Schema Electrica de Automatizare la Actionari Electrice Avansate

=== d2969c0d47372ce799f75c90be3c33b8a87ade09_412748_1 ===

UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ NAPOCA

CENTRUL UNIVERSITAR NORD BAIA MARE

Facultatea de inginerie

Studii universitare de master

Specializarea: Inginerie si management in domeniul electric

Schema electrică de automatizare la Acționări electrice avansate

AUTOMATIZAREA CONTROLULUI TENSIUNII FAZEI AUXILIARE A MOTORULUI ASINCRON MONOFAZAT

Coordonator:

Conf univ dr.ing Horgos Mircea

Student:

Canta Vlad Stefan

IMDEL II

2017

AUTOMATIZAREA CONTROLULUI TENSIUNII FAZEI AUXILIARE A MOTORULUI ASINCRON MONOFAZAT

1. Principiul metodei

Principiul controlului automat al tensiunii fazei auxiliare a unui motor asincron monofazat este ilustrat în Fig. 1.

Fig. 1. Controlul automat al tensiunii de alimentare a fazei auxiliare

pentru un motor asincron monofazat.

Controlul automat al tensiunii de alimentare a fazei auxiliare ilustrat în figura de mai sus se realizează prin modificarea automată a amplitudinii și a fazei tensiunii cu care este alimentată înfășurarea de fază auxiliară a motorului.

Reglarea vitezei se obține prin modificarea valorii cuplului electromagnetic. Valoarea cuplului electromagnetic se poate modifica prin controlul amplitudinii și a fazei tensiunii de alimentare a înfășurării fazei auxiliare a motorului asincron monofazat, în timp ce înfășurarea fazei principale a mașinii rămâne conectată la rețeaua monofazată [1]. S-a demonstrat că prin modificarea fazei tensiunii de alimentare a fazei auxiliare a motorului asincron monofazat se poate obține un control semnificativ asupra cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină. Prin acesta se poate controla cuplul de pornire și de funcționare în diverse condiții de sarcină, se poate obține inversarea sensului de rotație și se poate controla funcționarea în regim de frână electromagnetică.

Faza auxiliară a motorului monofazat este alimentată de la un invertor PWM realizat cu tranzistoare IGBT. Semnalele de comandă în bază necesare invertorului se obțin la ieșirea buclei de reglare automată a vitezei (ieșirea generatorului de impulsuri). Bucla de reacție este compusă dintr-un traductor de turație, un comparator, un regulator PID și un generator de impulsuri PWM de la care se obțin impulsurile de comandă pentru contactoarele statice care compun invertorul. Invertorul este alimentat de la un redresor necomandat, prin intermediul căii de curent continuu formată dintr-o inductanță și o capacitate de netezire. Atât redresorul necomandat cât și faza principală a mașinii sunt alimentate de la aceeași rețea monofazată de tensiune alternativă.

2. Modelul Matlab – Simulink

Modelul Matlab – Simulink din Fig. 2 permite modelarea și simularea funcționării motorului asincron monofazat a cărui viteză este reglată automat prin controlul tensiunii aplicate înfășurării fazei auxiliare.

Modelul utilizează următoarele blocuri funcționale puse la dispoziție de pachetul Simulink SimPowerSystems:

Blocul “Motor asincron monofazat cu fază auxiliară”, a cărui structură modelează o mașina asincronă monofazată și care permite particularizare prin introducerea parametrilor motorului utilizat în modelul considerat.

Blocul “Redresor”, care modelează un redresor monofazat dublă alternanță necomandat (cu diode).

Blocul “Invertor IGBT”, care modelează un invertor realizat cu tranzistoare IGBT de putere.

Blocurile “Rampă” și “Satutație” care simulează evoluția în formă de rampă limitată la o anumită valoare a cuplului de sarcină.

Fig. 2. Modelul Matlab – Simulink al sistemului de control automat al tensiunii

de alimentare a fazei auxiliare.

Redresorul, invertorul și calea de curent continuu reprezentată prin inductanța L1 conectată în serie și capacitatea C1 conectată în paralel constituie în ansamblu convertorul static tensiune – frecvență, care are rolul de a alimenta cu tensiune de amplitudine și fază variabile a înfășurării fazei auxiliare a motorului.

Bucla de reacție în funcție de viteză conține blocul “Traductor de turație”, care are rolul de a calcula valorile de referință ale amplitudinii și fazei tensiunii de alimentare a fazei auxiliare. Pe lîngă acest bloc, bucla mai conține blocul “Comparator”, cu rolul de a compara valrile reale și cele de refeință ale parametrilor tensiunii fazei auxiliare, blocul “Regulator PID” și blocul “Generator PWM”, care are rolul de a produce impulsuruile de comandă în baza tranzistoarelor IGBT care compun invertorul PWM.

Controlul amplitudinii și a fazei tensiunii de alimentare a fazei auxiliare realizează și atenuarea riplurilor cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină pentru toate punctele de funcționare. Obținerea unui cuplu electromagnetic cât mai neted are o importanță deosebită în funcționarea motorului asincron, în special în cazul în care acesta este comandat de la un convertor static de tensiune – frecvență.

3. Rezultatele simulării

Derularea oprerației de simulare impune în primul rând stabilirea parametrilor mașinii asincrone monofazate, în cadrul blocului funcțional “Motor asincron monofazat cu fază auxiliară”. Valorile parametrilor motorului asincron monofazat cu fază auxiliară sunt prezentați în Fig. 3.

Parametrii rotorului sunt raportați la stator, din care cauză în această figură sunt notați cu indicele “prim”. Este și motivul pentru care unul dintre parametrii mașinii din Fig. 3 este raportul dintre numărul de spire al înfășurării auxiliare NS și al înfăsurării auxiliare Ns.

Fig. 4. Parametrii traductorului de viteză.

Fig. 3. Parametrii motorului asincron monofazat.

După cum se poate remarca în Fig.3, s-a considerat în ecuația mecanică a sistemului că valoarea coeficientului de frecare este zero, iar viteza inițială a rotorului este și ea zero, ceea ce înseamnă că motorul pornește din repaus. În Fig. 4 sunt prezentați parametrii traductorului turație – tensiune. Parametrii regulatorului PID sunt prezentati în Fig.5.

Motorul pornește inițial (t = 0) cu la gol (cuplu de sarcină nul. Odată ce ajunge în regim staționar, la momentul t = 0,8 s cuplul de sarcină crește liniar până la valoarea sa nominală de 1 Nm în timp de 0,5 s. Evoluția în timp a cuplului de sarcină este prezentată în Fig. 6.

Fig. 6. Evoluția cuplului de sarcină în timp.

Fig. 5. Parametrii regulatorului PID.

Datorită creșterii cuplului rezistent la arbore, pentru a se manține viteza aproximativ constantă, este necesar sa crescă și cuplul electromagnetic dezvoltat de mașină. Acest lucru se petrece datorită modificării parametrilor tensiunii de alimentare a fazei auxiliare în urma controlului automat realizat de bucla de reglaj în funcție de viteză, În Fig.7 se prezintă evoluția in timp a cuplului dezvoltat de mașină în comparație cu cuplul de sarcină.

Fig. 7. Evoluția în timp a cuplurilor electromagnetic și de sarcină.

Cuplul electromagnetic dezvoltat de masină, având forma celui prezentat în Fig. 7, va determina o viteză a rotorului a cărei evoluție în timp va fi de forma celei prezentate în Fig. 8.

Fig. 8. Evoluția vitezei rotorului în timp.

Controlul amplitudinii și a fazei tensiunii de alimentare a fazei auxiliare prin bucla de reacție în funcție de viteză demonstrează că riplul cuplului electromegnetic în regim stationar de sarcină nominală ( t > 1,6 s și v = 1735 rot/min) este suficient de mic pentru a nu afecta forma vitezei. Acest lucru se poate observa în Fig. 9, prin utilizarea unei lupe de timp și amplitudine din Fig. 7. În Fig. 10 se prezintă tensiunea de referință de la ieșirea traductorului de turație. Aceasta tensiune va fi comparată cu tesiunea de la bornele înfășurării auxiliare, iar semnalul rezultant va constitui intrarea regulatorului PID. Regulatorul transformă semnalul sinusoidal într-un semnal tratezoidal care va alimenta la rândul sau generatorul de impulsuri PWM.

Fig. 9. Riplul redus al cuplului electromagnetic în regim

staționar.

Fig. 10. Tensiunea de referință de la ieșirea traductorului de turație.

Forma semnalului de la ieșirea regulatorului PID este ilustrată în Fig. 11, iar forma semnalului de comanda în bază, în Fig. 12.

Fig. 11. Semnalul de la ieșirea regulatorului PID.

Fig. 12. Semnalele de comandă în

bază pentru tranzistoarele IGBT.

În Fig. 13 se prezintă tensiunile aplicate celor două faze ale motorului asincron monofazat, iar în Fig. 14 se pot observa curenții care străbat aceste două înfășurări ale mașinii. Curenții sunt defazați cu π/2 radiani electrici, iar raportul dintre amplitudinile lor este egal cu raportul N dintre numerele de spire ale celor două înfășurări: principală și auxiliară.

Fig. 13. Tensiunile de alimentare ale celor două faze.

4. Concluzii

Modelarea și simularea sistemului de acționare cu reglare automată a vitezei printr-o buclă de reacție închisă permite stabilirea configurației optime necesare unui anumit regim de sarcină și de supraîncărcare, atât a sistemelor electromagnetice (în cazul de față motorul asincron monofazat) cât și în cazul echipamentelor electronice și în special a echipamentelor electronice de putere (redresoare, invertoare) care sunt cele mai solicitate în regimurile tranzitorii de funcționare. În plus realizează stabilirea parametrilor optimi ai componentelor care alcătuiesc bucla de reacție, în scopul obținerii performanțelor dorite ale acționării în discuție.

5. Bibliografie

[1]. COLLINS, E.R., PUTTGEN, H.B., and SYLE, W.E.”Single-Phase Induction Motor Adjustable Speed Drive: Drive Phase Angle Control Of the Auxiliary Winding Supply”. IEEE® Industrial Application Society annual meeting conference records, pp.246-252.

[2]. ***, Documentație Matlab/Simulink.