Proiectarea Unui Sistem de Actionare Electrica Intr O Cascada

Capitolul I Elemente Introductive

CAPITOLUL 1. ELEMENTE INTRODUCTIVE

1.1. Scurt istoric al acționărilor electrice

Până in anul 1950 acționările electrice, in sensul in care se înțeleg astăzi, iși găseau aplicarea numai in domeniul mașinilor unelte si in industria metalurgică.

Dezvoltarea automatizărilor industriale au condus implicit și la perfecționarea sistemelor de acționare electrică, cu atât mai mult cu cât o asemenea instalație reprezintă cea mai răspândită formă de conversie a energiei electrice in energie mecanică.

Prima acționare electrică, o locomotivă, a fost realizată in anul 1832.

Motorul ei a avut o construcție inspirată după motorul cu aburi.

În anul următor W. Ritchie construiește pentru prima dată un motor de curent continuu, având excitația realizată cu ajutorul unor electromagneți.

În anul 1834 M.H. Iakobi construiește un motor alimentat de la o baterie, cu care a reușit să acționeze o barcă pe Neva.

Anul 1881 este un an de referință in domeniul tracțiunii electrice deoarece au fost puse in funcțiune primele tramvaie electrice, la Paris (cu fir de contact) și la Berlin (cu alimentare prin ambele sine) , pentru ca în anul 1882 să fie experimentat primul troleibuz electric pe linia Berlin – Holevsec.

În 1897, In Olanda a fost construit primul submarin electric, iar doi ani mai târziu in S.U.A. se va construi primul automobil electric; acesta putea rula cu o viteză maximă de circa 105 km/h, un record la acea vreme.

Sfârșitul secolului Xl a fost marcat la noi in țară de câteva evenimente remarcabile in acest domeniu. Astfel, in 1 897 s – a introdus acționarea cu motoare electrice la instalațiilor de foraj – extracție de pe Valea Prahovei iar in anul 1899 a fost realizată la Sibiu prima acționare electrica din țară, acționarea unor mașini de treierat.

Istoria electronicii de putere a început in anul 1900, când au fost realizate primele redresoare cu tuburi de sticla cu arc de mercur. În timpul celui de-al doilea război mondial erau folosite cu succes amplificatoare magnetice și redresoare cu seleniu.

Capitolul I Elemente Introductive

În prezent, apariția unor procesoare puternice a permis realizarea unor sisteme de acționare electrică deosebit de performante și fiabile.

Pentru acționările de viteză constantă sunt folosite in general mașini asincrone. Cele mai numeroase sunt acționările electrice ce folosesc mașini cu puteri intre 0,1 si 400 [kW].Ca pondere numerica, după unele statistici, mașinilor asincrone reprezintă 90% din totalul mașinilor utilizate ,dar numai 50 – 55% ca pondere in privința puterii instalate.

Pentru sistemele de acționări electrice reglabile sunt folosite mașinile de curent continuu in proporție de 70 %, mașinile de asincrone și sincrone 15 %, iar altele, adică 15 % sunt acționări ce presupun folosirea ambreiajelor electromagnetice.

Capitolul I Elemente Introductive

1.2. Structura generala a unui sistem de actionare electrică

Un sistem de acționare electrică reprezintă un ansamblu de elemente electrice, electronice si electromagnetice conectate in vederea realizării comenzii si reglării conversiei electromecanice a energiei pentru un anumit proces tehnologic.

Schema bloc a unui astfel de sistem este următoarea:

Sistemul de comandă și

control

Xc Yc

Zi

Zc ZR

X ZC Zm Y

Xp Yp

Sistemul de forță Fig. 1 – Schema bloc

Capitolul I Elemente Introductive

Elementele componente ale unui sistem de acționare electrică (S.A.E.) se pot grupa in doua sisteme, in raport cu rolul lor:

I – sisteme de forță (S.F.) care asigura conversia electromecanica a energiei;

II – sistemul de comanda si control care are rolul de a asigura comanda si controlul sistemului de acționare electrica.

Sistemele componente sunt interconectate si au legături cu sistemele sau elementele exterioare, care pot fi grupate in:

1. Sistemul de conducere (S.C.) – reprezentat de unitatea centrului de comandã a procesului tehnologic care impune sistemul de acționare electrică, prin mãrimea de comandă x, tipul si limitele de variație a mărimii comandate y; sistemul de acționare electrică trimite către sistemul de comandă informații prin intermediul mărimilor de semnalizare yi;

2. Mecanismul productiv (M.P.) – reprezentat de elementele mecanice care realizează procesul tehnologic; sistemul de acționare electrică este proiectat in vederea rnodificării corespunzătoare a mărimii comandate, y, a acestuia;

3. Sursa de energie electrică (S.E.) – este reprezentată de rețeaua electrică de alimentare. Aceasta este caracterizată de mărimea x

Rețeaua poate fi de tensiune continua sau de tensiune alternativă de frecvență constantã;

4. Mediul exterior (M.E.) – poate influența funcționarea sistemului de acționare electrică prin introducerea unor mărimi perturbatoare, x precum:

temperatura, umiditatea, radiațiile sau altele. El este influențat de către S.A.E. prin intermediul märimilor poluante ,y cum ar fi: zgomote, vibrații, degajări de căldură sau altele.

I. Sistcmul dc forța (S.F.) – asigura convcrsia cncrgici clectrice, primită dc sursa de energie electrică (S.E.) si caracterizata de mărimea de intrare x in lucru mecanic efectuat de mecanismul productiv (M.P.) si caracterizata de mărimea de ieșire y.

Sistemul de forța este format din trei elemente, înseriate din punct de vedere funcțional:

– convertorul electric (C.E.) – reprezintă un convertor al energiei electrice, caracterizată de parametrii x1 si primiți de sursa S.E., in energie electrică, caracterizată de parametrii z1 care asigură obținerea parametrilor necesari pentru energia electrica utilizata de convertorul electromecanic. Acest

convertor poate fi: un transformator electric, un redresor, un convertor de frecventa etc.;

Capitolul I Elemente Introductive

– convertorul electromecanic (C.E.M.) – transformă energia electrică, caracterizată de parametrii z1 in lucru mecanic, caracterizat de parametrii zm (turatie, cuplu) . Pentru marea majoritate a sistemelor de acționari electrice convertorul electromecanic este o mașina electrica;

– convertorul mecanic (C.M.) – realizează conversia lucrului mecanic, caracterizat de parametrii zm in lucru mecanic, caracterizat de parametrii y, necesar mecanismului productiv (M.P.) .Câteva exemple de convertoare mecanice de energie sunt: transmisia mecanică, reductor de viteza. In unele cazuri aceste convertoare pot lipsi, dacă parametrii zm se potrivesc cu parametrii y.

II. Sistemul de comanda si control (S.C.C.) – este alcătuit din următoarele elemente:

– sistemul de comandă (S.C.M.) – este ccl care primește informație de la sistemul de conducere, exterior sistemului de actionare electrica si furnizeaza semnalele de comandã necesare sistemului de forșa;

– sistemul informatic (S.C.I.) – format din senzori, traductoare și sisteme de transmisie a informației la distanță.

Sistemul informatic primește informatie z, de la toate elementele componente ale sistemului de forță și le transmite apoi, cu parametrii z, sistemului de comandä. Acesta prelucrează informațiile primite și pe baza marimilor de intrare x, transmite sistemului de forță comenzi, având parametrii zc.

În cazul unor acționari foarte simple existența unui sistem de comandă, S.C., neapărat necesară, iar sistemul informatic va fi format doar dintr-un simplu sistem de semnalizare (S.S.).

Interdependența elementelor sistemului de acționare se poate evidenția urmărind și evoluția acestora. Astfel in decursul dezvoltärii istorice acționarca clcctrică aparc prin inlocuirca motorului hidraulic, cu abur sau cu combustie internã, printr-o mașina electrică obținandu-se acționarea pe grupe la care mai multe masini de lucru sunt actionate de la aceea masina electrică.

Sarcina și modul de functionare al actionarii electrice este condiționat de rnașina de lucru care determină un anumit cuplu și o anumita viteză, constante sau variabile in timp, in funcție de cerințele procesului tehnologic realizat.

Important este ca o instalație de acționare tinde să fie privită ca un sistem complex de conversie a energiei electrice in energie mecanica, in care se intercalează parametrii unor componente, considerate multă vreme, ca independente.

Corelația intre partea de alimentare, motorul electric, mașina de lucru, partea de comandă cu toate blocurile ei aferente, se poate reprezenta intr-o schema structurala :

Capitolul I Elemente Introductive

Fig. 2 – Schema structurala a unui sistem de acționari electrice

Capitolul I Elemente Introductive

Motorul electric reprezintă convertorul electromecanic al sistemului, mărimile sale de ieșire (viteza, cuplu etc.) fiind convertite in mărimi de proces de către mașina de lucru propriu – zisa.

Alimentarea motorului se face printr-un convertor electric (convertor rotativ sau convertor static) , care are rolul de a transforma parametrii clcctrici ai rcțclci industrial in mărimi spccificc motorului si mctodci sale de reglare.

Convertorul electric este comandat printr-un sistem automat prevăzut cu elemente de calcul (calculator de proces, regulator), elemente de masură (traductoare) , blocul de introducere al datelor (butoane, fise, manete, discuri, benzi, cartele).

Elementul central al sistemului de acționare in concepția moderna , este calculatorul de proces, pentru sistemele complexe, sau numai regulatoarele pentru sisteme mai simple.

Conectarea mai multor sisteme de acționare se face prin comanda centralizată de la un calculator și in acest caz calea de proces poate lipsi.

În această schema structurala sunt prezentate toate sistemele de acționare, indiferent de complexitatea lor.

In schema structurală, cu linie groasa s-a reprezentat fluxul de energie, iar cu linie subțire fluxul de informație. În acest fel un sistem de acționare trebuie privit ca un sistem in care se corelează nu numai parametrii de natura fizică diferită, ci și cele doua trasee de baza ale unui sistem de conversie a energiei si informației.

Capitolul II Acționări electrice cu motoare asincrone

CAPITOLUL 2. ACȚIONARI ELECTRICE CU MOTOARE ASINCRONE

2.1. Cascada asincronă

Reglarea factorului de putere și a vitezei pentru motorul asincron cu rotor bobinat se poate face dacă acest motor se cuplează electric prin intermediul inelelor colectoare cu o sursă de tensiune suplimentara, variabila de putere caracterizând astfel acționarea electrica cunoscută sub numele de cascadă asincronă.

Cascada asincronă permite recuperarea energiei de alunecare a motorului cu rotor bobinat și ca urmare asigură acționarii electrice reglabile un randament ridicat.

Energia de alunecare a motorului poate fi recuperată in două moduri:

1.-prin restabilirea ei in rețeaua de alimentare sau intr-o rețeaturala :

Capitolul I Elemente Introductive

Fig. 2 – Schema structurala a unui sistem de acționari electrice

Capitolul I Elemente Introductive

Motorul electric reprezintă convertorul electromecanic al sistemului, mărimile sale de ieșire (viteza, cuplu etc.) fiind convertite in mărimi de proces de către mașina de lucru propriu – zisa.

Alimentarea motorului se face printr-un convertor electric (convertor rotativ sau convertor static) , care are rolul de a transforma parametrii clcctrici ai rcțclci industrial in mărimi spccificc motorului si mctodci sale de reglare.

Convertorul electric este comandat printr-un sistem automat prevăzut cu elemente de calcul (calculator de proces, regulator), elemente de masură (traductoare) , blocul de introducere al datelor (butoane, fise, manete, discuri, benzi, cartele).

Elementul central al sistemului de acționare in concepția moderna , este calculatorul de proces, pentru sistemele complexe, sau numai regulatoarele pentru sisteme mai simple.

Conectarea mai multor sisteme de acționare se face prin comanda centralizată de la un calculator și in acest caz calea de proces poate lipsi.

În această schema structurala sunt prezentate toate sistemele de acționare, indiferent de complexitatea lor.

In schema structurală, cu linie groasa s-a reprezentat fluxul de energie, iar cu linie subțire fluxul de informație. În acest fel un sistem de acționare trebuie privit ca un sistem in care se corelează nu numai parametrii de natura fizică diferită, ci și cele doua trasee de baza ale unui sistem de conversie a energiei si informației.

Capitolul II Acționări electrice cu motoare asincrone

CAPITOLUL 2. ACȚIONARI ELECTRICE CU MOTOARE ASINCRONE

2.1. Cascada asincronă

Reglarea factorului de putere și a vitezei pentru motorul asincron cu rotor bobinat se poate face dacă acest motor se cuplează electric prin intermediul inelelor colectoare cu o sursă de tensiune suplimentara, variabila de putere caracterizând astfel acționarea electrica cunoscută sub numele de cascadă asincronă.

Cascada asincronă permite recuperarea energiei de alunecare a motorului cu rotor bobinat și ca urmare asigură acționarii electrice reglabile un randament ridicat.

Energia de alunecare a motorului poate fi recuperată in două moduri:

1.-prin restabilirea ei in rețeaua de alimentare sau intr-o rețea de recuperare, obținându-se astfel o recuperare pe cale electromagnetică;

2.-prin transformarea ci în energie mecanică care apoi este trimisă la arborele motorului asincron obținându-se o recuperare mecanică.

Datorita posibilității de recuperare a energiei de alunecare cascada asincronă este economică in general pentru acționari de putere medie și mare.

Reglarea vitezei motoarelor asincrone cu inele prin introducerea unei tensiuni electromotoare suplimentare variabile in circuitul rotoric al motorului asincron se realizează, in principal, prin:

1.-cascada asincronă cu mașini electrice. Tensiunca electromotoare suplimentara este introdusă in circuitul rotoric cu ajutorul unui convertor de frecventă rotativ, compus din mașini electrice.

2.-cascada asincronă cu mașini clcctricc si mutatoare. Curentul statoric se redresează cu mutatoare, iar in circuitul curentului redresat se introduce o tensiune electromotoare obținuta de la un motor de curent continuu.

3.-cascada asincrona cu mutatoare. Tensiunea electromotoare suplimentară este introdusă in circuitul rotoric cu ajutorul unui convertor de frecvența static, compus din mutatoare.

Cascadele asincrone asigura convertorului de frecventa o putere proporționala cu mărimea domeniului de reglare a vitezei.

Capitolul II Acționări electrice cu motoare asincrone

Astfel, convertorul se dimensionează pentru tensiunea rotorică maxima din domeniul de reglare a vitezei, corespunzător vitezei minime si curentului rotoric nominal, dcci pentru puterea de alunecare și nu pentru puterea totala a motorului. Ca urmare, soluția este avantajoasă din punct de vedere economic pentru domenii înguste de reglare a vitezei (∆n≤ 1:2).

Întrucât, majoritatea turbomașinilor necesita un domeniu îngust de reglare a vitezei ((∆n≤ 1:2 ), rezultă un convertor de frecventa a cărui putere este mult mai mica decât puterea motorului asincron cuplat in cascada. Datorita acestui fapt, cascadele asincrone reprezintă, pentru turbomașini instalațiile de acționare reglabile de bază.

Tendința înlocuirii mașinilor electrice in cascadele cu mașini electrice si mutatoare a condus la realizarea cascadelor pure echipate numai eu mutatoare. Aceste cascade in special cele cu semiconductoare au produs o transformare a acționarilor electrice reglabile cu motoare având comanda in circuitul rotoric si totodat$ au înregistrat cele mai numeroase aplicații in cadrul acționarilor electrice reglabile a turbomașinilor.

Acționările cu motoare asincrone in cascada cu mutatoare cu semiconductoare se folosesc când este vorba de un domeniu limitat de variație a turației sub si peste turația de sincronism. Puterea nominală a mașinii asincrone este mare si foarte mare nemaiputându-se folosi reglarea reostatica a turației datorită pierderilor exagerate. Schemele in cascadă se bazează pe recuperarea puterii de alunecare:

P = SPem – s find alunecarea si Pem puterea electromagnetica cedata rotorului, aproximativ egalã cu puterea absorbită de la rețea.

Inconvcnicntul principal ai rccupcrării putcrii dc alunccarc constă in faptul ca in rotor curenții au frecventa variabila f2 si tensiunea efectiva pe faza U variabila dacă și viteza de rotație variază:

f2=s*f1

U2 = sU20

unde :

– f1- reprezintă frecventa tensiunii statorice;

– U reprezintă tensiunea efectivă indusă pe fază când rotorul este blocat;

Capitolul II Acționări electrice cu motoare asincrone

Eliminarea acestui dezavantaj se face prin transformarea parametrilor puterii de alunecare in parametrii de curent continuu.

Cea mai simplă și cea mai răspândita schema a cascadei cu mutatoare este schema cu circuit intermediar de curent continuu. În acest caz, curentul rotoric se redresează cu ajutorul unui redresor realizat in punte trifazată, iar in circuitul curentului redresat se introduce o tensiune electromotoare suplimentara variabilă obținuta de la un invertor, realizat după diferite scheme de conexiuni, in funcție de aplica și de felul dispozitivelor electronice folosite.

2.2. Avantajele și dezavantajele cascadei Scherbius

Schema cascadei subsincrone cu mutatoare prezintă o serie de avantaje si dezavantaje după cum urmează:

Avantaje

• Asigură un randament ridicat, datorita posibi1itatii de recuperare a energiei de alunecare din rotor in rețeaua electrică;

• Asigura alimentarea directa a motorului asincron de la rețeaua de curent alternativ farã sa folosim un convertor in circuitul statoric, convertorul conectat în circuitul rotoric servește doar pentru reglarea vitezei;

• Permite obținerea unui sistem de acționari superior ca putere si viteză celor dotate cu motoare de curent continuu cu tensiune reglabilă;

• Pentru domenii relativ inguste de reglare a vitezei ((∆n≤ 1:2) reprezintă acționarea cea mai economică, deoarece numai o parte a energiei este supusa procesului de convertire, si anume acea parte proporționala cu alunecarea motorului asincron;

• Folosește o mașina asincronă care este mult mai simpla si mai sigură decât mașina de curent continuu;

• Prezintă rapiditate de răspuns, adaptare ușoara la automatizare si necesita putere redusă la comandă.

Capitolul II Acționări electrice cu motoare asincrone

Dezavantaje:

• Asigură un factor de putere scăzut datorită consumului mare da putere reactivă, deoarece in afară de motor absoarbe putere reactiva și invertorul;

• Coboară randamentul motorului (intr-o anumită măsură) corespunzător vitezei maxime, datorită pierderilor suplimentare care apar in convertor (numai in cazul in care se scurtcircuitează rotorul motorului atunci când motorul asincron atinge viteza maxima);

• Reduce capacitatea de supraîncarcare a motorului asincron;

• Necesită mijloace speciale de pornire (reostat de pornire) datorita domeniului îngust de reglare a vitezei (∆n≤ 1:2);

• Utilizcază un convertor cu cost rclativ ridicat care conduce la scumpirea acționarii.

2.3. Domeniul de utilizare

Intrucât puterea si, implicit, costul elementelor care intrã in schema cascadei subsincrone cu mutatoare sunt in funcție de mărimea domeniului necesar de reglare a vitezei, aplicarea acestei scheme este economica in cazul acționarii turbomașinilor care necesită un domeniu relativ ingust de reglare a vitezei, respectiv ∆n ≤ 1:2 . Totodată, schemele in cascada subsincronă cu mutatoare sunt schemele cele mai adecvate, dcci cele mai utilizate pentru acționarea reglabilă a turbomașinilor de mare si medie putere, respectiv:

P 200…25000 [kW]

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

CAPITOLUL 3. ALEGEREA SCHEMEI DE PRINCIPIU. PRINCIPIUL DE

FUNCȚIONARE

3.1. Principiul de funcționare al Cascadei Scherbius

Tensiunea electromotoare rotorică și freevența din rotor sunt proporționale cu alunecarea și invers proporționale cu viteza de rotație a unei mașini asincrone.

Reglarea vitezei se realizează prin introducerea unei tensiuni electromotoare suplimentare variabile în circuitul rotoric prin intermediul unui convertor static, compus dintr-un redresor cu diode, care redresează t.e.m. rotorică a motorului, și un invertor cu tiristoare legat la rețeaua de recuperare prin intermediul unui transformator de realimentare (denumit și de adaptare).

La cascada asincronă cu mutatoare, prin intermediul redresorului, t.e.m. rotorică este convertită intr-o t.e.m. redresata (continua) denumită și tensiunea principala a rotorului Eth, iar prin intermediul invertorului se produce o contra t.e.m. suplimentara Ed in cadrul domeniului dat de reglarea vitezei, valoarea t.e.m. suplimentare poate fi reglată continuu și ea nu depinde,paractic, de mărimea sarcinii de la arborele mașinii. Astfel la motor se poate stabili, la un moment dat, o viteza de rotație pentru care valorile medii ale t.e.m. principale Edr si t.e.m. suplimentare Edi au aceeași mărime.

Ede

Edi Edx(n) Dn Edo Edimax nmin n no n

Fig.3 Variația t.e.m. in circuitul intermediar de curent continuu al unui convertor in funcție de viteza de rotație.

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

In figura 3 am făcut următoarele notații:

– Eth t.e.m. principală a rotorului;

– Edi t.e.m. suplimentară a invertorului;

– n viteza de rotație sincronă;

– n viteza de rotație minimă;

– n viteza de rotație atinsă la un moment dat in domeniul de reglare;

-D domeniul de reglare a vitezei.

Valoarea maximă a t.e.m. suplimentare EdI max corespunde vitezei minime n a motorului asincron din domeniul de reglare dat. Această valoare este determinata de tensiunea de racordare a invertorului pe partea curentului trifazat (tensiunea de ieșire a convertorului ) și de unghiul de

comandă maxim admisibil al aprinderii tiristoarelor (c = 1 500 el) . Adaptarea tensiunii de ieșire a convertorului la tensiunea rețelei de racordare (de recuperare) se face (in măsura in care este necesar) prin intermediul unui transformator de realimentare.

Viteza maximă (viteza nominală la funcționarea in cascada) este de până la 2% mai mica fata de turația nominală indicata pe plăcuta motorului. Această micșorare de turație este condiționata de pierderile suplimentare care au loc in circuitul rotoric al motorului (anume, cele produse in conductoarele de legătura dintre motor și redresor și cele determinate de deformarca curbci curentului).

T.e.m. rotorică a motorului si implicit alunecarea, deci viteza sa, sunt imprimate prin te,m, comandată invertorului, determinată de unghiul de comandă al aprinderii tiristoarelor din invertor.

0 caracteristica importantă a cascadei asincrone cu mutatoare este caracteristica de comanda a invertorului. Aceasta caracteristică reprezintă variația t.e.m. mcdii redresate in funcție de unghiul de comandă al aprinderii tiristoarelor.

Un mutator trifazat in punte integral comandat poate avea o funcționare bidirecționala, adică el poate asigura transferul de energie atât din rețeaua de racordare trifazata la circuitul de curent continuu (funcționare in regim de redresor) , cat si invers, de la circuitul de curent continuu la rețeaua de racordare trifazat (funcționare in regim de invertor).

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

În cazul cascadei asincrone transferul de energie (energia de alunecare transformată in energie de curent continuu) se face numai in circuitul intermediar de curent continuu al convertorului in rețeaua de racord trifazată, adică convertorul funcționează, exclusiv, in regim de invertor. În acest caz, Ed / Edo < 0, iar 90°<a<180°el; valoarea α = 90°el corespunde vitezei nominale și nominale și α = 180°el – vitezei minime. Ținând seama de existenta fenomenului de suprapunere anodică , domeniul de comandă al invertorului se reduce la valoarea 180 – β, in care β este un unghi de rezervă necesar comutației curentului dintre tiristoare, si care are o valoare determinatä de valoarea reactantei de scãpäri a transformatorului de realimentare. În practică se ia 130°el, adică dorneniul de comandă se reduce la valoarea 150°el.

Domeniul de comanda al convertorului pentru functionarea in regim de redresor este blocat, in cazul cascadei asincrone cu mutatoare, prin limitarea tensiunii reglate, adica prin reglarea ci intr-un domeniu îngust. Aceasta servește pentru compensarea căderilor de tensiune din convertor in cazul funcționarii cascadei subsincrone cu viteză nominală.

Fig.4 Caracteristica de comandă a unui mutator in punte trifazată integral comandată.

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Modul de funcționare al cascadei asincrone cu mutatoare se explică in felul urrnător. La funcționarea cascadei in regim de motor cu viteza subsincronă t.e.m. principala a rotorului se redresează cu ajutorul unui redresor necomandabil. In circuitul curentului redresat al rotorului se introduce o tensiune electromotoare suplimentară, obținuta de la invertor, care reprezintă t.e.m. medie redresată a invertorului (tensiunea contra electromotoare a invertorului) . T.e.m. redresată a rotorului, când motorul funcționează in gol, Edr 0S trebuie sa echilibreze t.e.m. suplimentara a invertorului Edj, căderea de tensiune produsa in rezistentele ohmice ale circuitului rotoric si, de asemenea, caderea de tensiune determinată de procesele de comutație ale dispozitivelor electronice legate la reactanțele inductive ale circuitului rotoric.

Cuplul activ dezvoltat de motorul asincron este proporțional cu curentul redresat al rotorului. Ca urmare, la variația curentului redresat al rotorului prin modificarea t.e.m. suplimentare a invertorului se obține reglarea cuplului activ și vitezei de rotație ale motorului asincron. Reglarea t.e.m. suplimentare se poate obține daca se modifică unghiul de comandș al aprinderii dispozitivelor electronice ale invertorului. Astfel, daca t.e.m. suplimentara se reglează pentru a deveni egală cu t.e.m. principală, atunci curentul din circuitul rotorie și cuplul de rotație devine egal cu zero. La micșorarea t.e.m. suplimentare curentul din circuitul rotoric, cuplul de rotație se mărește si viteza motorului creste. Întrucât, o data cu creșterea turației, se micșorează alunecarea si t.e.m. redresata a rotorului Edr oS , atunci accelerarea motorului asincron are loc atât timp cat cuplul rezistent nu depașește cuplul activ.

La mărirca t.c.m. suplimcntarc, curcntul rotoric și cuplul activ se micșorează iar viteza motorului asincron scade. Pe măsura scăderii vitezei de rotație creste t.e.m. redresata a rotorului Eth oS , iar curentul rotoric și cuplul activ continuă, și ele sa crească, atât timp cât cuplul activ al motorului rămâne inferior cuplului rezistent al mașinii de lucru. In cazul in care apare un cuplu rezistent variabil și pentru o comandă constantă, procesul tranzitoriu decurge similar cu cel descris mai înainte. Astfel, la creșterea cuplului rezistent viteza de rotație a motorului de acționare scade și prin aceasta se produce o mărire a t.e.m principale a rotorului. Ca urmare, crește curentul redresat al rotorului și cuplul activ al motorului. Aceasta creștere are loc atât timp cat cuplul activ rămâne superior cuplului rezistent. La micșorarea t.e.m. suplimentare păna la o valoare aproximativ egală cu zero, creste turația motorului, dar numai până la 90.. .95% din turația sincrona.

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Alunecarea relativ mare a motorului, care apare in lipsa t.e.m. suplimentare, se explică prin existența in circuitul rotoric a rezistentelor suplimentare.

Schema de bază a cascadei asincrone cu mutatoare, analizată înainte, poate asigura numai acele regimuri de funcționare ale motorului asincron in care energia de alunecare, rezultată in rotor, este condusă numai de la motor la retea. Aceste regimuri sunt următoarele: de motor de turație subsincronă, de generator cu turație suprasincronă, de frânare dinamică și in contracurent. Pentru acționarea electrică prezintă interes, in principal,regimul de motor cu turație subsincronă. In anumite cazuri, de exemplu, la acționarea turbomașinilor rapide, care au cupluri mari de inerție, prezintă interes si regimul de frânare dinamica.

3.2. Alegerea schemei de principiu. Pornirea cascadei asincrone

Puterea mutatoarelor aferente cascadei subsincrone este determinată de produsul P = PemS , la alunecarea maximă, P find puterea electromagnetica transmisa prin intrefier. In general,

Smax = 0,02…0,50. Cuplarea in cascada in apropiere de s = 1 nu este economică, deoarece puterea mutatoarelor se apropie de puterea motorului de acționare. Dc aceea, pornirea se realizează numai cu rezistențe de pornire si numai după depășirea alunecării maxime Smax se conectează cascada. Cascada subsincrona cu mutatoare având un domeniu ingust de reglare a vitezei (∆n= 1: 2) , la pornire este necesara accelerarea motorului până la limita inferioara a domeniului de reglare a vitezei. În acest scop, dependent de puterea motorului asincron cuplat in cascadă, se folosesc diferite procedee de pornire, și anume: pornirea dircctă si pornirca indircctă.

Pornirea directă constă in folosirea de rezistențe suplimentare care se introduc in circuitul rotoric al motorului asincron. Aceste rezistențe se introduc fie in circuitul rotoric de curent altemativ, fie in cel de curent continuu.

Avantajele unei astfel de porniri sunt reducerea numărului de aparate de pornire și permite accelerarea continua a acționarii. Dezavantajele pornirii directe sunt: acționarea este complet scoasa din funcțiune in cazul in care are vreo defecțiune in circuitul rotoric al motorului.

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Pornirea indirectă constă in folosirea unui reostat simetric, cuplat, in paralel, in circuitul rotoric al motorului asincron. Prin acest procedeu, de asemenea, se realizează o accelerare continuă a motorului in domeniul de viteza ∆n = (0,0… 1,0) nn . Astfel, prin modificarea valorilor rezistentelor aferente reostatului se obține accelerarea continua a motorului in domeniul de viteza ∆n = (0,0…0.5) nn n , iar după scoaterea acestor rezistente (cu ajutorul comutatorului K , viteza se poate regla mai departe. In domeniul ∆n = (0,5… 1,0) nn prin intermediul cascadei cu mutatoare. Pentru a se realiza o trecere progresivă de la regimul tranzitoriu (de pornire) la cel permanent (de funcționare) ,se cere curent alternativ decuplarea rotorului de la reostat să se facă numai după ce, in prealabil, motorul a fost cuplat in cascada.

Avantajul pornirii indirecte este ca in curent alternativ se permite folosirea motorului asincron cu rotorul bobinat pentru acționare provizorie, in caz de avarie in circuitele mutatoarelor cascadei. Dezavantajele sunt ca la pornire se realizează o accelerare discontinua; scumpește instalația cascadei cu mutatoare. Pornirea indirecta este adecvata, in special, pentru cascadele cu mutatoare de putere mare si foarte mare.

Pornirea se face cu ajutorul unor reostate de pornire care se livrează o data cu motorul din fabrică (din cauza pierderilor) . Pornirea se mai face la motoarele mari cu cicloconvertoare.

Fig. 5. Schema electrică de principiu

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Aceasta cuprinde :

DCG – dispozitiv de comanda pe grilã;

Tc – traductor de curent;

Tr- traductor de turație;

Ri – regulator de curent;

Rr – regulator de turație.

Cascada din figură este o cascadă de curent continuu. Legătura dintre U2si UA este data de relația:

U=

fiind stabilităde tipul punții redresoare.

La iesirea invertorului INV avem tensiunea Udy al carei sens pozitiv este eel din figura.

Fiind vorba de o punte cu 6 pulsuri se scrie:

Udy=

unde:

– y reprezintă unghiul de comandă al tiristoarelor;

– U2T reprezintă tensiunea de fază in secundarul T.A.

Astfel stabilim relația dintre U2 si U2T :

U2 = – U2T *

Dacă tranformatorul T.A. are raportul de transformare k relația de mai sus poate fi pusă sub forma de rnai jos :

de unde rezulta k2 raportul amplitudinilor tensiunii adusa la indus și tensiunea indusa in rotor când acesta este blocat (s = 1):

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Din considerentele expuse deja ( α = 2 π) , dcci alunecarea la funcționarea in gol, s se obține impunând valoarea zero cuplului dezvoltat de MASDA (mașina asincrona dublu alimentată) În acest caz :

M =

Rezultă :

s0=

În regim de invertor γ Є (π/2, γmax) , deci s0 (0, smax). Tensiunea maxima la ieșirea invertorului apare la alunecarea maxima . Pentru a stabili tensiunea de mers in gol a transformatorului T.A., deci raportul de transformare kT2, presupunem IA=0.

Se poate scrie :

UAmax =

Daca IA = 0, UAmax = – Udγmax = 0 , adica

UAmax = – Udγmax *

Deci :

U2T0 =

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

In ipoteza unui curent IA complet neted, raportul dintre valoarea efectivă a curentului din secundarul transformatorului T.A și valoarea efectivă a primei armonici este :

Rezultă puterea aparentă a transformatorului de adaptare T.A. este :

in care :

-PN reprezintă puterea nominala a mașinii asincrone ;

-cos reprezintă factorul de putere nominal al mașinii ;

– reprezintă unghiul maxim de comanda al tiristoarelor.

Alura caracteristicilor mecanice prezentate in figura depinde de curentul limitat al circuitului intermediar de curent continuu insa in domeniul practic de funcționare caractersticile mecanice sunt practic liniare, sensibil paralele, având drept parametru unghiul de comanda γ al invertorului .

În general alunecări de S0 < 0.05 nu se pot stabili, domeniul practic al reglării fiind :

0.05 < S0 < 0.5

În zona lucru rigiditatea caracteristicilor este mai redusa decât cea a caracteristicii mecanice naturale deoarece in circuitul rotoric se reflecta rezistența elementelor semiconductoare, a bobinei de netezire, a infășurarii transformatorului TA, toate acestea ducând spre o alunccare critica mărita. Cascada subsincrona prezintă avantajul reglării bune și sigure a turației in gama 1: 2 ceea ce pentru unele acționări electrice este suficient.

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

Fig.6 Dependenta cuplului electromagnetic in funcție de alunecarea mașinii de inductie in cascada subsincronă cu mutatoare la diferite unghiuri de comanda γ.

Fig.7 Caracteristicile mecanice arificiale ale cascadei Scherbius pentru diferite unghiuri de comandă γ ale mutatoarelor invertorului

Capitolul III Alegerea schemei de principiu. Principiul de funcționare.

3.3 Alegerea motorului

Motorul va fi dat in tema de proiectare, cu datele prezentate in introducere .

Capitolul IV Date de Proiectare

CAPITOLUL 4. DATE DE PROIECTARE PENTRU EXEMPLUL DE CALCUL

• Gama de reglare a turației: 1/3;

• Constanta reglării: ±1,5% în condițiile:

– variația cuplului de la 0 la Mn ;

– variația tensiunii rețelei de la -15% la +10% ;

• Curentul limită in motor : 1,5 In

• Tensiunea nominală statorică : U1n = 380 [V] ;

• Puterea nominală a motorului: P = 200 [kW] ;

• Factorul de putere nominal: cos φn = 0.89 ;

• Alunecarea nominală: sn = 0.012 ;

• Cuplul maxim raportat: Mmax / Mn=3 ;

• Randamentul nominal : η = 94.5 %

• Rezistența statorică : Rs = 0.0081 [Ω] ;

• Reactanța statorică : Xs = 1.87 [Ω] ;

• Rezistența rotorică raportată : [Ω] ;

• Reactanța rotorică raportata : [Ω] ;

• Reactanța circuitului magnetic: [Ω] ;

• Rezistența de pierderi : [Ω] ;

• Numărul de perechi de poli : p = 2 ;

• Seria motorului: MIP 2 ;

• Tensiunca rotorică in gol (rotor blocat) : U20 = 554 [V] ;

• Curentul din rotor: i2 = 233 [A] ;

• Momentul de inerție: G*s2 = 27 [Kg*F*m2] ;

• Masa : m = 1490 [kg] ;

• Turație de sincronism : ni = 1500 [rot / min].

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

CAPITOLUL 5. DETERMINAREA PARAMETRILOR MAȘINII ASINCRONE

5.1. Schemele echivalente ale mașinii asincrone

În acest subcapitol se vor determina parametrii mașinii asincrone cu rotorul bobinat care nu se regăsesc in datele de catalog ale produsului și care sunt necesare la studiul dinamic al mașinii și la studiul regimului de funcționare normal.

Fig.8.Schema de principiu a cascadei statice subsincrone

Unde:

MA – motor asincron;

ML – mașina de lucru (turbomașina) ;

Lb – inductanța de aplatizare;

DCG – dispozitiv de comanda pe grilă;

Rp – rezistența de pornire;

TA – transformator de alimentare.

Mărimile care se cunosc sunt : nn, Un, I2, f1, U1

Mărimile care nu se cunosc sunt : R1, R2, Xσ1, X σ2, s.

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

I1 R1 Xσ1 I2 R2 / s Xσ2 U

Rw Xcμ Fig.9.Schema echivalenta a mașinii asincrone cu pierderi in miezul feromagnetic

Daca reactanța Xμ si rezistenta Rw se înlocuiesc cu impedanța Zμ, parcursă de curentul I1m, de valoare :

Z =

Se utilizează notațiile :

Z1 = R1 + j * Xσ12

Z2 = R2’ +j * X’ σ12

Se obține schema echivalentă simplificată a mașinii de inducție :

I1 Z1 I2’ Z2’

U1f Zμ

Fig. 10. Schema simplificată a mașinii asincrone

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

I1= U1f *

unde :

– U1f reprezintă tensiunea pe faza din circuitul statoric ;

– Z1 reprezintă impedanța echivalentă a circuitului statoric ;

– Z2’ reprezintă impedanța echivalentă raportată a circuitului rotoric ;

– Zμ reprezintă impedanța de magnetizare ;

Curentul raportat din circuitul rotoric este funcție de cel din circuitul statoric dat de relația :

unde : c reprezintă constanta complexă care pentru mașinile mari (cazul de față ) are valoarea c = 1

c =

si

=

Ținând cont de relațiile de mai sus curentul rotoric raportat devine astfel :

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

5.2. Dimensionarea punții redresoare

Motorul asincron iși modifică tensiunea rotorică in funcție de alunecare.

Cunoscând U20, adică tensiunea dintre inelele statorului, când circuitul rotorului este in gol, iar rotorul este blocat, dimensionăm redresorul :

U2s = s * U20

Deoarece gama de reglare a turației, impusă prin temă, este 1/3 putem afla alunecarea critică sm corespunzătoare cuplului maxim.

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

Din datele de proiectare cunoaștem coeficientul de supraîncărcare sau raportul dintre cuplul maxim și cel nominal Mm / Mn , deci putem afla valoarea cuplului maxim. Astfel :

Aluncarea nominală este :

unde n1 turația de sincronism ;

Deci turația nominală nn este :

nn = 1500*(1 – 0.012) = 1482 [rot/min]

In aceste condiții :

Revenind putem scrie :

Dar este tocmai alunecarea nominala sn, iar smax este alunecarea critica maxima sm .

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

Atunci :

0.012*554=8.98[V]

= 0.67*554=501.27[V]

Curentul redresat este dat de curentul din rotorul motorului .

Formele de unda ale tensiuni rotorice, Ur, tensiunii redresate, Ud, curentul prin dioda, Idk și curentul redresat, id, arată astfel:

Fig.11. Formele de undă ale: Ur (tensiunii rotorice), Ud (tensiunii redresate), iDK (curentului prin dioda) și id (curentul redresat).

Capitolul V Determinarea Parametrilor Mașinii Asincrone

Curentul din rotor i2 este cunoscut din datele de proiectare și are expresia :

Deci :

Putem determina valoarea maximă a curentului redresat :

=1.5* =1.5*285.37=428.05[A]

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

CAPITOLUL 6.DIMENSIONAREA ELEMENTELOR COMPONENTE ALE

CASCADEI SCHERBIUS

6.1. Alegerea și dimensionarea convertorului cu funcționare in regim de redresor

Pentru dimensionarea redresorului se folosesc, ca elemente statice principale, dispozitive semiconductoare necomandate, respectiv diode. Mărimea de bază care se folosește pentru aceste dispozitive este valoarea medie a curentului continuu redresat Id, care corespunde cuplului rezistent maxim opus de mașina de lucru (respectiv turbomașina) la bornele motorului de acționare; pentru o turbomașină cuplul rezistent maxim corespunde vitezei nominale și deci cuplului nominal al motorului de acționare.

Curentul prin dioda :

ID =

Curentul prin dioda in conducție : IFAV ≥ IDioda = 143[A]

Aceasta tensiune, calculata pentru alunecarea maxima, este acoperitoare. La pornirea acționarii, când s = 1, cascada nu funcționează, la rotor fiind cuplat reostatul de pornire.

Tensiunea inversă repetitiva maxima URRM, sa îndeplinească condiția :

Cu aceste informații se alege din catalog dioda : D325N – 1600 cu următoarele date :

IFAVM =325 [A]

URRM =1600 [A]

IFRMSM = 550 [A]

IFSM = 6.2 [kA]

I2t = 192 [kA2s] (259[kA2s] la Tvj≤45 ˚C)

VTO=0.78 [V]

rT=0.82 [mΩ]

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

IRM=20 [A]

RthjC = 0.1065 [˚C/W]

RthCA = 0.035 [˚C/W]

Capsula B 42.

6.2.Alegerea și dimensionarea convertorului cu funcționare in regim de invertor

Pentru confecționarea invertorului se folosesc, ca elemente statice principale, dispozitive semiconductoare comandate, respectiv tiristoare. Dimensionarea elementelor invertorului se face in funcție de două mărimi de bază : valoarea medie a curentului și valoarea maximă a tensiunii inverse, mărimi aferente dispozitivelor semiconductoare cu care sa se echipeze invertorul.

Invertorul este plasat intre redresor și transformator și se prezintă sub forma unei punți trifazate complet comandabile realizată cu tiristoare de putere.

URmax = Û2r==608.11[V]

Pentru siguranța se alege un coeficient (2 ÷2.5) cu care se inmulțește această tensiune:

URRM = (2 ÷2.5) URM = 2.25*608.11 = 1368.25 [V]

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

Trebuie ca : URRM >1368.25 [V]

Idmax =

IFAV=

Trebuie ca IFAV ≥

Se alege din catalogul de tiristoare, tiristorul T 158 N 1400 cu următoarele date :

URRM = 1400 [V]

IFAVM = 160 [A]

IFRMSM = 280 [A]

ITSM = 2.1[kA]

I2t = 22050 [A2s] (28800[A2s] la Tvj≤45 ˚C)

VTO=0.97 [V]

rT=2 [mΩ]

tqd=4.5[μs]

tq=150 [μs]

RthjC = 0.141 [˚C/W] (pentru răcirea bilaterală)

RthC-A = 0.03 [˚C/W]

Capsula T 20.

6.3.Calculul termic pentru dispozitivele semiconductoare alese

Dispozitivele semiconductoare se încălzesc datorita puterii disipate in timpul funcționarii și ca atare este necesar să se mențină temperatura capsulei in limitele admise de catalog, adică limita la care fluxul de căldura disipata este egal cu fluxul de căldura evacuată in mediul ambiant.

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

Principala sursa de căldura intr-un dispozitiv semiconductor este structura de siliciu spre radiatorul pe care este montat dispozitivul se face prin convecție. Căldura din joncțiune e transferata capsulei (respectiv radiatorului de răcire) și evacuata in mediu. Transferul de căldura dinspre radiator spre mediul ambiant se poate face prin răcire, convecție sau răcire cu lichid.

Schema de calcul a încălzirii dispozitivului respectiv se refera la o schema echivalenta in care sunt introduse rezistențele termice date in catalog, de proiectant .

Rthjc RthCR RthRa

RthjC RthCR RthRA

Pd

Fig.13.Schema termică echivalentă a dispozitivului semiconductor

In schemă avem :

Pd – puterea medie disipată in joncțiune ;

RthjC – rezistența termică joncțiune capsulă ;

RthCR – rezistența termică capsulă și radiator ;

RthRA – rezistența termică radiator ambiant ;

RthRA in general constantă, depinzând de materialul radiatorului, de tipul suprafeței, de dimensiuni și de temperatura dintre radiator și mediul ambiant.

Calcul răcirii presupune realizarea următoarelor etape :

determinarea puterii disipate pe tiristor ;

determinarea temperaturii maxime admisibile a capsulei tiristorului ;

alegerea radiatorului .

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

unde : – temperatura joncțiunii ;

– temperatura mediului ambiant ;

Modul de stringere al capsulei semiconductoare pe radiator contează, adică acesta trebuie strins cu o cheie dinamometrică.

Radiatorul permite evacuarea căldurii prin convecție, in funcție de contactul cu mediul de răcire si prin radiație, in funcție de culoare (tratare anionică a aluminiului și innegrire).

6.3.1. Calculul termic al diodelor

Din catalog limită maximă a temperaturii de funcționare este de 150 .

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

6.3.2. Calculul termic al tiristoarelor

Din catalog limită maximă a temperaturii de funcționare este 125.

6.4. Dimensionarea bobinei de filtrare din circuitul de curent continuu

Bobina de filtrare plasata in circuitul intermediar, de reactanța Lf netezește curentul redresat id, preluând diferența tensiunilor instantanee de pe partea de curent continuu, comună redresorului și invertorului.

Bobina de filtrare filtrează armonic de ordinul 6 care este cea mai importantă in cazul convertoarelor folosite ; cea de ordinul 12 este mult mai mică.

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

Armonicile de ordinul 6 pentru tensiuni și curent sunt :

pentru invertor:

pentru redresor:

Cazul cel mai defavorabil apare când curenții dați de armonică din invertor și redresor se însumează .

Dar :

Din relațiile de mai sus rezultă :

Capitolul VI Dimensionarea Elementelor Componente

6.5.Alegerea transformatorului de alimentare (T.A.)

Dimensionarea transformatorului de realimentare se face in funcție de valorile efective ale curentului și tensiunii in secundar, care împreuna determină puterea transformatorului.

Secundarul transformatorului este cuplat la invertor, iar primarul la rețeaua de alimentare (de recuperare). Deci curentul care străbate infășurarea secundarului transformatorului este egal cu i2.

i2T = i2 = 233 [A]

Tensiunea maxima in secundar apare in cazul in care :

s = smax si α = αmax

Calculăm puterea transformatorului :

Astfel se alege valoarea multiplu de 5 kVA imediat superioara acestei valori.

Se alege un transformator tip TTU – NL :

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

CAPITOLUL 7. SISTEME DE PROTECȚIE PENTRU CONVERTOARE

7.1.Dimensionarea sistemului de protecție colectivă a convertoarelor

Efectul supratensiunilor asupra dispozitivelor semiconductoare este in majoritatea cazurilor catastrofic, datorita energiei mari disipate fie in regim tranzitoriu, fie in regim continuu.

Tiristorul supus supratensiunilor se poate distruge intr-un timp mai îndelungat printr-un proces de degradare lentă a structurii. In cazurile in care energia impulsului de supratensiune este foarte mare, distrugerea este instantanee. Mărirea siguranței in exploatare, a fiabilității sistemului și scăderea costurilor de reparații impun masuri de protejare a tiristoarelor la supratensiuni. Aceste măsuri constau in :

Utilizarea, in toate aplicațiile, a tiristoarelor cu tensiuni de blocare de k ori mai mari decât tensiunea maxima care poate apare, chiar si accidental in circuitul respectiv.

Folosirea sistemelor de protecție individuala a tiristoarelor si colectiva a circuitului in care se lucrează.

Asigurarea protecției la supratensiune este obligatorie întrucât existenta perturbațiilor nu este ipotetică, ele fiind produse la orice sistem care înmagazinează și transferă energie.

La decuplarea transformatorului apar supratensiuni pe care le înlăturam cu ajutorul unei punți auxiliare. Puntea asigură protecție și contra supratensiunilor datorate comutației sarcinii, sarcinilor din rețea și contra supratensiunilor datorate sarcinilor inductive de pe partea de curent continuu.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Schema utilizate este următoarea :

Fig.14.Protecție colectivă cu punte cu diode la invertor

Rezistența R1 acumulează oscilațiile supratensiunii și limitează curentul prin diodele punții auxiliare la încărcarea condensatorului C1, R2, constituie calea de descărcare a condensatorului, după dispariția supratensiunii.

unde : sT – puterea transformatorului

U2t – tensiunea de vârf din secundarul T.A. intre faze

URRM – tensiunea repetitivă inversă a ventilelor

f1 – frecvenț tensiunii secundare

i0 – curentul de mers in gol pentru T.A.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Curentul de mers in gol se stabilește in funcție de puterea transformatorului de adaptare. In cazul de fata se stabilește pentru curentul de mers in gol valoarea :

i0 = 2.9 [%]

Inductivitatea de scaperi a transformatorului si ceilalți parametri ai punții auxiliare se calculează după cum urmează :

unde uk – tensiunea de scurtcircuit a transformatorului T.A.

Rezistența de limitare R1 se alege :

Pentru R1 se va alege o valoare standardizată, rezistența R1 putând să fie formată dintr-un ansamblu de rezistențe montate in serie și in paralel.

R2 se dimensionează din condiția necesitații descărcării condensatorului C in decursul unei semiperioade (10 ms) de la valoarea supratensiunii, la 0.1 din valoarea ei. De asemenea pentru R2 se alege o valoare standardizată, ea putând să fie obținuta din una sau mai multe rezistențe.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Pierderile pe rezistențe :

Tipul rezistențelor se va alege astfel incăt ele să poată disipa o putere aproximativ cu 10 % mai mare decât cea rezultata din relațiile de mai sus.

Diodele punții auxiliare se aleg având in vedere faptul ca ele trebuie sa aibă același URRM sau mai mare decât a ventilelor punții de protejat și curentul :

Pentru punte se alege dioda D 25 N 1400 cu :

IFAVM = 25 [A]

URRM = 1400 [V]

Avantajul protecției cu puntea auxiliara este acela că se utilizează condensatoare elcctrolitice, cu valoare inaltă a capacitații specifice (raport capacitate – volum ).

7.2. Calculul sistemului de protecție individuală pentru convertoare

Curenții de suprascurtcircuit au durate mici, uzual sub 10 ms. Limitarea acestora se face cu siguranțe fuzibile sau cu anumite circuite electronice. Alegerea siguranței implica cunoașterea amplitudinii curentului de scurtcircuit și a duratei sale precum și a dependenței integralei de curent a ventilului de durata supracurentului.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Sistemul de protecție la scurtcircuit al convertoarelor trebuie ales ținând cont de următoarele condiții :

frecventa scurtcircuitelor si caracteristicile curenților de scurtcircuit (amplitudine, panta);

siguranța cerută in funcționarea mutatorului;

costul protecției in raport cu costul ventilelor;

simplitatea instalației;

Pentru protecția la scurtcircuit se folosesc siguranțe ultrarapide, dotate cu percutor care semnalizează arderea fuzibilului.

Criteriile de alegere a siguranțelor ultrarapide :

alegerea tensiunii nominale;

Un sa fie mai mare : Uarc < URRM ;

alegerea curentului nominal al siguranțelor (se tine cont de încălzire, temperatura mediului ambiant, pentru care se fac corecții).

Daca tensiunea de lucru diferă de tensiunea nominală a siguranței intervine un factor de corecție kT .

7.2.1. Dimensionarea protecției invertorului

7.2.1.1.Dimensionarea protecției la supratensiune a invertorului

Protecția la supratensiune de comutație se realizează prin grupuri RiCi puse in paralel cu fiecare tiristor.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Calculăm :

Se neglijează la transformator rezistențele in raport cu reactanțele .

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Din catalog se alege : Qs = 330 [μc]

Atunci :

Astfel se alege din catalog condensatorul : PMP 0300 068[]

La blocare, condensatorul trebuie sa se descarce înainte ca tiristorul sa iasă din conducție.

Constanta de timp cu care se descarcă condensatorul este:

Deci trebuie sa avem :

Așadar :

Se alege o rezistența :Ri

Din catalog se alege : Ri = 1[k] ;

Ci = 0.68 [μF];

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

7.2.1.2.Dimensionarea protecției la scurtcircuit a invertorului

Pentru protecția la scurtcircuit a tiristoarelor se utilizează siguranțe ultrarapide (SUR) cu mare putere de rupere, înseriate cu fiecare tiristor.

Pentru alegerea siguranței tiristorului se ține cont de condițiile :

Se alege SUR de tipul IAEI TITU cu

In continuare vom efectua următoarele verificări :

pentru tensiunea de arc :

;

Din catalog se alege : Ua=1350 [V]

Dar : URRM Tiristor =1400[V]

Deci condiția URRM Tiristor* Ua este îndeplinita.

pentru integrala de curent :

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Deci putem scrie ca :

0.8*0.3*104 [A2s]<1*28800 [A2s]

Deci verificarea este făcuta.

pentru curentul limitat :

Ic = f(Ip)

Din catalog Ic= 2.3[kA]

Dar ITSM=2.4[kA] (la Tvj=45˚C)

Prin urmare condiția Ic< ITSM îndeplinita .

pentru timpul de prearc :

Trebuie ca timpul de prearc tp să fie mai mare ca timpul de suprasarcină de durata.

tssd = 10[ms]

Din catalog :

Deci tp = 11[ms]

In aceste condiții tp>tssd este îndeplinită .

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

7.2.2.Dimensionarea protecției redresorului la scurtcircuit si supratensiune

Fig.15. Schema de principiu

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

7.2.2.1.Dimensionarea protecției la supratensiune a redresorului

Protecția la supratensiune de comutație se realizează cu grupuri RC puse in paralel pe fiecare diodă. Neglijând rezistentele in raport cu reactanțele, schema echivalentă pe faza motorului asincron este :

I Xσ1 X’σ2 I2’

U1f I10

Xμ

unde :

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

Tensiunea dintre inelele rotorului este :

Din diagrama pentru : si pentru :iFm = 150[A] avem ca: Qs=400μC

Unde Qs este sarcina acumulată in joncțiune

Din catalog se va alege :

CR=0.82[μF] PMP 0306

RR=20

Protecția la supratensiuni s-a făcut in așa fel să se acumuleze in grupurile RC, montate in paralel pe fiecare diodă și intre fazele rotorului, energia supratensiunii și tot in ele să se disipe aceasta energie aceasta energie, asigurând in același timp ca tensiunea la bornele lor să nu depășească o valoare impusă.

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

7.2.2.2.Dimensionarea protecției la scurtcircuit a redresorului

Protecția la scurtcircuit se realizează cu siguranțe ultrapide (SUR), montate in serie cu fiecare diodă a redresorului. Protecția diodelor (tiristoarelor) cu SUR este o metodă simplă și eficientă. Deoarece curentul de scurtcircuit prin ventil nu poate fi limitat sau întrerupt printr-o comanda a ventilului, siguranța face aceasta, distrugându-se.

După înlăturarea cauzei scurtcircuitului, siguranța trebuie inlocuita, dar trebuie luat in vedere că este totuși un element costisitor.

Alegerea siguranței se face ținând cont de condițiile :

Se alege SUR cu : Usn=1000 V

ISN=315 A

Curentul prezumat :

Vom efectua in continuare următoarele verificări :

pentru tensiunea de arc :

trebuie ca :

URRM = 1600 [V]

Ua=f()

Ua=1480 [V]

= 783[V]

Deci condiția Ua<URRM este îndeplinita

Capitolul VII Sisteme de Protecție pentru Convertoare

pentru integrala de curent trebuie ca :

t = 10 [ms]

k2 = 1

Deci : 0.8*1.2*105 < 1*1.92*105 – Deci se verifică .

pentru selectivitatea protecției :

Curentul limitat Ilim este funcție de curentul prezumat Ip

Ilim = f(Ip)

Din catalog se alege : Ilim= 55 [kA]

Curentul limitat trebuie sa fie mai mic decât IFSM = 7.2[kA], pentru a nu se distruge dioda, condiție ce este îndeplinita.

Din catalog tp = 12*10-3[s]

Deci condiția este îndeplinita.

Timpul de prearc, tp, trebuie sa fie mai mare decât timpul de suprasarcină de lunga durată, tssd care este la 10 [ms].

Așadar : 12 [ms] > 10 [ms] – condiție îndeplinită.

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

CAPITOLUL 8. SCHEMA DE REGLARE

unde : – fluxul util.

Mărimile raportate la rotor sunt:

Parametrii motorului asincron depind de aluncare. Vom avea următoarele cazuri :

Pentru alunecări mici :

Rezistența rotorică :

Inductivitatea rotorică :

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

Pentru Lf=10.95 [mH] rezulta Rf=0.40[]

Atunci :

Rr’=0.40+2*46.8=94[]

Iar:

Lr’=10.95+2*0.4=11.75[mH]

Constanta de timp electrică :

Pentru alunecări mari :

Constanta de timp electrică :

Inductanța echivalentă este:

Ecuația pentru circuitul intermediar este :

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

Cuplul magnetic are expresia :

Tensiunea redresată :

Ecuația circuitului este :

, unde n0 – turația de sincronism

Aplicam transformata Laplace si vom obține :

Pentru cuplu :

Aplicam transformata Laplace și vom obține :

Cu metoda micilor variații avem :

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

Din ecuațiile de regim dinamic rezultă :

Schema bloc :

Mărimea de intrare este .

+

–

Mărimea de intrare este perturbația .

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

Aplicând teorema superpoziției vom avea :

=0, ceea ce implică :

Efectuam raportul :

unde

Funcția de transfer :

Înlocuind vom obține :

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

In acest caz funcția de transfer va fi :

Schema bloc de reglare

Se realizează un sistem pentru care :

*

Mmax M

Fig.16. Schema de reglare a motorului sincron este :

Un * Pr Ui* Ri UR E.E. Ui id n

Tμ – timpul mort al convertorului, se determină static.

Capitolul VIII Stabilirea Schemei de Reglare

Unde : Tμmin=0

Tμmax=T/3=(1/3)*(1/f)=6.66 [ms]

Tμ=(0+6.66) / 2=3.33 [ms]

Atunci :

Tμ=3.33 [ms]

Dar :

unde :

atunci .

Capitolul IX Alegerea Traductoarelor de Curent și Turație

CAPITOLUL 9. ALEGEREA TRADUCTOARELOR DE CURENT ȘI DE TURAȚIE

9.1. Alegerea traductorului de curent

Curentul maxim calculat in circuitul intermediar de curent continuu are valoarea :

Idmax=428.05 [A]

Se alege un shunt cu următoarele caracteristici :

Unsh=150 [mV]

Insh= 400 [A]

– tensiunea maximă care se culege de pe traductorul de curent

C1

R1

R2

Id Ushmax

AO1

R3 Uimax=10[V

Capitolul IX Alegerea Traductoarelor de Curent și Turație

Constanta de proporționalitate a traductorului de curent :

Functia de transfer :

Fie R1=1 [kΩ]. Atunci :

Se aleg valorile standardizate :

R1= 20 [Ω] RMG 1051

R2=1 [k Ω] RCG 1025

Pentru compensarea tensiunii :

Dar :

Se alege din catalog : C1=1 [μF] : PMP 0.1805

Capitolul IX Alegerea Traductoarelor de Curent și Turație

9.2.Alegerea traductorului de turație

unde :

Unrmax = 10[V]

Nmax = 1482 [rot/min]

i1 R4 i4

i2 i3 Unrmax

Utg R3 C2

Fig.18.Schema traductorului de turație

Se alege un tahogenerator TG 3 cu :

t.e.m. la 100 [rot/min] = 0.2865 [V]

rezistenta la 20˚C = 1[Ω]=R

tensiunea la 100[rot/min] = 3 [V]

momentul de inerție al rotorului = 350*10-3 [kg*m2] =J

curentul nominal = 1 [mA]=ITGn

Funcția de transfer in regim permanent este :

Pentru a determina UTGmax vom scrie :

3[V]……………………………100 [rot/min]

UTGmax……………………nmax = nn=1482[rot/min]

Capitolul IX Alegerea Traductoarelor de Curent și Turație

Deci :

Dar :

si :

Din aceste doua relații vom determina rezistențele R4 si R5 :

Se alege din catalog : R4 = 50 [Ω] RCG – 1025

R5 =10 [Ω] RCG – 1026

Funcția de transfer este :

Capitolul IX Alegerea Traductoarelor de Curent și Turație

Unde :

Deci :

Pentru a determina capacitatea condensatorului C2 :

se alege din catalog condensatorul : PMP 0305.

Bibliografie

BIBLIOGRAFIE

[1] Iosif N., Luca D. —“Tiristoare și module de putere”;

[2] Kelemen A. — “Acționări elctrice”, Ed. Didactică și Pedagogică, Bucure 1979;

[3] Năvrăpescu V.&Co. —“Acționări electrice cu mașini de curent alternativ — Caiet de laborator”, Litografia UPB, 1997;

[4] Năvrăpescu V. — “Comanda numerică a mașinii asincrone”, Litografia UPB, 1997;

[5] Năvrăpescu V. — “Acționari electrice”, Note de curs;

[6] Raduți C. — “Curs Mașini Electrice”, Litografia UPB, 1993;

[7] Soran I.F. — “Acționări electrice”;

[8] Tunsoiu Gh., Seracin E., Saal C. — “Acționări electrice”, Ed. Didactică și Pedagogică, București 1982;

[9] “Catalog mașini electrice rotative” — Electroputere Craiova;

[10] “Catalog AEG”;

[11] “Catalog siguranțe Feraz”;

[12] “Catalog tahogeneratoare” — Electrotehnica;

[13] “Dioda cu Siliciu” — IPRS Bãneasa;

[14] “Nomenclator de produse. Transformatoare de putere” — Electroputere Craiova;

[15] Ghinea M., Fireteanu V.— “MATLAB. Calculul numeric-grafică”

ap1icații — Editura Teora, 1995.