Sisteme de acționare electrică

1. Generalităţi

Problema alegerii motorului electric apare fie în cadrul proiectului unui obiectiv nou, fie în cadrul modernizării unui obiectiv existent care funcţionează cu costuri ridicate. În primul caz se poate utiliza informaţia furnizată de către proiectele existente ale unor obiective similare iar în cazul al doilea se poate apela la datele experimentale care se pot preleva din instalaţia existentă.

Alegerea motorului electric de actionare presupune:

• Stabilirea tipului acţionării (în curent continuu sau alternativ);

• Nivelul tensiunii de alimentare (joasă tensiune sau înaltă tensiune);

• Forma constructivă (construcţie normală, construcţie închisă pentru zonele umede, construcţie metalurgică, navală, antiexplozivă, cu autoventilaţie sau cu ventilaţie forţată, etc);

• Serviciul real de funcţionare al motorului şi raportarea acestui serviciu la serviciul tip standardizat;

• Puterea nominală a motorului corespunzătoare serviciului tip determinat;

• Alegerea convertizorului static asociat motorului;

• Alegera aparatajului de comutaţie şi de protecţie pentru motor şi convertizor în funcţie de puterea de scurtcircuit la barele de alimentare;

• Alegerea traductoarelor şi adaptarea structurii sistemului de reglare pentru curent (cuplu), flux, viteză (acceleraţie) şi poziţie (unghi);

• Stabilirea interfeţei om-maşină şi a comunicaţiei cu sistemul ierarhic superior.

Echipamentele actuale pentru sistemele de acţionare electrică sunt larg integrate în sensul că este suficient să se stabilească opţiunile si structura sistemului de reglare, să se calibreze informaţia primită de la traductoare ţinând cont de parametrii motorului ales, buclele de reglare interioare fiind autoacordate la punerea în funcţiune a sistemului de acţionare. De obicei buclele exterioare sunt preluate de către caculatorul ierarhic superior şi funcţionează conform algoritmului orientat pe aplicaţia concretă. Echipamentul unui sistem de acţionare electrică face parte, în cadrul aplicaţiilor industriale moderne din sistemul general de conducere ierarhizată. Buclele interioare ale acţionării (bucla de curent sau de cuplu şi bucla de viteză) sunt situate la nivelul zero în cadrul sistemului ierarhizat. Funcţiile speciale ale acţionării cum ar fi urmărirea unei traiectorii, interblocajele cu celelalte mecanisme din cadrul fluxului tehnologic sunt preluate de către calculatorul de proces situate la nivelul unu al ierarhizării. În sfârşit funcţiile de întocmire a programului de fabricaţie şi optimizarea acestuia sunt situate pe nivelul doi al ierarhizării.

Revenind la problema alegerii puterii motorului de actionare aceasta este aparent o problemă simplă dar cu implicaţii economice mari. Problema se pune în general astfel: să se determine puterea nominală a motorului care pentru un program de fabricaţie respectiv de productivitate dat, să nu se depăşească capacitatea termică a motorului. Din această condiţie generală rezultă tendinţa supradimensionării astfel încât motorul să funcţioneze deseori cu mult sub capacitatea termică. În acest caz apar consumuri specifice mari de energie electrică pe seama randamentului scăzut al conversiei energiei în domenii de puteri mici.

Ţinând cont că durata de exploatare a unui motor electric depăşeşte 30 ani, costurile energetice integrate pe această durată depăşesc cu mult costul iniţial al investiţiei la achiziţionarea motorului.

Capacitatea termică a motorului este corelată cu sistemul de răcire care poate să fie prin autoventilaţie, cu ventilaţie forţată cu aer de răcire la temperatura ambiantă, respective cu aer de răcire la temperatură joasă, obţinută prin intermediul unei instalatii frigorifice. Cu cât sistemul de răcire este mai eficient, cu atât puterea nominală a motorului creşte.

Se poate imagina următoarea soluţie tehnică de utilizare raţională a unui motor electric din cadrul unui flux tehnologic de fabricaţie: în regim de productivitate redusă motorul funcţionează autoventilat, la productivitate medie se pune în funcţionare ventilaţia forţată iar în regim de productivitate maximă se pune în funcţiune instalaţia frigorifică pentru mărirea eficienţei sistemului de ventilaţie forţată a motorului de acţionare. În acest mod se poate menţine randamentul conversiei la un nivel înalt pentru o gamă largă a regimurilor de funcţionare, economiile provenind din faptul că motorul funcţionând în această manieră are puterea nominală de catalog şi gabaritul mult diminuate.

Sistemele de acţionare electrică cu m.a. alimentate cu tensiuni şi frecvenţe variabile permit obţinerea unor regimuri de funcţionare într-o gamă largă de viteze şi din acest punct de vedere sunt similare motoarelor de curent continuu alimentate prin intermediul redresoarelor comandate, exceptând faptul că vitezele maxime ale m.a. sunt cu mult superioare faţă de maşinile de curent continuu . În raport cu reţeaua electrică de alimentare cele două tipuri de acţionări se comportă diferit. Convertizorul static de frecvenţă fiind conectat la reţea prin intermediul unui redresor necomandat este practic un receptor cu factor de putere unitar. Din acest motiv este uşor de arătat că pe măsură ce viteza acţionării scade se micşorează şi curentul I absorbit din reţea dacă cuplul se menţine constant. Puterea activă în aceste condiţii este:

P=3UIcosφ ≡ 3UI

unde tensiunea U a reţelei se presupune că este constantă. Puterea activă la bornele motorului, neglijând pierderile din stator se poate aproxima cu puterea electromagnetică

3UI =kMΩ1

unde constanta k ţine cont de parametrii transformatorului de alimentare a convertizorului şi ai circuitului intermediar. La sistemele de acţionare cu U şi φ variabili, chiar şi în regim dinamic alunecarea este mică, deci Ω1 ≡ Ω. Rezultă în final:

M=3UI/kΩ1

Deci pentru M şi U constante, rezultă I/Ω=constant.

În cazul unei acţionări în c.c. cu redresor comandat, pentru cuplu M constant, curentul absorbit din reţea este de asemenea constant, deoarece factorul de putere este variabil. Pe măsură ce viteza scade creşte unghiul α de comandă pe grilă şi scade factorul de putere, deoarece cosφ ≡ cosα cuplul fiind mereu egal cu M=KΦI indiferent de mărimea vitezei Ω.

În figura 1 s-au reprezentat diagramele curenţilor I absorbiţi din reţeaua de alimentare pentru cele două tipuri de acţionări analizate în cazul funcţionării la cuplul nominal constant.