Determinarea Reactantelor Longitudinala Si Transversala Ridicarea Caracteristicilor Generatorului

Introducere 3

Scopul lucrării 4

I Construcția și regimurile de funcționare ale mașinii sincrone 5

1.1.Construcția mașinii sincrone 5

1.2.Regimurile de funcționare ale mașinii sincrone 10

II Generatorul sincron autonom 12

2.1Caracteristicile generatorului sincoron autonom 12

2.1.1 Caracteristica de mers în gol 13

2.1.2 Caracteristica de scurtcircuit 14

2.1.3 Caracteristica de sarcină 17

2.1.4 Caracteristica externă 18

2.1.5 Caracteristica de reglaj 19

2.2 Modelul matematic al mașinii sincrone 21

2.3 Determinarea parametrilor 24

2.4 Determinarea reactanțelor prin metoda alunecării 25

III. Schema electrică, modul de lucru și simularea regimurilor de funcționare în programul Matlab 30

3.1 Schema electrică si modul de lucru 30

3.1.1 Schema de montaj 30

3.1.2 Modul de lucru 32

3.2 Simularea regimurilor de funcționare în programul Matlab 34

3.2.1 Regimul de motor pentru determinarea reactanțelor 34

3.2.2 Regimul de generator la mersul în gol 43

3.2.3 Regimul de generator la funcționarea în scurtcircuit 45

3.2.4 Regimul de generator la funcționarea în sarcină 47

3.2.5 Caracteristica externă 50

3.2.6 Caracteristica de reglaj 51

IV. Culegerea și prelucrarea datelor folosind mediul LabView 52

4.1 Instrumentație virtuală 52

4.2 Instrumentație virtuală în culegerea de date 54

4.3 Instrumentație virtuală în LabView 56

4.4 Culegerea și prelucrarea datelor 58

Concluzii 67

Bibilografie 68

Anexe 69

INTRODUCERE

Generatorul sincron domină tipurile de generatoare în sistemele de putere. Poate genera independent putere acitvă și reactivă și are rol important în controlul de tensiune. Procesul de sincronizare este făcut să țină sisteme de putere mari împreună. Viteza de rotație este ceea ce determină frecvența principală care este foarte aproape de cea nominală 50, 60 Hz.

Utilizarea computerelor în măsurare permite introducerea conceptului general de laborator virtual, ce se referă la realizarea sistemelor de măsurare prin combinarea hardware-ului de măsurare și a componentelor software pe o platformă de calcul, de tip desktop PC sau workstation.

Prin intermediul computerului laboratorul virtual permite datorită evoluției constante și structurii modulare, abordarea unitară a simulării, măsurării și monitorizării, și a controlului de timp real, într-o platformă unică software și hardware.

Încorporarea computerelor standard într-o arhitectură de măsurare permite accesul spre o procesare performantă a datelor, dublată de o stocare eficientă a acestora. Astfel, sistemul poate evolua și își poate modifica performanțele în timp, funcție de necesitățile utilizatorului, prin simpla modificare a componentelor software și hardware existente, față de soluția clasică, tradițională, unde este necesară înlocuirea completă, costisitoare.

Multe din sistemele de măsurare întâlnite în activitatea curentă conțin un singur computer. Realizările tehnologice din ultimii ani au determinat o serie de specialiști din domeniu să susțină că revoluția în domeniul computerelor se îndepărtează de la computer în sine spre rețea, unde computerul devine un nod, efortul deplasându-se spre partea de intercomunicare.

SCOPUL LUCRĂRII

Lucrarea urmărește studiul construcției mașinii sincrone, funcționarea ei în regimurile de generator autonom pentru mersul în gol, funcționarea în scurtcircuit, funcționarea în sarcină și determinarea reactanțelor longitudinală și transversală prin metoda alunecării pentru motorul sincron.

Se urmărește realizarea modelului matematic al mașinii, care va fi utilizat la realizarea simulărilor regimurilor de funcționare, pentru care se vor ridica caracteristicile corespunzătoare, respectiv, se vor determina reactanțele.

Modelul matematic va fi realizat pentru fiecare regim în parte, folosindu-se programul “Matlab – Simulink”.

Lucrarea va fi realizată și practic prezentându-se:

Schema electrică și modul de lucru

Standul experimental și poza standului

Achiziția de date folosind mediul de lucru “Labview”

Prezentarea instrumentului virtual

Realizarea în “Simulink” a programului pentru analiza datelor

Ridicarea caracteristicilor în urma prelucrării datelor

I. CONSTRUCȚIA ȘI REGIMURILE DE FUNCȚIONARE ALE MAȘINII SINCRONE

1.1. CONSTRUCȚIA MAȘINII SINCRONE

În construcția actuală, mașina sincronă realizată pentru a funcționa la frecvența industrială se compune din două parți principale: statorul, format din partea fixă, exteriorul și rotorul, așezat concentric în interiorul statorului și care constituie partea mobilă.

După poziția axei de rotație mașinile sincrone pot avea o construcție orizontală sau verticală. Tipul vertical este utilizat îndeosebi în cazul alternatoarelor acționate de turbine hidraulice, fiind denumite în acest caz hidrogeneratoare. Alternatoarele bipolare sunt de tip orizontal; pentru acționarea lor se utilizează turbine cu aburi și sunt denumite turbogeneratoare.

Caracteristicile constructive ale mașini sincrone sunt determinate în mod hotărâtor de factorii:

puterea mașinii și implicit de pierderi și deci de modul de realizare răcirii

de viteza de rotație a mașinii respective, a motorului primar și de tipul acestuia

regimul de funcționare pentru care este destinată mașina.

Deoarece mașina sincrona își are domeniul cel mai larg de utilizare ca generator trifazat în cele ce urmează ne vom referi mai ales la construcția generatoarelor sincrone trifazate.

a. Statorul la mașina sincronă de construcție normală reprezintă indusul mașinii și este format din miezul feromagnetic care poartă o înfășurare de curent alternativ polifazată, așezat în interiorul unei carcase de consolidare și protecție.

Miezul feromagnetic se execută din tole, ștanțate din tablă silicioasă normal aliată, laminată la cald sau texturată, de 0,5 mm grosime; tolele sunt izolate între ele cu o peliculă de lac izolant (lac de bachelită), sau printr-un strat de oxizi. De partea întrefierului, tolele reprezintă crestături de ghidare la procesul de împachetare; ele servesc totodată la fixarea pachetului de carcasă cu ajutorul unor pene. Tolele se împachetează în interiorul carcasei în pachete de aproximativ 5 cm grosime; intre pachete se prevăd canale radiale de răcire. Miezul feromagnetic se consolidează cu tolele marginale de 1…3 mm grosime și se răstrânge cu ajutorul unor plăci frontale din oțel masiv; miezul este presat cu o presiune de 50~250 N/cm pentru a se evita apariția vibrațiilor în timpul funcționării deoarece acestea pot provoca deteriorarea izolației înfășurări și miezului.

Înfășurarea statorului mașinii sincrone este repartizată (numărul de crestături pe pol și fază q>1) și se conectează la rețeaua electrică de curent alternativ. Înfășurarea se execută din conductor de cupru izolat cu hârtie, fibra de sticlă, micanită sau rașini sintetice în fucție de clasa de izolație a mașinii și de tensiunea nominală. La mașina sincronă trifazată, înfășurarea statorului se conectează în stea, pentru a se evita închiderea armonicilor curentului de ordin 3 și multiplu de 3, precum și apariția unor armonici de același ordin în curba tensiunii de fază.

Carcasa se execută din tole de oțel turnat (la mașinile mici), sau din tablă sudată de oțel (la mașinile de puteri mari și foarte mari). Carcasa poartă dispozitivele de fixare, pe fundație și dispozitivele de ridicare, cutia de borne a indusului și cutia de borne a inductorului, plăcuța indicatoare și scuturile frontale. La mașinile mijlocii scuturile îndeplinesc un rol de protecție; ele sunt prevăzute cu lagăre, iar unul dintre scuturi susține portperiile împreună cu periile de contact.

b. Rotorul mașinii sincrone de construcție normală, constituie inductorul mașinii sincrone și este format din miezul feromagnetic echipat cu o înfășurare de excitație.

După construcția miezului rotorului, se deosebesc mașini sincrone cu polii înecati și mașini sincrone cu polii ieșiti.

La mașina sincronă bipolară rotorul se execută cu polii înecații; miezul feromagnetic este construit dintr-un cilindru masiv de oțel care formează corp comun cu axul rotorului. În miez sunt frezate crestături radiale, repartizate uniform pe aproape 2/3 din periferia rotorului. Dacă se neglijează deschiderea crestăturilor din rotor, lărgimea întrefierului dintre stator și rotor este izotropă. Înfășurarea de excitatie este repartizată în crestăturile rotorului.

Figura: 1.1 Mașina sincronă cu poli înecați

La mașina sincronă multipolară (p>2), rotorul se execută cu polii aparenți. Miezul feromagnetic este format dintr-un jug masiv de oțel. La mașinile de turație ridicată miezul polilor inductori formează corp comun cu jugul inductor iar piesele polare sunt realizate din tole și sunt fixate de poli. La mașinile de turație joasă miezul polilor inductori formează corp comun cu piesa polară și sunt fixați de jugul inductor. Miezul polilor se execută din oțel masiv sau din tole. La motoarele sincrone mari, piesele polare se execută din oțel masiv.

La mașina cu polii aparenți, intrefierul dintre rotor și stator nu mai este constant; în dreptul polilor inductori întrefierul este mic, iar în spațiul dintre poli întrefierul este mult mai mare. Mașina sincronă cu polii aparenții este anizotropă, în ceea ce privește structura circuitului magnetic.

Figura: 1.2 Mașina sincronă cu poli aparenți

Înfășurarea de excitație este realizată din bobine concentrate așezate pe polii inductori; bobinele polare sunt conectate în circuitul înfășurării astfel încât să se obțină un inductor heteropolar; denumirea provine din faptul că la periferia rotorului polii de un nume alternează cu polii de nume contrar.

În piesele polare ale polilor ieșiti, executate din tole, se prevad crestături în care se așează o înfășurare în colivie; înfășurarea în colivie servește la pornirea motorului în asincron a motoarelor sincrone și la amortizarea pendulaților rotorului, fiind denumită și înfășurare de amortizare.

Pe axul rotorului sunt dispuse în general doua inele, la care se conectează capetele înfășurării de excitație; periile, care calcă pe inele, asigură legătura dintre sursa exterioară de curent continuu și înfășurarea de excitație.

Mașina sincronă se realizează uneori în construcția inversată cu indusul în rotor și polii inductori în stator, însă numai la puteri mici (păna la 100KVA).

c. Sistemele de răcire ale mașinilor sincrone – Mașinile sincrone de puteri foarte mici sub 5 KVA sunt răcite în general prin autoventilație în circuit deschis. Mașinile de puteri de până la 3 MVA se răcesc independent cu aer în circuit deschis cu aer filtrate în vederea curățirii acestuia de praf și umiditate.

Hidrogeneratoarele care sunt în general mașini foarte lente și dimensiuni mari au în general o răcire naturală. În cazul hidrogeneratoarelor de puteri foarte mari se aplică sisteme de răcire similare cu a turbogeneratoarelor.

Turbogeneratoarele de puteri mari pun probleme de racire care influențează sensibil construcția acestora.

În cazul tahogeneratoarelor de puteri ce nu depașesc 25 MVA se aplică răcirea cu aer în circuit închis, adesea realizându-se mai multe circuite independente de răcire indirectă și uneori directă.

În cazul turbogeneratoarelor de puteri mari se utilizează răcirea cu hidrogen în circuit închis indirectă și directă. Pentru evitarea pericolului de explozie în întreg spațiul prin care circulă hidrogenul se menține o presiune care e mai mare decât presiunea atmosferică. În acest fel nu este posibilă intrarea aerului în mașină. Micile pierderi de hidrogen prin neetanșeitățile mașinii sunt compensate cu hidrogen din butelii de rezrvă.

Prin utilizarea răcirii directe cu lichide atât în stator cât și în rotor se poate ajunge la construcții unor mașini sincrone de până la 1000 MVA. Depășirea acestei puteri unitare se prevede a cția inversată cu indusul în rotor și polii inductori în stator, însă numai la puteri mici (păna la 100KVA).

c. Sistemele de răcire ale mașinilor sincrone – Mașinile sincrone de puteri foarte mici sub 5 KVA sunt răcite în general prin autoventilație în circuit deschis. Mașinile de puteri de până la 3 MVA se răcesc independent cu aer în circuit deschis cu aer filtrate în vederea curățirii acestuia de praf și umiditate.

Hidrogeneratoarele care sunt în general mașini foarte lente și dimensiuni mari au în general o răcire naturală. În cazul hidrogeneratoarelor de puteri foarte mari se aplică sisteme de răcire similare cu a turbogeneratoarelor.

Turbogeneratoarele de puteri mari pun probleme de racire care influențează sensibil construcția acestora.

În cazul tahogeneratoarelor de puteri ce nu depașesc 25 MVA se aplică răcirea cu aer în circuit închis, adesea realizându-se mai multe circuite independente de răcire indirectă și uneori directă.

În cazul turbogeneratoarelor de puteri mari se utilizează răcirea cu hidrogen în circuit închis indirectă și directă. Pentru evitarea pericolului de explozie în întreg spațiul prin care circulă hidrogenul se menține o presiune care e mai mare decât presiunea atmosferică. În acest fel nu este posibilă intrarea aerului în mașină. Micile pierderi de hidrogen prin neetanșeitățile mașinii sunt compensate cu hidrogen din butelii de rezrvă.

Prin utilizarea răcirii directe cu lichide atât în stator cât și în rotor se poate ajunge la construcții unor mașini sincrone de până la 1000 MVA. Depășirea acestei puteri unitare se prevede a se realize prin utilizarea fenomenului de supraconductibilitate a metalelor care apare la temperaturi foarte joase, obținându-se așa numitele criomașini.

1.2 Regimurile de funcționare ale mașinii sincrone

Mașina sincronă ca orice mașină electrică este reversibilă, ea poate fi utilizată atât ca generator cât și ca receptor. Deoarece circuitul inductor și circuitul indus sunt complet independente este posibilă variația puterii active și variația puterii reactive a mașinii independent una față de alta. Rezultă de aici că mașina poate în principiu funcționa ca generator de putere activă cât și ca receptor de putere reactivă,adică ca motor și de asemenea ca generator de putere reactivă respecxtiv ca receptor de putere reactivă:

Funcționarea în regim de motor

Comparativ cu motorul asincron motorul sincron prezintă dezavantajul că pune probleme mai complicate la pornire și are o construcție mai complicată dar are marele avantaj că permite funcționarea la un factor de putere ridicat și reglabil reprezentând și funcționarea cu factor de putere capacitiv. În acționări în care se cere o viteză de rotație absolut constantă sau proporțională cu frecvența de alimentare motorul sincron este de neînlocuit.

Funcționarea în regim de compensator sincron

Mașina sincronă poate functiona și în acest regim de compensator sincron, în acest regim mașina efectuează un schimb principal de putere reactivă cu receptorul. De regulă compensatorul sincron debitează în rețea o putere reactivă.

Funcționarea mașinii sincrone ca generator

În acest caz mașina sincronă este antrenată de un motor primar la viteza de rotație care asigură obținerea frecvenței . În înfășurările induse se induc tensiuni elecromotoare și dacă mașina debitează pe o sarcină simetrică apar în înfășurări curenți care așa cum sa arătat determină apariția unui câmp învârtitor statoric cu aceași viteză de rotație ca și a rotorului. Câmpul magnetic învârtitor rotoric este realizat așadar pe cale mecanică prin învârtirea unei coloane de poli a unor electromagneți iar câmpul statoric apare ca rezultat a compuneri câmpurilor pulsatorii produse de curenții ce strabat cele m faze simetrice ale mașinii.

Polii celor doua câmpuri se cuplează magnetic apărând între fiecare pereche de poli o forță F de atracție care are o componentă tangențială Ft dirijată în sens invers sensului de rotație și o componentă Fr radială dirijată spre exterior. Perechile de forțe Ft corespunzătoare la doi poli rotorici diametral opuși determină apariția unor cupluri care se însumează dând cuplul rezultant al mașinii care în acest regim sens invers mersului de mișcare al rotorului. Forțele Ft și deci cuplul mașinii sunt proporționale cu marimea unghiului θ dintre axele perchilor de poli cuplați magnetic. Unghiul θ poartă denumirea de unghi intern sau unghiul de sarcină a mașinii sincrone. Forțele radiale rezultând două câte două se anuleză.

În acest fel mașina sincronă în regim de generator dezvoltă un cuplu rezistent denumit cuplu generator, absorbind energie mecanică prin arborele rotorului și debitând la borne energie electrică.

II. GENERATORUL SINCRON AUTONOM

Pentru aprecierea performanțelor unei mașini sincrone ca generator autonom și urmărirea funcționarii acestuia in regim simetric staționar se utilizeaza curbele numite caracteristici ale generatorului sincron.

2.1 CARACTERISTICILE GENERATORULUI SINCRON AUTONOM

Pot fi date sub formă de tabele sau grafice și reprezintă variația diferitelor mărimi funcționale ce intră în considerare în regimul dat, în funcție de una sau alta din acestea.

Caracteristica de mers în gol reprezintă variația tensiuni electromotoare E0 în funcție de curentul excitație la viteză de rotație constantă respectiv la frecvență constantă și curent de sarcină nul.

la n = ct și I = 0 (2.1.1)

Caracteristica de scurtcirtcuit reprezintă curentul de fază în infășurarea indusă legată în scurtcircuit în funcție de curentul de excitație la frecventă constantă.

la f =ct și U=0 (2.1.2)

Caracteristica de sarcină reprezintă tensiunea la borne U în funcție de curentul de excitație Ie la curent sarcină I = ct diferit de zero și la frecvență și factor de putere constante.

la I =ct , f =ct și cos φ =ct (2.1.3)

Caracteristica externă reprezintă tensiunea la borne în funcție de curentul de sarcină pentru curentul de excitație, frecvența și factorul de putere constante.

U =f(I) la , f =ct și cos φ =ct (2.1.4)

Caracteristica reglajului reprezintă curentul de excitație, în funcție de curentul de sarcină pentru tensiunea la borne, frecvența și factorul de putere constante.

la U =ct, f =ct și cos φ =ct (2.1.5)

2.1.1 Caracteristica de mers in gol reprezintă tensiunea electromotoare de mers gol E0 în funcție de curentul de excitație la frecvență constantă și curent de sarcină nul.

Ridicarea se face aducând mașina la viteza nominală de rotație deci asigurând obținerea frecvenței nominale și măsurând tensiunea U=E la bornele indusului când curentul de excitație variază continuu de la 0 la o valoare maximă .Prin varierea curentului de la valoarea la zero se obține o ramură superioară, ramură obținută prin creșterea curentului. Dacă în prealabil se variază curentul de câteva ori de la la – curba medie obținută din cele două ramuri trece prin origine. Această curbă medie se consideră a fi caracteristica de mers în gol a mașinii. Curba unică în unități relative se numește caracteristică generalizată sau caracteristică standard. Se consideră curentul nominal de excitație I curentul de excitație care la mersul în gol determină apariția la borne a tensiunii nominale.În general abaterea maximă a caracteristicilor reale de mers în gol față de cele generalizate nu depășește .

Figura : 2.1 Caracteristica de mers in gol

Figura : 2.2 Diagrama în planul complex

În figura 2.1 se dă caracteristica generalizată pentru turbogenerator curba 1 și hidrogeneratoare curba 2. La proiectare caracteristica de mers în gol se detemină prin calcul în funcție în general de solenație θ.

Pentru mersul în gol avem I=0 și deci Id =0 și Iq =0, tensiunea la borne va fi:

– Zdm (2.1.6)

– dacă înlocuim I cu Ie în expresia cuplului M (I=0) =se obtine expresia cuplului la în mersul în gol.

= (2.1.7)

2.1.2 Caracteristica de scurtcircuit. Înțelegem în general prin regim de scurtcircuit regimul în care la bornele generatorului este conectată o imopedanță nulă.Dacă scurtcircuitul apare când tensiunea este diferită de zero se spune că avem un scurtcircuit brusc.

Scurtcircuitul brusc produce un fenomen tranzitoriu care se manifestă în special printr-un șoc de curent în înfășurările scurtcircuitate .După un timp relativ scurt fenomenul tranzitoriu se amortizează se ajunge în regim de scurtcircuit permanent.

Scurtcircuitul poate fi simetric (trifazat) sau nesimetric (monofazat sau bifazat). În cele ce urmează vom analiza scurtcircuitul simetric permanent. Fenomenele sunt identice pe toate fazele. Este suficient sa referim la o singură fază.

În cazul generatorului sincron rezistența ohmică este neglijabilă față de reactanța înfășurări deci se poate considera că în circuit avem numai reactanța fazei. Curentul Isc rezultă deci decalat în urma tensiuni electromotoare Ecu un unghi . În funcționarea în scurtcircuit apare deci tensiunea electromotoare a reactanței longitudinale demagnetizate, care produce fluxul longitudinal demagnetizant . Curentul Isc din indus produce și fluxul de scăpări

Fluxul induce tensiune electromotoare iar fluxul de scapări, tensiuni electromotoare de scăpări .

Suma acestor două tensiuni electromotoare este acoperită de tensiuni electromotoare de mers în gol Eo. Avem deci:

(2.1.8)

În figura 2.3 este reprezentat în planul complex această ecuație. Rezultă deci:

I (2.1.9)

X-este reactanța longitudinală sincronă egală la mașinile cu poli înecați cu reactanța sincronă tranversală X

Figura : 2.3 Diagrama în planul complex

Fluxul rezultat la scurtcircuit reprezintă numai 25-20% din fluxul Φ0 deci mașina în scurtcircuit lucrează nesaturat.

Permeabilitatea magnetică de-a lungul axei longitudinale și deci reractanța X sunt constante. Caracteristica I va fi deci o linie dreaptă care trece prin origine.

Figura : 2.4 Caracteristica de mers în gol și cea de scurtcircuit

În figura 2.4 se reprezintă caracteristica de mers în gol E și caracteristica de scurtcircuit I.Valoarea reactanței X este:

X= (2.1.10)

Valoarea reactanței X obținută în acest fel este valoarea nesaturată a reactanței longitudinale.

Reactanța X se exprimă în unități relative sau în procente prin relația :

X= (2.1.11)

2.1.3 Caracteristica de sarcină inductiv (cosφ=0)

Figura : 2.5 Diagrama fazorială

În cazul sarcinei pur inductive tensiunea U rezultă în fază cu tensiunea electromotoare E (admițând R=0) și diagrama fazorială este cea din figura 2.5. Rezultă pentru I=In

de unde X= (2.1.12)

Trasând caracteristica de mers în gol E și caracteristica U=f(I pentru cosφ=0 obținem curbele 1 respectiv 2 din figura 2.6

Figura 2.6 Caracteristica de sarcină

Din figură rezultă valoarea saturată a reactanței sincrone longitudinale X= sau în unități relative X=.

Curba 3 din figura 2.6 reprezintă variația lui X în funcție de I reactanța sincronă tranversală. La mașinile cu poli înecați avem în general X. La mașinile cu poli aparenți avem < X.

2.1.4 Caracteristica externă – tensiunea la bornele mașinii sincrone care lucrează cu sarcină variabilă la curent de excitație și frecvențe constante variază în funcție de valoarea curentului de sarcină și de caracterul sarcinii. Caracteristica externă se definește a fi curba dată de ecuația U=f(I) pentru I=ct; φ=ct; f=ct.

În figura 2.1.8 se dau caracteristicile externe reale ale unui generator sincron pentru cosφ=1, cosφ=0,8 inductiv, cosφ=0,8 capacitiv și pentru cosφ=0 inductiv și capacitiv.

Figura : 2.7 Caracteristica externă

Este evident că scăderea mai accentuată a tensiunii U în cazul sarcini inductive față de cazul unei sarcini active și creșterea tensiunii în cazul unei sarcini accentuat capacitive se datoresc influenței fluxului de reacție longitudinal.

2.1.5 Caracteristica de reglaj – reprezintă variația curentului de excitație în funcție de curentul de sarcină la φ=ct și U=ct, f=ct. Înlocuind în relația de mai sus pe E în funcție de de E= se obține:

()=0 (2.1.15)

care în ipoteza ca U și φ sunt constante reprezintă o hiperbolă simetrică fată de axa absciselor. În figura 2.9 se reprezintă caracteristicile de reglaj pentru diferite valori a lui cosφ.

Figura 2.8 Caracteristica de reglaj

Și în acest caz este evidentă influența fluxului de reacție care spre exemplu în cazul unei sarcini inductive fiind un flux de reacție longitudinal antagonistpentru a fi compensat, deci a menține tensiunea constantă ,trebuie mărit curentul de excitație cu atât mai mult cu cât sarcina este mai mare.

Variația de tensiune la generatorul sincron – Tensiunea la bornele generatorului sincron în sarcină la excitație constantă scade sau crește după cum sarcina are un caracter inductiv sau capacitiv.

Dacă Ueste o tensiune nominală la sarcina nominală și U este tensiunea la mers în gol la aceeași excitație se definește ca variație de tensiune diferența: . Variația de tensiune se exprimă de obicei în procente: .

Pentru generatoarele sincrone normale prevăd o variație de tensiune maximă de 50% la cosφ=0,8 inductiv.

2.2 MODELUL MATEMATIC AL MAȘINII SINCRONE

Modelul matematic de tip circuit al mașinilor electrice constă din ecuațiile de tensiuni și relațiile dintre fluxuri și curenți la care se adaugă ecuația de echilibru a cuplurilor in cazul regimului de motor, respectiv ecuațiile pentru sarcină în cazul regimului de generator. Modelul se va dezvolta în teoria celor două axe (dq0).

Studiul proceselor tranzitorii în mașinile sincrone întâmpină dificultăți serioase, ca urmare a asimetriei magnetice și electrice a rotorului. În momentul perturbării regimului stabil de funcționare, apar atât componente alternative, cât și componente practic aperiodice ale curenților înfășurărilor mașinii, ce tind să păstreze neschimbate fluxurile înfășurărilor (la timpul t=0, înfășurările mașinii se comportă ca circuite supraconductoare).

Ca urmare a stabilirii curenților tranzitorii prin înfășurări, configurația câmpului magnetic în mașină în momentele ulterioare perturbării regimului stabil, se modifică și corespunzător se schimbăși parametrii mașinii.

În scopul evitării complicațiilor de calcul, studiul se va face pe baza următoarelor ipoteze:

repartiția sinusoidală a inducției magnetice pe pasul polar, adică considerarea tuturor înfășurărilor mașinii repartizate sinusoidal si introducerea rotorului de calcul cu interstițiul nemagnetic după axa longitudinală;

neglijarea saturației;

considerarea alături de inductivități și a rezistențelor înfășurărilor mașinii, constante și independente de temperatură sau efectul curenților turbionari;

se neglijează pierderile în fier.

În rotor, în afara înfașurării de excitație e, sunt prezente și înfășurări de amortizare constituite din bare scurtcircuitate, plasate în crestături practicate în tălpile polare; în prezența unor câmpuri magnetice variabile, în acestea se stabilesc curenți induși. Ele provin din transformarea unei colivii nesimetrice și fiind în scurtcircuit, rezultă:

uD = uQ = 0, (2.1.16)

și au parametrii diferiți, adică:

RD ≠ RQ,, LDσ ≠ LQσ (2.1.17)

Sistemul de axe de coordonate, deci sistemul de perii, este fix față de rotor, adică:

c=.

Fig. 2.9 Mașina sincronă

d – axa directă sau longitudinală, e – infășurarea de excitație,

q – axa transversală, D – infășurarea de amortizare longitudinală,

a,b,c – fazele infașurării statorice, Q – infășurarea de amortizare transversală.

Înfășurarea de excitație, e, este alimentată în curent continuu, parametrii acesteia sunt diferiți de parametrii celorlalte înfășurări, iar tensiunea la borne este diferită de zero.

Astfel modelul matematic al mașinii sincrone constă din ecuațiile de tensiuni:

(2.1.18)

ud, uq – tensiunile la bornele infășurărilor statorice de pe axa d, respectiv q;

unde ecuațiile fluxurilor sunt:

(2.1.19)

– inductivitatea proprie in axa directă

– inductivitatea proprie in axa transversală

– inductivitatea totală a circuitului de amortizare in axa directă

– inductivitatea totală a circuitului de amortizare in axa transversală

– inductivitatea totală a circuitului de excitație

Md – inductivitatea mutuală in axa directă

Mq – inductivitatea mutuală in axa transversală

Rs – rezistența statorică

Re – resiztența circuitului de excitație

RD – rezistența circuitului de amortizare D

RQ – rezistența circuitului de amortizare Q

Expresia cuplului electromagnetic este:

(2.1.20)

astfel ecuațiile tensiunilor devin:

Ecuațiile numărul (2.1.21)

2.3 DETERMINAREA PARAMETRILOR

Fluxurile in cele două axe:

Figura 2.10 Fluxul in axa directă Figura 2.11 Fluxul in axa transversală

In axa directă distingem urmatoarele fluxuri:

Φad – fluxul principal in toate infășurările D, d, e

Φσd, Φσe, ΦσD – fluxul asociat infășurărilor d, e, D

ΦσDe, ΦσDd – fluxul mutual intre D si e, respectiv D si d

In axa transversală distingem urmatoarele fluxuri:

Φaq – fluxul principal in infășurările q si Q

Φσq, ΦσQ – fluxul asociat infășurărilor q si Q

Schema echivalentă în axa directă:

unde s-au notat:

rs – rezistența statorică

xσd – reactanța statorica in axa directă

xad – reactanța de câmp directă

xσDe – reactanța mutuală intre amortizor si excitație

rD – rezistența infășurării de amortizare D

xσD – reactanța infășurării de amortizare D

re – rezistența infășurării de excitație

xσe – reactanța infășurarii de excitație

Schema echivalentă in axa transversală:

rs – rezistența statorică

xσq – reactanța statorică in axa transversală

xaq – reactanța principală transversală

rQ – rezistența infășurării de amortizare Q

xσQ – reactanța infășurării de amortizare Q

2.4 Determinarea reactanțelor xd si xq prin metoda alunecării

Se aplică generatorului neexcitat o tensiune redusă și se antreneaza rotorul cu ajutorul unui motor la o turație n cu câteva procente mai mică decât turația de sincronism n1 a câmpului învârtitor statoric. Rotorul mașinii sincrone va ocupa față de axa câmpului învârtitor statoric (numit câmp de reacție) pozițiile extreme când axa polilor inductori coincide cu axa câmpului de reacție statoric numit în acest caz longitudinal și când axa polilor inductori este perpendiculară pe axa câmpului de reacție statoric (numit în acest caz transversal). Se definește reactanța statorului ca suma dintre reactanța de dispersie xσ (determinată de componenta Φσ a câmpului statoric) și reactanța de reacție xa (determinată de fluxul de reacție statoric Φa).

x = xσ + xa. (2.1.22)

Cea de-a două componenta, xa diferă la cele două poziții mai sus prezentate, deoarece reluctanța circuitului magnetic este minimă în primul caz și maximă în cel de-al doilea. Rezultă deci valorile reactanțelor xd și xq:

xd = xσ + xad (2.1.23)

xq = xσ + xaq.

Neglijând rezistența infășurărilor statorului, valorile reactanțelor sincrone staționare vor fi date de raportul dintre tensiunea de fază și curent. Curentul va oscila între o valoare minimă corespunzatoare lui xd și una maximă corespunzatoare lui xq:

; . (2.1.24)

Reactanța tranzitorie directă xd’:

(2.1.25)

Reactanța subtranzitorie directă xd’’:

(2.1.26)

Reactanța subtranzitorie transversală xq’’:

(2.1.27)

Reactanța inversă x2:

(2.1.28)

Constante de timp ale infășurării:

de excitație (2.1.29)

de amortizare D (2.1.30)

de amortizare Q (2.1.31)

Constanta de timp tranzitorie directă Td’ (stator scurcircuitat):

(2.1.32)

Constanta de timpsubtranzitorie directă Td’’ (stator scurcircuitat):

(2.1.33)

Constanta de timp subtranzitorie directă Td0’’ (stator deschis):

(2.1.34)

Constanta de timp subtranzitorie transversală Tq’’:

(2.1.35)

3.1 SCHEMA ELECTRICĂ ȘI MODUL DE LUCRU

3.1.1 Schema de montaj

Figura 3.1 Schema electrică pentru determinarea reactanțelor și ridicarea caracteristicilor de mers în gol, de scurtcircuit și în sarcină

Figura 3.2 Schema electrică pentru ridicarea caracteristicilor externă și de reglaj

Poza standului experimental

În figura 3.1 avem:

Rp (75Ω/5A) rezistență de pornire

Rc (440Ω/43A) rezistența de câmp

K1, K2 contactoare

Q1, Q2 întrerupatoare manuale

Re rezistența de excitație

A1, A2 ampermetre

A1, A2, B1, B2 contactele motorului de curent continuu

M motor de curent continuu

MS masina sincronă

În figura 3.2 avem:

V1 voltmetru

A3 ampermetru

Hz frecvențmetru

Date nominale pentru cele două motoare:

Mașina de curent continuu: Mașina sincronă:

Pn = 4.6 KW Sn = 4.5 KVA

In = 24.5 A In = 6.5 A

Un = 220 V Un = 400 V

n = 1260 – 2500 rot/min n = 1500 rot/min

fn = 50 Hz fn = 50 Hz

Ucc = 110 V

3.1.2 Modul de lucru

a) Pentru ridicarea caracteristicii de funcționare în gol rotorul se aduce la turația de regim, prin antrnarea sa cu ajutorul unui motor de curent continuu cu excitație derivație. Cu întrerupătorul manual Q1 in poziția 2 și Q2 deschis, se crește progresiv curentul de excitație de la valoarea 0 până la valoarea pentru care la bornele generatorului sincron se măsoară o tensiune de circa 1,3 x Un, după care, acționând numai în același sens, se descrește curentul de excitație la valoarea 0. În consecință, caracteristica de funcționare în gol, ridicată experimental, prezinta o ramură pentru curent de excitație continu crescător și o ramură pentru curent de excitație continu descrescator. Se adoptă curba medie a caracteristicii de funcționare în gol ca medie a ordonatelor celor două ramuri. Această caracteristică medie se deplasează în originea axelor de coordonate.

b) Pentru ridicarea caracteristici în sarcină, la factor de putere inductiv, se conectează, prin întrerupătorul manual Q2, o sarcină inductivă constând dintr-o mașină de inducție trifazată cu rotorul bobinat funcționând în regim de bobină variabilă. Pentru I = constant, n = constant se ridică caracteristica:

c) Pentru ridicarea caracteristici de scurcircuit simetric permanent, infășurarea indusului se scurtcircuitează, prin inchiderea întrerupătorului manual Q1. Cu mașina antrenată la turația de regim se măsoară curentul de scurtcircuit corespunzător tensiunii electromotoare remanente, după care se închide contactorul K2 și se măreste, progresiv, curentul de excitație. Se obține caracteristica Isc în funcție de Ie.

d) Se determină sensul de mișcare al câmpului statoric. Se pornește motorul sincron în asincron, cu întrerupătorul Q1 închis în poziția 1 și se alimentează indusul mașinii sincrone cu tensiune redusă acționând contactorul electromagnetic K2. Se deschide Q1, se pornește motorul de curent contiuu cu reostatul Rp introdus, apoi se scoate treptat până se ajunge la o turație apropiată de cea a câmpului mașinii sincrone și în același sens cu aceasta. În această situație rotorul are o anumită alunecare fată de câmpul statoric iar polii acestuia trec prin cele două poziții limită, corespunzatoare reactanței longitudinale, respectiv transversale. Se notează valorile maxime și minime ale tensiunii și curentului măsurate la trusa de măsură. Se calculează reactanțele sincrone.

; .

e) Pentru ridicarea caracteristicii externe U = f (I), se aduce generatorul sincron la mersul în gol la parametrii nominali (Un, fn). Menținând constantă valoarea nominală a curentului de excitație astfel determinat, precum și pe cea a factorului de putere (sarcină pur ohmică), se mărește progresiv curentul de sarcină înregistrând valoarea tensiunii la borne.

f) Caracteristica de reglaj, reprezentând dependența Ie = f(I), se ridică aducând generatorul sincron la mersul în gol la parametrii nominali (Un, fn). Se mărește progresiv sarcina menținând constantă valoarea nominală a tensiunii la borne.

3.2 SIMULAREA REGIMURILOR DE FUNCȚIONARE ÎN PROGRAMUL „MATLAB – SIMULINK”

Simulările în programul Matlab-Simulink au fost realizate pe baza modelului matematic prezentat în capitolul II.1.2, parametrii folosiți fiind prezentați în anexa 4. Au fost realizate simulările pentru urmatoarele cazuri:

Regimul de motor pentru determinarea reactanțelor

Regimul de generator la funcționarea in sarcină

Regimul de generator la funcționarea in scurtcircuit

Regimul de generator la mersul in gol

3.2.1 Regimul de motor pentru determinarea reactanțelor

1. Structura modelului:

Diagrama de alimentare de la rețeaua trifazată conține trei elemente generatoare de semnal sinusoidal cu diferite proprietăți: amplitudine, frecventă și defazaj.

Figura 3.3 Diagrama Simulink a alimentării de la rețeaua trifazată

De asmenea mai conține trei ieșiri de tipul „out” si un bloc „scope” pentru a putea fi vizualizată forma de undă rezultantă.

Diagrama de transformare de axe din sistemul a,b,c în d,q a fost modelată după urmatoarele ecuații:

(3.1)

unde

Figura 3.4 Diagrama Simulink pentru transformarea din a,b,c in d,q

Diagrama de pornire în asincron simulează pornirea în asincron și are în componență două intrări (una aparținând tensiunii sursei iar a doua rezistenței de pornire), două blocuri de tip „switch” care servesc pentru comutarea la momentul dorit și două ieșiri.

Figura 3.5 Diagrama Simulink pentru pornirea în asincron

Diagrama ecuațiilor statorului format din blocurile celor două axe d si q. Modelul pentru axele d și q a fost realizat după prima respectiv a doua ecuație din setul de ecuații cu numărul (2.1.21).

Figura 3.6 Diagrama Simulink a statorului

Astfel pentru axa d avem ca intrări Ud, die, diD, iQ, iar ca ieșiri pe id și did. Pentru axa q intrările sunt Uq, diQ, iD, ie, iar ieșirile iq și diq.

Figura 3.7 Implementarea în Simulink a ecuației curentului id

Figura 3.8 Implementarea în Simulink a ecuației curentului iq

Diagrama excitației realizată după ecuația a treia din setul cu numărul (2.1.21), are ca intrări Ue, Rp, diD, did iar ca ieșiri ie respectiv die.

Figura 3.9 Implementarea în Simulink a ecuației curentului ie

Diagrama coliviei rotorice format din două blocuri ale excitației 1 și 2 a căror modelare s-a realizat după ecuațiile patru și cinci din setul cu numărul (2.1.21). Cele două diagrame determină de fapt curenții iD respectiv iQ.

Figura 3.10 Diagrama Simulink a coliviei rotorice

Figura 3.11 Implementarea in Simulink a ecuației curentului iD

Figura 3.12 Implementarea in Simulink a ecuației curentului iQ

Diagrama pentru determinarea cuplului electromagnetic, realizată după ecuația numărul (2.1.20), conține diagramele fluxurilor d respectiv q având ca intrări id, iq, ie, iD, iq iar ca ieșire cuplul electromagnetic. Cele două diagrame ale fluxurilor d respectiv q din interiorul diagramei cuplului electromagnetic au fost realizate după prima ecuație, respectiv a doua din setul de ecuații cu numarul (2.1.19).

Figura 3.13 Diagrama Simulink a cuplului electromagnetic

Ecuația mecanică:

Figura 3.14 Implementarea in Simulink a ecuației mecanice

2. Funcționarea modelului:

Determinarea reactanțelor se realizează prin metoda alunecării.

Se pornește motorul sincron în asincron cu ajutorul blocului de pornire în asincron și se alimentează indusul cu o tensiune redusă de 135 V. După 0.3 secunde se scoate reostatul de pornire Rp cu ajutorul switch-ului numărul 1 din circuitul de pornire în asincron, iar după un timp de 1.2 secunde cu ajutorul switch-ului din diagrama principală se trece pe o turație mai mică a motorului (simulând modificarea turației la arbore prin micșorarea turației de curent continuu). În această situație, rotorul are o anumită alunecare fată de câmpul statoric iar polii acestuia trec prin cele două poziții limită, corespunzatoare reactanței longitudinale, respectiv transversale.

Figura 3.15 Diagrama Simulink pentru determinarea reactanțelor

3. Rezultate si grafice

Figura 3.16 Variația curenților la simularea pentru determinarea reactanțelor

Pentru determinarea reactanțelor prin metoda alunecării se vor calcula valorile efective ale curenților in punctele de maxim si de minim. După implementarea datelor simulării in mediul Labview, s-a realizat un program pentru determinarea valorilor efective:

function calcul

load A1;

valef=[];a=-0.5-0.86*i;

for x=1:1:1000

c1=A1(x,3);

c2=A1(x,4);

c3=A1(x,5);

cef=2*(c1+a*c2+(a^2)*c3)/3;

cf=abs(cef);

valef=[valef cf];

end

save valef.mat valef;

Figura 3.17 Programul pentru determinarea valorii efective

După ce s-au calculat valorile efective ale măsurătorii s-au implementat următoarele comenzi pentru determinarea valorilor de minim respectiv maxim.

calcul

load valef

m=min (valef)

M=max (valef)

Figura 3.18 Comenzi pentru determinarea valorii de minim respectiv maxim

Figura 3.19 Rularea programului

După ce s-au calculat maximul și minimul se pot calcula reactanțele transversală, respectiv longitudinală cu formulele (2.1.24).

; .

rezultă

Ω Ω

Regimul de generator

Pentru modelarea regimului de generator s-a folosit același model matematic ca și pentru regimul de motor însă fără diagrama pentru alimentarea de la rețeaua trifazată, diagrama pentru pornirea în asincron, ecuația cuplului electromagnetic și ecuația mecanică.

3.2.2 Regimul de generator la mersul în gol

Structura modelului:

Figura 3.20 Diagrama Simulink pentru simularea la mers în gol

Funcționarea modelului:

Pentru a se putea simula funcționarea la mers în gol s-au inlocuit in ecuațiile statorului tensiunile ud si uq cu suma dintre rezistența statorului și o rezistență de sarcină foarte mare (6*104).

Pentru ridicarea sarcinii de mers in gol rotorul se aduce la turația de regim. Se crește progresiv curentul de excitație de la valoarea 0 până la valoarea pentru care la bornele generatorului sincron se măsoara o tensiune de circa 1.3 * Un după care actionând numai in același sens, se descrește curentul de excitație la valoarea 0. Caracteristica de funcționare în gol prezintă o ramură pentru curent de excitație continuu descrescător și o armură pentru curent de excitație continuu descrescător. Se adoptă curba medie a caracteristicii de funcționare în gol ca medie a ordonatelor celor două ramuri. Această caracteristică medie se deplasează în originea celor două axe.

Pentru simulare s-au luat valori ale rezistenței de pornire începând de la 0 până la 10, mergând din 2 în 2. Pentru fiecare valoare s-au înregistrat valori ale curentului de excitație și a tensiunii de mers în gol.

Rezultate si caracteristici

Tabelul 3.1 Rezultatele pentru mersul în gol

Figura 3.21 Caracteristica de mers în gol

3.2.3 Regimul de generator la funcționarea în scurtcircuit

1. Structura modelului:

Modelul pentru regimul de generetor la funcționarea în scurtcircuit are la bază ecuațiile (2.1.21) însă tensiunile ud și uq sunt nule.

Figura 3.22 Diagrama Simulink pentru funcționarea în scurtcircuit

2. Funcționarea modelului:

Pentru ridicarea caracteristicii de scurtcircuit înfășurarea indusului se scurtcircuitează, adică ud = uq = 0. Cu mașina antrenată la turația de regim se măsoară curentul de scurtcircuit corespunzător tensiunii electromotoare remanente după care se mărește progresiv curentul de excitație prin modificarea valorii rezisteței de excitație de la 5 la 10 Ω, obținându-se caracteristica .

3. Rezultate si caracteristici:

Tabelul 3.2 Rezultatele pentru funcționarea în scurtcircuit

Figura 3.23 Caracteristica de scurtcircuit

3.2.4 Regimul de generator la funcționarea in sarcină

Structura modelului:

Structura se bazeaza pe ecuațiile (2.1.21) dar tensiunile sunt înlocuite cu suma dintre rezistența statorică și rezistența de sarcină.

Figura 3.24 Diagrama Simulink a ecuației curentului id

Figura 3.25 Diagrama Simulink a ecuației curentului iq

Figura 3.26 Diagrama Simulink a statorului

Figura 3.27 Diagrama Simulink pentru funcționarea în sarcină

2. Funcționarea modelului:

Se ridică caracteristica , la i = constant, n = constant, modificând valoarea sarcinii.

3. Rezultate si caracteristici:

I = ct. = 0,73 A

Tabelul 3.3 Reultatele pentru funcționarea în sarcină

Figura 3.28 Caracteristica pentru funcționarea în sarcină

3.2.5 Caracteristica externă

Tensiunea la bornele mașinii sincrone care lucrează cu sarcină variabilă la curent de excitație și frecvențe constante variază în funcție de valoarea curentului de sarcină și de caracterul sarcinii. Caracteristica externă se definește a fi curba dată de ecuația U=f(I) pentru I=ct; φ=ct; f=ct.

Tabelul 3.4 Rezultatele pentru caracteristica externă

Figura 3.29 Caracteristica externă

3.2.6 Caracteristica de reglaj

Reprezintă variația curentului de excitație în funcție de curentul de sarcină la φ=ct și U=ct, f=ct.

Tabelul 3.5 Rezultatele pentru caracteristica de reglaj

Figura 3.30 Caracteristica de reglaj

IV. CULEGEREA ȘI PRELUCRAREA DATELOR FOLOSIND MEDIUL „LABVIEW”

4.1 Instrumentație virtuală

Termenul de “Instrumentație virtuală” a apărut odată cu ideea de a combina instrumentul programabil cu computerul standard. În noua generație de instrumentație, funcționalitatea este definită de către utilizator și nu de către producător. Impactul acestei tehnologii este resimțit în reducerea timpului alocat dezvoltării unui produs nou, combinat cu reducerea costurilor echipamentelor implicate în activitățile de proiectare/testare.

Se definește Instrumentul Virtual ca interfață software și/sau hardware adăugată computerului astfel încât utilizatorul să poată interacționa cu acesta în maniera în care ar fi instrumentul lui fizic, tradițional.

Instrumentația virtuală este strâns legată de software. Mediile software tot mai complexe permit elaborarea de aplicații sofisticate de măsurare și control, pretențioase din punctul de vedere al echipamentelor și aparaturii conectate la sistemele de calcul.

Soluțiile software pleacă de la implementări tradiționale, în care sursele sunt de tip text, până la abordări de dezvoltare grafică.

Ca utilizator, este foarte dificil să-ți dai seama de diferențele ce există între diferitele pachete de programe. Spre deosebire de hardware, unde se poate deschide cutia instrumentului sau a calculatorului pentru a vedea cum este construit, arhitectura software este foarte abstractă. Acest lucru este puțin hilar având în vedere că instrumentul virtual este de fapt definit în software și nu în hardware. De exemplu, dacă ne gândim la un calculator personal cu o placă de achiziție instalată în interior, ne punem întrebarea: ce instrument sau, mai degrabă, ce instrumente virtuale se pot realiza cu acest hardware? Răspunsul este simplu: orice instrument, unul general, spre exemplu, ce ar putea funcționa ca voltmetru, osciloscop, digitizor sau chiar analizor de spectru. Toate aceste personificări ale instrumentului utilizează același hardware, singura diferența fiind software-ul ce rulează pe hardware la un moment dat. Instrumentația virtuală promovează deci acest concept de instrument general, adaptabil cerințelor curente ale utilizatorului, ce folosește un cadru hardware fix și își definește personalitatea prin software-ul ce rulează pe acest hardware, la un moment dat.

În contrast cu aceasta filozofie, instrumentul tradițional, sau de cutie, reprezintă cea mai bună soluție a fabricantului pentru cerințele utilizatorului. Instrumentul tradițional este foarte bun în ceea ce știe să facă, în schimb nu i se pot adăuga funcții.

Dacă se dorește realizarea imediată a măsurătorilor, folosind exact oferta fabricantului, instrumentul tradițional rămâne soluția cea mai convenabilă în continuare.

Măsurătorile și soluțiile de automatizare bazate pe computer reprezintă mai mult decât simple soluții de măsurare. Soluțiile de măsură sunt definite în funcție de numărul de canale de intrare/ieșire, rata de eșantionare, rezoluția, rutinele de analiză disponibile, interfața utilizator.

Inima sistemului de control și măsurare îl reprezintă computerul. Computerul a susținut progresul în domeniul măsurării și automatizării în ultima decadă, estimându-se că în următorii 20 de ani calculatoarele vor atinge puterea de procesare a creierului uman, 20 miliarde de calcule pe secundă, deci există potențial suficient pentru creștere. Pe de altă parte, calculatoarele devin din ce în ce mai mici ca dimensiuni, deja având aplicații LabVIEW rulând pe instrumente portabile, pe dispozitive de tip Palm Pilot sau chiar pe traductoare inteligente. Calculatorul, datorită evoluției sale, scade costurile și îmbunătățește performanțele, permițând integrarea tehnologiilor la zi în aplicațiile de instrumentație.

Figura 4.1 arată evoluția instrumentației în ultimii 100 de ani. Instrumentele de măsură au folosit întotdeauna tehnologii larg răspândite, mai precis componente utilizate în fabricarea bunurilor de larg consum. În secolul al XIX-lea, mișcarea rotativă a ceasului era folosită în construirea de instrumente analogice. În anul 1930 a fost construit primul instrument electronic ce folosea tuburile cu vid din aparatele radio de la acea dată. Tehnologia de afișare introdusă de televizor a contribuit la apariția primelor osciloscoape și analizoare de semnal. Calculatorul personal este astăzi factorul motric în tehnologie, oferind viteză mare de calcul, prezentare, stocare și transmitere la distanță a datelor. Conceptul de Instrumentație Virtuală aduce instrumentul în interiorul calculatorului standard pentru a putea beneficia direct de calitățile acestuia.

Figura 4.1

Creșterea continuă a puterii de calcul a microprocesoarelor și răspândirea Internetului, sunt câteva elemente de evoluție în tehnologia de azi, urmărite cu interes pentru a vedea spre ce direcții va evolua instrumentația în viitor.

4.2 Instrumentația virtuală în culegerea de date

Obiectivul instrumentației virtuale este utilizarea computerelor de uz general într-o manieră care să preia prin mimetism interfața instrumentelor reale cu mijloacele de control și afișare aferente, la care să se adauge flexibilitatea și performanța aduse de software-ul ce rulează pe computer. Apariția acestui concept a fost determinată de limitările intrinseci ale oricărei arhitecturi de tip închis, reprezentate de instrumentele clasice, de cutie. Funcționalitatea acestora este definită de producător, limitând de la un punct posibilitățile de extindere a investigației sau a performanțelor pe care utlizatorul le poate dori la un moment dat. De asemenea, procesul de îmbunătățire (up-grade), ușor de realizat și ieftin la computer, este adesea dificil sau chiar imposibil de realizat la instrumentele clasice și totdeauna costisitor. Ideea de instrumentație virtuală pornește de la preluarea avantajelor sistemelor de calcul de tip personal din două rațiuni pur practice, legate de performanțe și posibilități, și de cost. Dezvoltarea fără precedent înregistrată în tehnologiile informatice au angrenat eforturi de cercetare considerabile, care se traduc prin cele mai spectaculoase progrese.

Figura 4.2 Elementele unui sistem de instrumentație virtuală

Dezvoltarea fără precedent înregistrată în tehnologiile informatice au angrenat eforturi de cercetare considerabile, care se traduc prin cele mai spectaculoase progrese înregistrate în domeniile de procesare de date, tehnica de calcul fiind unul din angrenajele principale ale economiei mondiale. Este evident că în acest fel sunt antrenate o serie de industrii complementare, care își susțin eforturile și își justifică existența în acest mod, în această categorie înscriindu-se și instrumentația. Mai mult, instrumentația oglindește gradul de dezvoltare tehnologică a unei societăți sau comunități la un moment dat. Trebuie subliniat că instrumentele virtuale nu vor înlocui niciodată instrumentele tradiționale, mai ales în domenii foarte specializate, soluțiile complementare bazate pe cele două platforme constituindu-se în cea mai productivă alternativă.

Efortul de cost fiind preluat de partea de computer, instrumentația virtuală aduce avantajele prelucrării datelor într-o manieră accesibilă unei mase mari de utilizatori, care profită de calitațile sistemelor de calcul – putere de procesare, afișare, transmitere de date. În figura 4.2 sunt prezentate elementele unui sistem de instrumentație virtuală, constând în trei elemente cheie: achiziție, analiză și prezentare.

4.3 Instrumente virtuale in LabView

LabVIEW – Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, a fost creat în 1986 în laboratoarele University of Texas la Austin, S.U.A, fiind dezvoltat astăzi de către National Instruments Corp. LabVIEW este o platformă de instrumentație virtuală foarte complexă, disponibilă pentru majoritatea sistemelor de operare, implementarea aplicațiilor realizându-se pe cale grafică. LabVIEW prezintă o serie de facilități care îl impun în fața altor produse similare, bazate pe programare grafică:

integrare superioară a funcțiilor I/O în domeniul culegerii de date

compilare cod, ceea ce duce la viteze de execuție similare cu aplicațiile dezvoltate în C, spre deosebire de alte aplicații cu implementare grafică, care sunt interpretate.

aplicații de timp real

management superior al memoriei

editor grafic încorporat, etc.

După cum a fost amintit anterior, pentru dezvoltarea de VI, pe lângă mediile de programare tradiționale, există soluții ce au la bază un limbaj grafic special dezvoltat pentru realizarea de instrumente virtuale. Cel mai popular limbaj grafic este LabVIEW. Pentru a crea un instrument virtual în LabVIEW, utilizatorul construiește mai întâi panoul frontal cu întrerupătoare, potențiometre, butoane, grafice etc. Panoul frontal servește ca interfață interactivă cu sistemul, cu ajutorul acesteia utilizatorul având acces la intrări și putând vizualiza ieșirile din sistem. Pentru a completa instrumentul virtual, utilizatorul construiește diagrama bloc, ce elimină limitările sintactice ale limbajelor tradiționale de programare. Blocurile funcționale, accesibile prin intermediul unor palete, sunt conectate între ele cu fire de legătură pentru a trece datele de la un bloc la următorul. Blocurile diferă ca funcționalitate, de la operații aritmetice simple la rutine de achiziții de date sau control de instrumente și rutine de operare cu fișiere.

Acest tip de programare mai este cunoscut ca “dataflow programming”, utilizarea lui fiind intuitivă deoarece diagrama bloc este metoda de exprimare cel mai des folosită de ingineri și cercetători. Aplicația poate fi astfel exprimată într-un mod logic, fără ca limbajul de programare să-i altereze modelul funcțional. Câștigul acestei abordări se concretizează prin faptul că sistemul devine prin definiție multitasking și poate rula thread-uri (canale) de execuție multiple, ce conțin mai multe instrumente virtuale (VI-uri) și alte aplicații. Acest mod de programare este avantajos pentru operații simultane însă programatorul va fi nevoit deseori să specifice ordinea de execuție. Limbajul de programare grafic oferă structuri ca FOR … NEXT, bucle WHILE, structuri CASE … ELSE și structuri tip secvență. Aceste structuri apar ca niște dreptunghiuri ce includ blocurile pe care le controlează. Adevărata putere a acestui sistem provine din modularitatea sa. Odată ce un program sau VI este implementat și depanat, poate fi incorporat într-un VI mai mare. Analog, în limbajele tradiționale este apelul de subrutină.

Astfel programatorul are o imagine globală asupra aplicației când deschide diagrama principală și poate merge mai jos în ierarhie pentru imagini mai detaliate a subprogramelor individuale, fiecare din ele având propriul panou frontal. Mediul de programare grafică este dotat cu facilități de depanare ca rulare pas cu pas, breakpoint și probe, care permit programatorului să vizualizeze datele pe măsură ce se deplasează de-a lungul firelor când aplicația rulează. Acest mod de abordare conduce la timpi de dezvoltare mai reduși. Dacă este compilată, aplicația rulează la viteze comparabile cu aplicațiile realizate cu limbaje tradiționale. Metodologia programării grafice se potrivește foarte bine cu caracteristicile de instrument virtual, LabVIEW fiind considerat limbajul de-facto, standard, pentru dezvoltare instrumentației bazată pe calculator.

4.4 Culegerea și prelucrarea datelor

1. Componentele utilizate la achiziția de date:

Placa de achiziție conține traductori de tensiune și de curent, a căror funcționare se bazează pe efectul Hall. La traductorii folosiți pentru măsurarea tensiuni, curentul trebuie să fie proporțional cu tensiunea achiziționată iar pentru acest lucru curentul trebuie sa treacă printr-un resistor înseriat cu circuitul primar al traductorului, după cum se poate observa în schema de mai jos.

Figura 4.3 Schema de conectare a traductoriilor

Avantajele principale ale traductorilor sunt: precizie, acuratețe, timp de raspuns mic, imunitate la perturbațile din exterior și plajă de valorii mare.

Calculatorul conține placa de achiziție de date și mediul de programare LABVIEW. Placa de achiziție de date este componenta de bază a sistemului de achiziție. Aceasta face legatura directă cu calculatorul personal fiind prevazută cu intrări și ieșiri analogice, digitale și de timp ceea ce conferă o multifuncționalitate a acesteia, deci un câmp larg de aplicații. Placa de achiziție de date este de tipul PCI-MIO-16E-4, produsă de National Instruments, SUA, având următoarele caracteristici tehnice, utilizate efectiv la achiziție:

Frecvența de achiziție: 1.25 MS/sec

Intrări analogice: 8 diferențiale, 16 masă comună

Rezoluție convertor A/D: 12 biți

Figura 4.4 Placa de achiziție PCI-MIO-16E-4

După cum se observă placa conține o combinație de convertoare (CDA și CAD), linii I/O digitale și numărătoare. Convertoarele măsoară și generează semnale analogice, liniile I/O digitale sesizează și controlează semnalele digitale, frecvențmetrele masoară frecvența, durata, pauza impulsurilor și generează semnale ceas.

Placa de achiziție funcționează pe baza a două tipuri de aplicații software:

Driverul de achiziție date NI-DAQ 6.5.0, produs de National Instruments, livrat odată cu interfață, având rolul de a asigura suportul pentru funcțiile I/O ale plăcii

Aplicația program, realizată de utilizator, care asigură preluarea datelor în mediul grafic de dezvoltare LabVIEW și care permite pe lângă integrarea rutinelor de achiziție de date, implementarea funcțiilor de analiză spectrală.

Descrierea procesului de achiziție de date:

Măsurarea mărimilor electrice, curenți respectiv tensiuni, se realizează pe baza unui sistem de achiziție de date, compus dintr-o placă multifuncțională de achiziție de date, produsă de National Instruments ce se găsește în interiorul computerului sau cu ajutorulul PXI, si o trusă de achiziție care conține traductorii de măsură ai curentului și tensiunii. Traductorii pentru curent și tensiune funcționează pe baza efectului Hall, fiind foarte utili datorită caracteristicilor liniare în frecvență.

Figura 4.5 Panoul frontal al VI cu care analizăm forma de undă

Figura 4.6 Diagrama bloc a VI cu care analizăm forma de undă

Panoul frontal constituie interfața operator-calculator, practic calea de comunicație între utilizator și computer. Prin intermediul mărimilor de control se parametrizează programul, mai concret numărul de eșantioane, frecvența de citire a acestora, unitatea de măsură în care să se efectueze afișarea, după ce evident datele au fost culese și scalate, precum si tipul de dispunere al scalei de măsura, logaritmic sau liniar. Odată ce aceste elemente au fost precizate, se poate trece la analiza datelor.

Mai sus este prezentat panoul frontal al aplicatiei. Prima rutină este cea de culegere a datelor, care necesită ca date de intrare următoarele informații:

Placa de achiziție pe care se efectuează culegerea de date. În mod normal, valoarea este 1, dar în cazul cand avem mai multe plăci în același computer, valoarea se schimba in funcție de placa implicată în proces.

Canalul de achiziție. Placa are disponibile 16 canale de intrare, care permit achiziționarea simultană a cel mult 16 mărimi. Utilizatorul poate opta pentru oricare dintre ele.

Numărul de eșantioane. Acest număr trebuie corelat cu procesarea ulterioară. Eșatioane puține înseamnă viteză mare de procesare dar conținut în informație redus. Eșantioane multe înseamnă volum mare de date, timp redus de procesare. În general se caută să se obțină un compromis între numărul de eșantioane și frevența de achiziție, în funcție de conținutul în armonici al semnalului de analizat.

Rata de eșantionare care reprezintă numărul de eșantioane pe secundă.

Achizitia datelor s-a realizat ținând cont de urmatoarele valori ale parametrilor:

1) numărul de eșantioane: 1000

2) rata de eșantionare: 1000

Pentru a afla valoarea reală a curentului și a tensiunii reprezentate trebuie să înmulțim cu 1/01 valoarea curentului și cu 1/00526 valoarea tensiunii. Aceștia sunt coficienții dați de traductorii din trusa de masură.

Am realizat achiziția pentru următoarele regimuri de funcționare:

mers în gol (crescător și descrescător)

scurtcircuit

sarcină inductivă

caracteristica de reglaj (inductiv)

caracteristica externă (inductiv și ohmic).

În urma achiziției datele au fost prelucrate dupa modelul de mai jos și transpuse în caracteristici:

>> Ugen0=total(:,3)/0.00526

Ugen0 =

99.5133

133.7406

178.1181

196.1593

208.1160

240.3892

253.1139

267.4559

280.3625

>> iex0=total(:,4)*10;

>> plot(iex0,Ugen0);grid

>> mersgolcres=[Ugen0 iex0]

mersgolcres =

99.5133 0.3437

133.7406 0.5043

178.1181 0.7349

196.1593 0.8367

208.1160 0.9274

240.3892 1.1718

253.1139 1.3094

267.4559 1.4764

280.3625 1.7196

>> save mersgolcres.mat mersgolcres

Diferențele de valori dintre cele două seturi de caracteristici (cea rezultată în urma simulărilor și cea rezultată din urma achiziției de date) se datorează faptului că parametrii cu care s-au lucrat sunt diferiți. Astfel pentru simulare parametrii sunt dați în Anexa 4, iar cei pentru achziție nu s-au masurat, interesându-ne în special forma de undă.

3. Caracteristici rezultate în urma achiziției

Caracteristica de mers în gol – Caracteristica de funcționare în gol prezintă o ramură pentru curent de excitație continuu descrescător și o armură pentru curent de excitație continuu descrescător. Se adoptă curba medie a caracteristicii de funcționare în gol ca medie a ordonatelor celor două ramuri. Această caracteristică medie se deplasează în originea celor două axe.

crescător

b) descrescător

Caracteristica de scurtcircuit Isc = f (Ie)

Caracteristica de sarcină U = f(Iex)

Caracteristica de reglaj (inductivă) Iex = f(I)

Caracteristica externă U = f(I)

ohmică

inductivă

CONCLUZII

Scopul lucrării a fost atins.

Utilizarea simulăriilor în domeniul mașinilor electrice și a acționărilor electrice prezintă o serie de avantaje:

formele de undă rezultate din simulare pot fi ușor monitorizate și analizate înlocuind măsurătorile clasice supuse erorilor și perturbațiilor;

pot fi ușor testate noi concepte de circuit și variații ale parametrilor de circuit;

poate optimiza obiectivele de performanță propuse prin simulări pe un număr mare de variabile;

permite studierea regimurilor de funcționare ale mașinilor electrice și realizarea unei comparații pe baza rezultatelor obținute în urma simulărilor și rezultatelor grafice;

Laboratoarele virtuale oferă, pe baza animațiilor și programelor utilizate, controlul asupra mărimilor și modelelor, totodată oferind și analiza precisă și exactă a fenomenelor fizice care stau la baza modelului studiat.

Laboratorul este un element important în pregătirea studenților. Laboratoarele virtuale și rețelele de calculatoare oferă sudentului posibilitatea simulării lucrărilor de laborator facilitând efortul studentului și totodată oferind control asupra experimentului chiar și pentru învățământul la distnță.

BIBLIOGRAFIE

[1] „Mașini și acționări electrice” – Birό Károly; Editura Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1987

[2] „Mașini în acționări electrice” – Aurel Câmpeanu, Vasile Iancu, Mircea M. Rădulescu; Editura Scrisul Românesc, Craiova, 1996

[3] „Mașini și acționări electrice” – I. A. Viorel, V. Iancu; Editura Institutul Politehnic Cluj-Napoca, 1990

[4] „Mașini electrice în sisteme de acționare” – Ioan Adrian Viorel, Radu Cristian Ciorba; Editura U.T.Pres Cluj-Napoca, 2002

[5] „Introducere în programare grafică instrumentală” – Horia Hedeșiu, Radu Munteanu, Editura Mediamira , 2003

[6] „Sisteme ierarhizate de control secvential” – Horia Hedeșiu, Editura Mediamira , 2003

[7] “LabVIEW Data Logging and Supervisory Control Course Manual” – National Instruments Corp, March 2001 Edition, Austin, TX

ANEXA 1

Fișierele în care au fost salvate datele în timpul achizițiilor de date și pe baza cărora s-au efectuat caracteristicile.

Canalele pe care s-a lucrat sunt 13 pentru curentul de excitație, 5 pentru tensiunea generatorului, 12 pentru curentul generatorului.

Valorile pentru mersul în gol:

-crescător

Canalul 5 13

5.234401E-1 3.437271E-2

7.034754E-1 5.042719E-2

9.369013E-1 7.348900E-2

1.031798E+0 8.366867E-2

1.094690E+0 9.274491E-2

1.264447E+0 1.171827E-1

1.331379E+0 1.309367E-1

1.406818E+0 1.476365E-1

1.474707E+0 1.719599E-1

-descrescător

1.489212E+0 1.758703E-1

1.454366E+0 1.612220E-1

1.352042E+0 1.270427E-1

1.226122E+0 1.027837E-1

1.085133E+0 8.404681E-2

1.014609E+0 7.810135E-2

8.426550E-1 5.866999E-2

6.077282E-1 3.906250E-2

4.682193E-1 2.916678E-2

3.584400E-1 1.953125E-2

ANEXA 2

Valorile pentru funcționarea în scurtcircuit:

Canalul 5 12 13

4.539624E-2 2.156329E-1 3.044855E-2

5.376019E-2 2.627250E-1 3.987497E-2

6.257968E-2 3.121668E-1 4.922374E-2

7.244537E-2 3.662648E-1 5.933993E-2

8.035231E-2 4.115708E-1 6.771336E-2

9.008902E-2 4.665544E-1 7.863830E-2

9.851623E-2 5.174795E-1 8.794906E-2

1.067963E-1 5.682299E-1 9.737300E-2

1.101135E-1 6.021329E-1 1.040875E-1

Valorile pentru funcționarea în sarcină:

Canalul 5 13 12

1.622158E-1 5.758366E-2 2.855512E-1

3.192860E-1 7.334352E-2 2.927142E-1

5.397440E-1 9.447176E-2 2.991252E-1

7.587354E-1 1.163863E-1 2.957479E-1

9.665652E-1 1.404790E-1 2.987089E-1

1.197020E+0 1.811140E-1 3.019175E-1

Valorile pentru caracteristica de reglaj:

Canalul 5 12 13

7.291301E-1 1.695256E-1 9.276868E-2

7.365303E-1 2.280657E-1 1.025200E-1

7.352521E-1 2.812495E-1 1.129615E-1

7.362485E-1 3.915366E-1 1.360361E-1

7.432219E-1 4.983631E-1 1.601248E-1

7.387436E-1 5.641796E-1 1.750489E-1

7.431412E-1 5.810924E-1 1.775743E-1

ANEXA 3

Valorile pentru caracteristica externă (inductiv):

Canalul 5 12 13

7.994319E-1 1.869715E-1 1.040723E-1

6.954808E-1 2.581881E-1 1.036825E-1

6.212803E-1 2.979886E-1 1.035638E-1

5.245498E-1 3.564022E-1 1.038504E-1

4.399665E-1 4.024314E-1 1.040627E-1

3.402083E-1 4.549477E-1 1.038852E-1

2.643703E-1 4.972186E-1 1.037578E-1

Valorile pentru caracteristica externă (ohmică):

Canalul 5 12 13

1.130677E+0 4.618144E-2 1.065066E-1

1.121265E+0 6.378344E-2 1.057434E-1

1.098582E+0 1.388852E-1 1.055007E-1

1.066885E+0 2.015215E-1 1.055736E-1

1.037763E+0 2.585925E-1 1.052673E-1

ANEXA 4

Valorile parametrilor folosiți la simularea în „Matlab – Simulink”.