Regulator de turație

Am ales ca temă a lucrării de licenţă „Regulator de turaţie” deoarece această temă este de strictă actualitate, fiind cea mai modernă variantă de acţionare cu motoare asincrone.

Obiectivele lucrării de licenţă sunt studierea modului de funcţionare a variatoarelor de frecvenţă, comportarea motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit alimentate cu frecvenţă variabilă, proiectarea unei aplicaţii cu regulator de turaţie pentru firma Honeywell (Compa) la care lucrez şi nu în ultimul rând realizarea unui stand didactic de laborator, cu care studenţii să poată întelege mai bine acţionarea unui motor asincron asincron cu variator de frecvenţă.

Motoarele electrice sunt convertoare ale energie electrice în energie mecanică, cu randamente foarte mari, cu versatilitate deosebită şi controlabilitate deosebit de mare.

Dar cum comandăm această energie?

Motorul electric asincron cu rotorul în scurtcircuit (un motor cu inducţie) este una dintre cele mai fiabile maşini electrice existente, este robust şi ieftin, fiind din ce în ce mai utilizat.

Practic la motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit nu există frecări decât în lagăre (care de obicei sunt cu rulmenţi). Spre deosebire de acesta motorul de curent continu, are perii colectoare (piese de uzură care trebuiesc schimbate periodic) şi care reduc durata de viaţă a acestui motor.

Motorul asincron are ca pricipal dezavantaj faptul cî turaţia acestuia poate fi modificată (semnificativ) doar prin modificarea frecvenţei. Cum frecvenţa reţelelor electrice este de 50 Hz, motoarele merg cu o turaţie constantă (în funcţie de numărul de poli şi sarcină). De aceea până în urmă cu câteva decenii aceste motoare erau folosite doar la acţionări cu turaţie practic constantă.

Evoluţia electronicii de putere a schimbat acest lucru prin introducerea invertorului de tensiune cu frecvenţă variabilă. Acest lucru a permis ca motorul asincron să fie utilizat în acţionări cu modificarea turaţiei în gamă largă, cu randamente mari şi fiabilitate satisfăcătoare. Ca o primă consecinţă s-a micşorarea gabaritului unor maşini unelte, s-au redus costurile, a crescut durata de viaţă, au scăzut cheltuielile de mentenanţă şi a crescut gradul de automatizare. De exemplu strungul necesita multe angrenaje, cutii de viteză, iar odată cu introducerea variatorului de turaţie, aceste subansamble nu mai sunt necesare, turaţia putându-se regla din motor.

La început au apărut invertoarele care aveau ca elemente de comutaţie tiristorul, triacul, etc. Controlul acestora era realizat prin motaje cu elemete analogice. Tiristorul avea avantajul de a rezista la tensiuni mari. Neajunsul acestuia este în schimb comanda lui dificilă (iese din conducţie numai dacă curentul scade sub valoarea de prag).

Progresul tehnic în electronica de putere a adus un nou element de comutaţie hibrid şi anume tranzistorul IGBT. Acesta combină calităţile a două modele de tranzistori: rezistenţa la tensiuni mari (caracteristică tranzistorului bipolar) şi rapiditatea şi uşurinta la comandă (caracteristică tranzistorului MOS-FET).

Pentru a întelege mai bine funcţionarea variatorului de turaţie şi a vizualiza caracteristicile dinamice îmi propun să studiez experimental un astfel de variator (pe un stand de laborator) şi să simulez regimurile normale şi de avarie.

Comanda motorului realizată de către variator se face după regula U/f=constant. Pentru aceasta se genereză trei semnale sinusoidale defazate între ele cu ungiul de 120o. Pentru a micşora şi mări amplitudinea semnalelor se foloseşte un semnal PWM modulat unui semnal sinusoidal. Folosirea semnalului PWM are şi rolul de a nu disipa puteri mari pe tranzistori, de aceea ei vor lucra în comutaţie după semnalul PWM.

Voi utiliza variatorul de frecvenţă studiat (de pe standul de laborator modular) pentru proiectarea acţionării unei benzi de alimentare a unei maşini de gravat cu laser.

2. Reglarea turaţiei motoarelor asincrone

Prin reglarea turaţiei la motorul asincron putem obţine mai multe turaţii pe un singur motor ceea ce ne poate ajuta la pornirea unui utilaj care foloseşte mai multe turaţii. Cu ajutorul metodei de reglare a turaţiei motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit sau deschis în toate domeniile industriale foarte multe avantaje, costuri mai reduse deoarece cu un singur motor se poate face mai multe utilizări. Reglarea turaţiei este utilizată pe scară largă în acţionările electrice, cu precădere în regimul de motor trifazat, în majoritatea sectoarelor industriale pentru acţionarea maşinilor unelte, a pompelor, a compresoarelor, a podurilor rulante, a elevatoarelor.

De remarcat, în ultimul timp este pătrunderea agresivă a maşinilor asincrone în domeniul tracţiunii electrice, mai cu seamă de când, alimentarea motoarelor cu curent alternativ prin invertoare cu modulare în lăţime a impulsurilor nu mai constituie un impediment, din punct de vedere a eficienţei economice. Trebuie amintită aici şi utilizarea maşinii asincrone ca generator, în centralele electrice de mică putere, de tip hidro sau eolian.

Motoarele asincrone se construiesc într-o gamă foarte largă de puteri (de la unităţi de watt până la ordinul zecilor de MW) şi având turaţia sincronă la frecvenţa de 50 Hz, egală în mod uzual cu 500, 600, 750, 1000, 1500 sau 3000 rot/min, în funcţie de numărul de perechi de poli.

Motoarele asincrone prezintă o construcţie relativ simplă şi robustă în funcţionare.

La alegerea metodei de pornire trebuie să se ţină seama de condiţiile impuse de reţeaua de alimentare şi de mecanismul acţionat:

- cuplul electromagnetic să fie suficient de mare pentru a se realiza pornirea în gol sau în sarcină, în funcţie de condiţiile de funcţionare a maşinii;

- curentul de pornire al maşinii să nu depăşească valoarea limită admisibilă impusă de reţeaua de alimentare, pentru a se evita scăderile mari de tensiune în reţea;

- durata procesului de pornire să fie cât mai scurtă, pentru a nu se produce încălzirea însemnată a înfăşurării statorice.

Maşinile electrice pot fi de tip motor sau de tip generator, iar motoarele electrice se clasifică după cum urmează:

A.După felul curentului avem :

-curent alternativ care poate fi monofazat sau trifazat,

-curent continuu.

B.După felul acţionări avem:

-Maşini rotative

-Maşini liniare

-Maşini hidraulice

C.Maşinile electrice rotative se clasifică în:

-Maşini Asincrone

-Maşini Sincrone

-Maşini de Curent Continuu

2.1. Ecuaţiile generale ale motorului asincron cu rotorul in scurtcicuit

Notăm cu Rs, Ls şi cu Rr, Lr parametrii caracteristici celor trei înfăşurări statorice, respectiv rotorice. Fiind vorba de înfăşurări diferite, rezistenţele Rs, Rr şi reactanţele lor de scăpări Ls, Lr sunt diferite, în timp ce inductivitatea lor mutuală Lm este aceeaşi.

Sintetic, setul complet de ecuaţii al maşinii asincrone, scris în reperul comun (k), rotitor cu viteza unghiulară - k , este:

Figura 2.1.Sisteme de referinţă

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4) (2.5)

Se consideră un motor asincron cu câte o înfăşurare trifazată pe fiecare din cele două armături. Dacă înfăşurarea statorică se conectează la o reţea trifazată de tensiune şi frecvenţă corespunzătoare ea va fi parcursă de un sistem trifazat de curenţi care vor produce în întrefier un câmp magnetic învârtitor, cu viteza unghiulară 1. Dacă armătura rotorică cere în acel moment viteza unghiulară , într-o înfăşurare de fază a ei, denumită secundară, se induce t.e.m.

e2=(W1-W)W2KW2cos(W1-W)t=W2WaKW2cosW2t (2.6)

unde: W2 este pulsaţia t.e.m. induse, 2 este viteza relativă dintre câmpul inductor şi rotor

Dacă înfăşurarea rotorului se închide, ea va fi parcursă de curenţi, care, la rândul lor, produc un câmp învârtitor de reacţie cu o sinteză unghiulară faţă de înfăşurarea care l-a produs:

2=W2/p=W1-W/p=1- (2.7)

Faţă de stator, câmpul de reacţie are viteza unghiulară:

+2=+(1-)=1 (2.8)

Adică, indiferent de turaţia rotorului, câmpul inductor şi cel de reacţie au aceeaşi viteză relativă faţă de stator. Deci, cele două câmpuri sunt fixe între ele şi se pot însuma, dând un câmp rezultant în împrejur. Prin interacţiunea dintre acest câmp şi curenţii din înfăşurări, se exercită între cele două armături un cuplu electromagnetic.

Relaţia: e2=(W1-W)W2KW2cos(W1-W)t=W2W2KW2cosW2t arată că în înfăşurarea rotorică sunt curenţi, deci se poate exercita un cuplu numai dacă e20, adică 1. În acest caz se spune că se poate exercita un cuplu numai dacă rotorul alunecă faţă de câmpul învârtitor inductor.

2.2 Regimurile de funcţionare a motorului asincron cu rotorul in scurtcircuit

Analiza regimurilor de funcţionare ale motoarelor asincrone se face în funcţie de turaţia relativă n2 a rotorului faţă de câmpul învârtitor inductor produs de stator, adică de turaţia n2=n1-n.

1)La n E(0;n1), deci  E(0;1) t.e.m. indusă în conductoarele înfăşurării scurtcircuitate a rotorului, e=(vxB)l, produce curentul I2, iar forţa F=I2lxB, care acţionează asupra conductoarelor, are tendinţa să accelereze rotorul către turaţia n1 a câmpului învârtitor. În acest caz, maşina primeşte energie electrică şi dezvoltă la arbore un cuplu magnetic, funcţionând în regim de motor.

2)Dacă turaţia rotorului este nn1, deci n2- 0 şi - 0, t.e.m. indusă îşi schimbă polaritatea, deci si I2 iar forţa F se opune creşterii turaţiei “n” a rotorului.