Pentru satisfacerea acestei condiţii acesta nu se descarcă imediat
la deconectarea convertorului. Descărcarea se produce în aproximativ un
minut până când tensiunea scade. Prin folosirea unei frâne – CHOPPERS în
acest circuit se poate realiza descărcarea condensatorului pe rezistenţa de
frânare în câteva secunde.
Figura 11 Circuitul intermediar.
Motorul legat la convertizorul de frecvenţă ia energia din circuitul
intermediar şi descarcă parţial condensatorul. Reîncărcarea condensatorului
peste redresorul de reţea se poate face numai instantaneu când tensiunea de
reţea este mai mare decât tensiunea circuitului intermediar.
Se ştie că C1 se încarcă la o tensiune egală cu valoarea maximă a
tensiunii reţelei si datorită capacităţii foarte mari a condensatorului face ca
aceasta să nu scadă semnificativ nici în timpul funcţionării.
Se deduce că circuitul intermediar îşi ia enegia din reţea, numai pe
perioada când tensiunea din reaţea este la valoarea maximă.
În reţea se obţin vârfuri ale curentului care la mai multe convertoare
legate în paralele apar toate în acelaşi timp. Funcţie de putere şi de numărul
de acţionări apare o pierdere neînsemnată de putere în reţea, pentru ca
vârfurile de curent duc la apariţia unor căderi de tensiune şi de aici la
apariţia unor distorsiuni ale tensiunii la cuplare.
La această contribuie şi o parte relativ mare de armonici. După cum se
vede in figura 11 convertizoarele de frecvenţă au în componenţa şi un drosel
de filtraj L1 care asigură mărirea semnificativă a duratei circulaţiei curentului
prin părţile de reţea şi reduce semnificativ vârfurile de curent obtinându-se
un spectru armonic adecvat.
În figura 12 şi 13 sunt reprezentate formele curentului pe partea de
reţea la o anumită sarcină a actionărilor cuplate fară şi cu droselul L1.
Tensiunea din circuitul intermediar poate creşte la o acţionare
suprasincronă a motoarelor la valori inaccesibile ale tensiunii – totul se
decuplează printr-un dispozitiv de protecţie.
Figura 12 Curentul de reţea fără L1
Figura 13 Curentul de reţea cu L1
Modulatorul
Tensiunea din circuitul intermediar este creată din redresor şi este
transformată de circuitul alternativ într-o reţea trifazată de curent alternativ
cu tensiunea şi frecvenţă variabile.
Se introduc următoarele elemente constructive ca semiconductori de
putere:
- Tiristori, care necesită circuitele de comutare care se găsesc până la
maxim 75 kW. Excepţii fac aici utilizările cu tensiunea la ieşire de mai
mare sau egală cu 500 V
- GTO – tiristori cu decuplare. Nu necesită circuite de comutare dar sunt
totuşi limitaţi în domeniul de puteri.
- FET – tranzistori cu efect de câmp. Sunt introduşi astăzi la
convertizoarele de puteri relativ mici.
Avantajele sunt că FET-urile au pierderi de comutare neînsemnate care
permit frecvenţe mari de repetiţie şi care necesită putere de comandă mică.
FET-urile sunt utilizate numai pentru curenţi mici.
Tranzistorii bipolari s-au introdus astăzi frecvent în reţea Darlington. Cu
aceste componente constructive în ultimii ani s-a obţinut cea mai mare
extindere respectiv au fost utilizaţi şi la tensiuni de ieşire de 460 V. Puterea
de comandă necesară creşte cu mărimea tranzistorilor I.G.B.T., un nou
component. Se aseamană cu Fet-ul şi cu tranzistorul bipolar care şi-a
consolidat foarte mult poziţia în tehnica convertizoarelor de frecvenţă.
Avantajele faţă de tranzistoarele bipolare constau într-o comandă cu puteri
mici şi posibilitatea utilizării lor în domeniul frecvenţelor mari.
Componentele modulatorului funcţionează ca un stator şi comută în
funcţie de frecvenţa dorită pentru tensiuni pozitive şi negative la înfăşurările
motorului. Variaţia tensiunii se face aici cu modulaţie pulsatorie în
amplitudine PAM sau cu modulaţie în frecvenţa PWM.
Cu cele două se obţin rezultate mai bune în domeniul turaţiei mici.
Convertorul de frecvenţă de tip PWM are o distribuţie sinusoidală, sau
pe scurt cu convertorul PWM se obţine o mai bună echilibrare a curenţilor
motorului apropiată de forma sinusoidală ideală.
Tensiunea de ieşire a unui convertizor de tensiune U în comanda
PWM este în funcţie de impulsurile de tensiune dintre nul şi valoarea
maximă a tensiunii din circuitul intermediar.
Raportul dintre timpul de cuplare şi cel de decuplare este variabil şi
influenţează reglajul tensiunii. Valoarea maximă a tensiunii de ieşire este
aproape de cea a reţelei conectate.
O semiundă sinusoidală are valoarea instantanee mică la începutul şi
sfârşitul acesteia, pe când valoarea maximă a tensiunii este la mijlocul
semiperioadei. Aceste valori se corectează prin comandă. La modulaţia
pulsatorie cu variaţie sinusoidală impulsurile de tensiune de la începutul şi
sfârşitul semiundei sunt aplatizate şi sunt lăţite la mijloc.
Prin inductivitatea motorului trecerea tensiunii se desfăşoară cu
intârziere, obţinându-se un curent cu variaţie armonică a cărei undă de bază
este o sinusoidă.
Ieşirea din convertizorul de frecvenţă se realizează în scurtcircuit şi cu
o legătură la pământ.
Convertizorul este astăzi mai mult ca oricând o componentă principală
a conceptului de automatizare.
Figura 14 Tensiunea de ieşire a convertizorului U (convertor pulsatoriu)
Figura 15 Curenţii de ieşire a unui convertizor de frecvenţă la 5 Hz.
Principalele preocupări actuale sunt:
- separarea galvanică a părţilor de putere dată de bucla de reglare;
- valori prescrise conform standardelor pe fiecare componentă în parte;
- comenzile se fac direct din blocul de comandă şi se pot face analogic sau
digital.
Convertizoarele de frecvenţă nu lucrează ca regulatori ci ca o pârghie de
reglaj, însemnâd că la ieşire se modifică tensiunea şi frecvenţa de ieşire, fară
să se producă nici-o influenţă asupra turaţiei acţionărilor.
Influenţa constă în faptul că turaţia motoarelor se modifică ca şi la
reţeaua constantă în funcţie de sarcină. Variaţia turaţiei depinde de sarcină şi
de caracteristicile motorului. Se poate interveni în cazul unei abateri cu
ajutorul compensării de alunecare, însă nu pe tot domeniul de turaţie.
Se poate obţine performanţe deosebite dacă se introduc cât mai mult în
convertizoare, circuite de reglaj suprapuse.
Construcţia modulară a convertizoarelor dă posibilitatea reglării turaţiei
prin completarea convertizorului standard cu componente dimensionate la
capacitatea sistemului de acţionare. Convertizorul în sine reprezintă
componenţa unui sistem de automatizare şi alături de subansamblele
standardizate este necesar ca funcţie de caracteristicile acţionării şi în funcţie
de diferitele caracteristici ale tensiunii şi frecvenţei să se introducă prin
software şi hardware o calibrare a aparatului tinându-se cont de următoarea
schemă de calcul.
Figura 16 Tensiunea funcţie de frecvenţă
Valori nominale
Nivelul valorii nominale determină frecvenţa de ieşire, tensiunea de ieşire
care sunt corelate cu turaţia nominală a motorului acţionat. Aceste valori
sunt determinate prin anumite considerente cum ar fi:
- valoarea nominală a tensiunii de la potenţiometrul extern;
- de la un regulator extern de semnal 0…10 V, 0…20 mA sau 4…20 mA;
- de la ieşirea analogică a unui convertor;
- de la o subcomponentă a unui calculator;
- de la o frecvenţă proporţională cu turaţia (ca mărime de comandă).
Durata prevăzută pentru frecvenţa de referinţă se sincronizează cu
ajutorul unui integrator de referinţă.
Durata de turaţie maximă este reglabilă şi specifică scopul de folosire.
Valori reale
Valoarea reala a curentului se introduce din interiourul aparatului. În
cazul unei comenzi (în loja de reglare) nu este necesară o altă valoare reală.
La o reglare de turaţie este necesar un semnal electric proporţional cu
turaţia cu rol de curent invers.
Aici este vorba despre traductorul de turaţie (tahogeneratorul) care dă
o valoare reală la convertizor.
COMENZI ŞI REGLAJE
În domeniul convertizoarelor de frecvenţă pe lângă efectele sistemului
dependent de sarcina expusă mai sus, se mai adaugă un alt punct care trebuie
luat în considerare.
La observaţiile generale pentru comanda turaţiei maşinii asincrone s-a
considerat rezistenţa înfăşurării statorice ca fiind 0 , pentru a întelege mai
bine interdependenţele. Pe înfăşurările statorice avem o cădere de tensiune
dependentă de curent care se comportă ca o sursă de perturbaţii în domeniul
turaţiei nominale ale acţionărilor.
Dacă reducem turaţia la acelaşi cuplu la arbore, atunci căderea de
tensiune dependentă de curent (căderea de tensiune pe R1) va fi însemnată
procentual. Aceasta duce la o diminuare a câmpului acţionării prin
proporţionalitatea care există între tensiunea de la borne şi frecvenţa
acesteia.
Transformarea într-un curent reactiv va duce ca pe R1 să cadă o
tensiune mai mare. Pentru reducerea urmărilor acestui efect convertizorul de
frecvenţă are posibilitatea să acţioneze numai asupra măririi tensiunii pentru
a obţine un moment de rotaţie suficient de mare la pornirea maşinii.
O rezolvare elegantă dar şi costisitoare este reglarea vectorială a
turaţiei. Această presupune o comutare internă a convertizorului de frecvenţă
pentru fluxul constant în maşină şi presupune reglarea corespunzătoare a
anumitor parametrii de ieşire. Acest procedeu permite o dinamică superioară
a acţionărilor şi o mai bună comportare a cuplului de rotaţie.
Figura 17: Creşterea tensiunii în domeniul de frecvenţa joasă
În figurile 18 şi 19 sunt indicate posibilităţile de conectare a cuplului
de rotaţie. Abaterile de turaţie se identifică aici şi pot fi reglate
corespunzător deoarece timpul de integrare prevăzut este mai lung şi se
pretează pentru obţinerea unor precizii statice.
Figura 18 Controlul feed-back al turaţiei cu tahogenerator
Figura 19 Controlul feed-back al turaţiei cu generator de impulsuri
Figura 20 Reglarea turaţiei cu circuitul PLL
În figura 20 se arată conectarea unui convertizor de frecvenţă într-un
ansamblu de automatizare cu reglarea turaţiei cu constante şi repetabilitate
mai bună decât în figurile 18 şi 19.
Blocul electronic M13R este un generator de frecvenţă pe bază de
cuarţ. Frecvenţa furnizată este variabilă şi se determină cu ajutorul unei
informaţii care provine dintr-o componentă a sa. Circuitul PLR egalizează
frecvenţa generatorului cu cea a unui furnizor de impuls şi o reglează pentru
o acţionare dorită.
Această soluţie se recomandă din cel puţin două motive esenţiale:
- realizează o precizie bună cu repetabilitate mare;
- se adaptează foarte bine şi atunci când turaţia este dependentă şi de alte
mărimi din proces.
În aplicaţia din figura 20 se poate observa că blocul SPS preia factorii
care influenţează turaţia prin faptul că se poate calcula turaţia necesară şi se
transmite valoarea optimă la componentele din sistem.
MAŞINA ASINCRONĂ CONDUSĂ CU
CONVERTIZOR DE FRECVENŢĂ
Pe lăngă posibilităţile de reglare, funcţionarea cu convertizor de
frecvenţă oferă şi posibilitatea economisirii energiei. Prin circuitul
intermediar şi înfăşurările motorului trece atât curent reactiv cât şi curent
activ fară a suprasolicita reţeaua de alimentare.
Din poziţia reţelei se ia în considerare numai partea activă cu
pierderile sale precum şi pierderile convertizorului. Factorul de putere cos
este apropiat de 1.
La comanda convertizorului curentul de reţea este mai mic decât la
porenirea directă. Prin aceasta se economiseşte enegie.
În figura 21 sunt reprezentate tensiunea şi curentul care sunt în fază.
Figura 21 Tensiunea şi curentul aflate în fază în convertizoarelele de
frecvenţă
Alegerea şi protecţia motorului
Numai armonica fundamentală a curentului duce la determinarea
cuplului de rotaţie în motor.
Armonicile superioare produc pierderi suplimentare şi conduc la o
încălzire mare a motorului faţă de funcţionarea acestuia în situaţia
alimentării de la reţea.
Motoarele prevăzute pentru funcţionarea reţelei de convertizoare
trebuiesc dimensionate corespunzător din punct de vedere al puterii. Această
dimensionare depinde de procedeul de comandă al convertizorului şi se
poate distinge în figura 22.
În figura 22 s-a prezentat un exemplu clasic unde frecvenţa motorului
este de 50 Hz. Curba care apare la cca 20 Hz este datorată unei încălziri
necorespunzătoare la turaţie mică, deoarece ventilatorul este montat pe ax
(motor standard).
În exemplul unei aplicaţii la acţionarea unui ventilator se obsearvă că
momentul de rotaţie creşte pătratic cu rotaţia. Dacă acţionarea necesită un
moment de rotaţie constant pe tot domeniul turaţiei şi domenii reduse de
rotaţii atunci avem două posibilităţii de alegere:
- supradimensionarea motorului;
- dotarea motorului cu un alt ventilator.
La motoarele de construcţie specială factorul de reducere este deja luat în
considerare pentru indicarea puterii.
Figura 22 Factorii de reducere în alegerea şi dimensionarea motoarelor cu
convertizoare de frecvenţă
Domeniul de turaţii indicat urmăreşte diagrama de sarcină.
Convertorul este capabil să producă frecvenţe mai mari decât frecvenţa
nominală şi în acest domeniu motorul trifazic lucrează cu diminuarea
câmpului, deoarece convertorul poate produce tensiunea maximă în reţeaua
de alimentare.
La maşina electrică alimentată cu convertizor de frecvenţă, momentul
de răsturnare scade pătratic în domeniul reducerii câmpului odată cu turaţia.
Pentru orice acţionare este necesar să fie amplasat în circuitul de ieşire
un releu de protecţie pentru protejerea motorului la supraîncălzire. Acest
releu acţionează în funcţie de căldură când se reduce puterea de răcire la
turaţi mici sau prin radiaţii solare.
La convertizoare cu mai multe motoare în circuitul de ieşire trebuie
montat un releu de protecţie pentru fiecare motor în parte.
Măsurarea curentului şi a momentului de rotaţie
Cum am arătat maşina asincronă tifazată consumă curentul în funcţie
de alunecare. Frecvenţa variabilă debitată de convertizor face posibilă o
pornire a motorului cu alunecare nominală şi curent nominal. La o tensiune
corespunzătoare se obţine momentul nominal, făcând ca în această situaţie să
fie diminuat foarte mult curentul la conectare faţă de pornirea directă.
Convertizoarele de frecvenţă, furnizează pe un timp determinat, un
curent mai mare decât cel nominal, pentru a face posibilă pornirea anumitor
acţionări mai mari fară o supradimensionare a convertizorului.
Figura 23 Caracteristicile motorului pentru diferite frecvenţe
Schimbarea sensului de rotaţie şi frânare
În contrast cu motorul asincron pentru o reţea fixă la schimbarea
sensului de rotaţie la convertizoarele de frecvenţă nu este nevoie de un
convertor pentru protecţie. Deorece câmpul de rotaţie la convertizorul de
frecvenţă se formează electronic, este de ajuns o comandă pentru a inversa
sensul. Un integrator al valorii nominale este intercalat în circuitul electric.
Dacă se reduce frecvenţa de ieşire a convertizorului de frecvenţa şi
acţionarea nu poate funcţiona la turaţie nominală datorită unor cupluri
inerţiale se va trece la o funcţionare în suprasarcină.
Frecvenţa câmpului de rotaţie este mai mare decât frecvenţa de ieşire
a convertizorului şi maşina asincronă reacţionează ca un generator.
Transferul de enegie se va face către circuitul intermediar şi va duce la
creşterea tensiunii. Acest fenomen este permis doar la anumite maşini şi
acţionări şi se procedează la mărirea palierului de întârziere.
O alta metodă este transferarea energiei către reţeaua de alimentare în
situaţia când redresorul este echipat cu tiristori.
Frânarea cu chopper
La convertizoarele de frecvenţă moderne circuitul intermediar este
prevăzut cu chopper pentru frânare, care transformă energia în impulsuri
printr-un circuit cu tranzistor comandat la creştea tensiunii de ieşire.
Semnalul de comanadă de la convertizorul de frecvenţa face ca rezistenţa să
devină activă.
Dimensionarea este dependentă şi de rezistenţa frânei respective şi a
frecvenţei de comutare. Prima se cuplează şi la deconectarea convertizorului
şi în acestă situaţie rezistenţa frânei descarcă condensatorul circuitului
intermediar.
Acţionarea paralelă cu comutare la ieşire
La un convertizor U pot fi acţionate mai multe motoare ca în cazul
căilor cu role de alimentare, transfer, înlocuire şi evacuare de la liniile de
laminare, unde sunt legate grupuri de motoare cu puteri de 0,8 kW – 4 kW.
Motoarele nu au totuşi aceeaşi turaţie deoarece la acestea se modifică
alunecarea prin apariţia suprasolicitări ca la motoarele cuplate la reţeaua
fixă.
Motoarele pot fi cuplate şi decuplate fiecare separat dar trebuie să se
ţină seama de anumite aspecte:
- la deconectare, motoarele produc vârfuri de tensiune deoarece se întrerup
sarcini inductive – aceste probleme nu sunt periculoase dacă motoarele
sunt de puteri mici sau dacă în circuit mai rămân motoare alimentate prin
convertizor;
- atunci când este vorba de ultimul motor acţionat de la convertizor trebuie
să ne asigurăm că s-a redus la minim curentul de magnetizare în
momentul comutării.
Cele mai bune rezultate în practică s-au dovedit a fi situaţia în care se
preferă oprirea convertizorului, după care se opreşte şi ultimul motor după
un anumit timp. Acest timp depinde de constanta de timp din motor şi este
de 0,5s sau ordinul secundelor.
Conectarea motoarelor în paralel crează probleme în sensul că
deconectarea unui motor în timpul funcţionării produce faţă de reţeaua
existentă o alunecare foarte mare care conduce la crearea unui curent foarte
mare la pornirea altor motoare.
Convertizorul trebuie sa fie capabil să livreze un curent suficient de
mare în caz contrar poate apărea un scurtcircuit şi convertizorul este
deconectat de la reţea.
Alimentarea motoarelor în paralel se realizează funcţie de impedanţa
şi de putere cu posibilitatea livrării de energie către motorul care se
deconectează în aşa fel încât efectul descris mai sus se compensează.
Perifericele convertizorului de frecvenţă necesită cheltuieli
suplimentare. Pe partea reţelei se află comutatorul principal care este
obligatoriu în toate acţionările.
Comparativ cu acţionările de curent continuu protecţia se face cu
mijloace normale de protecţie. La legăturile exterioare ale circuitului
intermediar (ex. frâna chopper) este necesară utilizarea siguranţelor pe
partea de reţea.
Procedeul de comandă al convertizorului U produce în motor pe
timpul funcţionării un zgomot. Pentru diminuarea acestui zgomot se
foloseşte la ieşirea convertizorului de frecvenţă un drosel de amortizare.
Circuite de forţă şi de comandă
În figurile 24 şi 25 se indică poziţia tiristorului. Prin aceste ventile pot
fi dirijaţi curenţi către sarcini ohmice, inductive şi ohmice/inductive.
Stabilizatoarele transformă energia dintr-o reţea cu tensiune şi
frecvenţă constantă într-o nouă energie de tensiune variabilă dar cu frecvenţă
constantă.
Se unesc două procedee de comandă:
- pornire cu întârziere de fază;
- pornire cu undă întreagă.
Figura 24 Stabilizator de curent alternativ
Figura 25 Stabilizator de curent alternativ trifazic
Comanda cu întârzire de fază
La această comandă fiecare jumătate de undă a tensiunii reţelei de
alimentare este reglată prin decalarea unghiului de întârzire rezultând
valoarea tensiunii necesare. Acest procedeu permite limitarea curentului în
circuitul de sarcină şi are posibilitatea validării timpilor scurţi pentru
modificările necesare.
Figura 26 Procedeul de comanda prin întârziere de fază.
Comanda cu undă întreagă
Modificarea valorii tensiunii se face prin selectarea undelor întregi.
Raportul dintre timpul de cuplare şi cel de decuplare determină amplitudinea
tensiunii. Curentul de sarcină este sinusoidal astfel încât să nu apară nici o
suprasolicitare a armonicilor în reţea.
Durata fazei de cuplare este reglabilă şi serveşte la obţinerea unor
variaţii mari a rezistenţei între stocarea la cald şi rece a unui curent de
cuplare limitat.
Comanda cu undă întreagă se pretează la sarcini cu constante de timp
mari (de ex. încălzitoare electrice cu rezistenţe).
În comparaţie cu comanda întârzierii de fază la comanda cu undă
întreagă tensiunea este mai mică şi nu este posibilă o limitare a curentului
prin stabilizator. Curentul se reglează în funcţie de sarcina I = U/R
Figura 27 Tensiunea obţinută prin comanda cu undă întreagă.
Figura 28 Întârzierea de fază la curentul de cuplare pentru sarcină ohmică
Figura 29 Tensiunea şi curentul urmate de mai multe unde întregi
Circuitul de comandă
Stabilizatoarele de curent alternativ trifazate se folosesc în majoritatea
cazurilor la elemete de reglaj ale puterii împreună cu regulatoarele externe.
Reglarea este efectuată relativ simplu în comparaţie cu reglarea curentului
sau cea a tensiunii.
Pentru reglarea cu întârziere de fază există două circuite de reglaj (al
tensiunii si curentului). Dacă este necesară o reglare de feed-back (care face
legătura între tensiunea de ieşire a regulatorului şi valoarea reală) se
utilizează un transformator de separare şi un redresor după cuplare şi în acest
caz circuitul de regalre are rolul şi de limitare a curentului.
La reglarea curentului nu se foloseşte circuitul de reglare al tensiunii
şi nu este necesară o comandă externă de feeed-back.
Conform principiului undei întregi stabilizatorul nu are un circuit
intern de reglare. Valoarea prescrisă din exterior este chiar semnalul pentru
comanda tiristoarelor. Semnalele prescrise sunt date de semnalul standard 0-
10V; 0-20mA si 4-20mA.
Figura 30 Reglarea tensiunii