Sistem DE Actionare Electrica Reglabila CU Cascada Asincrona, CU Dispozitive Semiconductoare

CUPRINS

CAPITOLUL 1. Generalități

CAPITOLUL 2. Partea de forță

CAPITOLUL 3. Alegerea și dimensionarea componentelor

schemei

3.1 Dimensionarea redresorului cascadei

3.2 Dimensionarea invertorului

3.3 Verificarea la încălzire a dispozitivelor

semiconductoare

3.4 Calculul variatorului de tensiune continuă

CAPITOLUL 4. Procedee de pornire

CAPITOLUL 5. Aspecte privind îmbunătățirea factorului de

putere

CAPITOLUL 6. Domeniul de utilizare a unei cascade

subsincrone

CAPITOLUL 7. Concluzii

CAPITOLUL 8. Bibliografie

Pagini 75

=== SISTEM DE ACTIONARE ELECTRICA REGLABILA CU CASCADA ASINCRONA, CU DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE ===

CAPITOLUL 1 Generalități

În cazul motorului asincron cu rotorul bobinat, reglarea vitezei și factorului de putere se poate obține dacă acest motor se cuplează electric prin intermediul inelelor colectoare cu o sursă externă de tensiune electromotoare suplimentară variabilă, de putere mai mică, caracterizând astfel acționarea electrică cunoscută sub denumirea de cascadă asincronă.

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

Datorită posibilității de recuperare a energiei de alunecare a motorului asincron, cascada asincronă este economică, în general, pentru acționarea reglabilă a turbomașinilor de putere medie și mare (P200 Kw) care necesită un domeniu de reglare a vitezei de rotație relativ îngust (n1:2).

Funcționarea cuplajelor în cascadă se bazează pe principiul introducerii unei tensiuni electromotoare suplimentare variabile în circuitul rotoric al motorului asincron și constă în interacțiunea dintre tensiunea electromotoare introdusă și tensiunea electromotoare principală a rotorului. Pentru ca cele două tensiuni electromotoare să acționeze reciproc se impune ca frecvența tensiunii electromotoare principale să fie egală cu frecvența tensiunii suplimentare în oricare condiții de funcționare.

Pentru cascada asincronă cu mutatoare (redresoare, invertoare și convertoare), tensiunea electromotoare este introdusă în circuitul rotoric cu ajutorul unui convertor de frecvență static, compus din mutatoare.

În cazul cascadei asincrone cu mașini electrice și mutatoare curentul rotoric se redresează cu un mutator, iar în circuitul curentului redresat se introduce o tensiune electromotoare obținută de la o mașină de curent continuu.

Prin introducerea unei tensiuni electromotoare suplimentare se obține reglarea vitezei și factorului de putere ale motorului asincron.

Tendința înlocuirii mașinilor electrice în schemele cascadelor cu mașini electrice și mutatoare a condus la realizarea cascadelor pure, echipate numai cu mutatoare (mutatoarele cuprind: redresoarele, invertoarele și convertoarele). Aceste cascade, în special cele cu mutatoare cu semiconductoare, au produs o transformare radicală a acționărilor electrice reglabile cu motoare având comanda în circuitul rotoric și totodată au înregistrat cele mai numeroase aplicații în cazul acționării reglabile a turbomașinilor.

Cea mai simplă și, totodată, cea mai răspândită schemă a cascadei cu mutatoare este schema cu circuitul intermediar de curent continuu. În acest caz, curentul rotoric se redresează cu ajutorul unui redresor realizat în punte trifazată, iar în circuitul curentului redresat se introduce o tensiune electromotoare suplimentară variabilă obținută de la un invertor, realizat după diferite scheme de conexiuni, în funcție de aplicație și felul dispozitivelor electronice folosite.

În schema acestei cascade intră următoarele elemente principale de putere: un motor asincron MA, necesar pentru acționare; un redresor RD (realizat cu dispozitive electronice necomandabile), necesar pentru convertirea curentului rotoric din alternativ în continuu; un invertor IN (realizat cu dispozitive electronice comandabile), necesar pentru convertirea curentului rotoric redresat din continuu în alternativ; un transformator de realimentare (de adaptare) TR, necesar pentru adaptarea tensiunii rotorice a motorului asincron la tensiunea rețelei de recuperare; o bobină de filtrare L1, necesară pentru netezirea pulsațiilor de tensiune și curent ce apar în circuitul intermediar de curent continuu.

Invertorul trifazat IN cuprinde dispozitive electronice comandabile legate în diverse scheme.

Schema în punte trifazată, aplicabilă pentru cazul acționărilor în care se folosesc dispozitive semiconductoare.

În schema de mai jos, aplicabilă cascadelor cu mutatoare, având circuit intermediar de curent continuu, funcțiile de convertire a curentului și energiei de alunecare sunt strict limitate între cele două grupe de dispozitive electronice astfel: dispozitivele RD funcționează în regim de redresor, convertind curentul rotoric din alternativ (având frecvența variabilă) în continuu, iar dispozitivele IN funcționează în regim invertor, convertind curentul rotoric redresat în alternativ, având o frecvență corespunzătoare cu cea a rețelei de recuperare.

Schema de principiu a unei cascade asincrone cu mutatoare echipată cu invertor în p.

O caracteristică importantă a cascadei asincrone cu mutatoare este caracteristica de comandă a invertorului. Această caracteristică reprezintă variația t.e.m. medii redresate în funcție de unghiul de comandă al aprinderii tiristoarelor.

Un mutator trifazat în punte integral comandat poate avea o funcționare bidirecțională, adică el poate asigura transferul de energie atât de la rețeaua de racordare trifazată la circuitul de curent continuu (funcționarea în regim de redresor), cât și invers, de la circuitul de curent continuu la rețeaua de racordare trifazată (funcționare în regim e invertor).

În cazul cascadei asincrone cu mutatoare transferul de energie (energia de alunecare transformată în energie de curent continuu) se face numai din circuitul intermediar de curent continuu al convertorului în rețeaua de racord trifazată, adică convertorul funcționează, exclusiv în regim de invertor. În acest caz, EdEd0 <0,90o <<180o el; valoarea =90o el corespunde vitezei nominale și =180o el – vitezei minime. Ținând seama de existența fenomenului de suprapunere anodică, domeniul de comandă al invertorului se reduce la valoarea 180o – , în care este un unghi de rezervă necesar comutației curentului dintre tiristoare, și care are o valoare determinată de valoarea reactanței de scăpări a transformatorului de realimentare. În practică se ia 30o el, adică domeniul de comandă al invertorului se reduce la valoarea 150o el.

Domeniul de comandă al convertorului pentru funcționarea în regim de redresor este blocat, în cazul cascadei asincrone cu mutatoare, prin limitarea tensiunii reglate, adică prin reglarea ei într-un domeniu îngust.

Aceasta servește pentru compensarea căderilor de tensiune din convertor în cazul funcționării cascadei subsincrone cu viteza nominală.

Modul de funcționare al cascadei asincrone cu mutatoare se poate explica în felul următor. La funcționarea cascadei în regim de motor cu viteză subsincronă t.e.m. principală a rotorului se redresează cu ajutorul unui redresor necomandabil. În circuitul curentului redresat al rotorului se introduce o t.e.m. suplimentară, obținută de la un invertor, care reprezintă t.e.m. medie redresată a invertorului (tensiunea contra electromotoare a invertorului). T.e.m. redresată a rotorului, când motorul funcționează în gol, Edr 0S trebuie să echilibreze t.e.m. suplimentară a invertorului Edi, căderea de tensiune produsă în rezistențele ohmice ale circuitului rotoric și, de asemenea căderea de tensiune determinată de procesele de comutație ale dispozitivelor electronice legate la reactanțele inductive ale circuitului rotoric.

Cercetări efectuate asupra funcționării cascadelor subsincrone cu mutatoare au arătat că alunecarea maximă a motorului este egală cu 2S și aceasta corespunde valorii nominale a cuplului existent. Pentru obținerea unei creșteri, în continuare, a vitezei de funcționare a motorului asincron cupla în cascadă este nevoie să se modifice semnul tensiunii suplimentare și, ca urmare, rebuie ca să se producă trecerea funcționării motorului IN din regim de invertor în regim de redresor. În aceasă situație, relația ia următoarea formă:

Dacă, în acest caz, t.e.m. suplimentară a invertorului are expresia:

Edi=Id(d+TR),

atunci motorul funcționează cu o alunecare apropiată de valoarea ei nominală. O mărire, în continuare, a t.e.m. suplimentară a invertorului nu este permisă, întrucât are loc o creștere considerabilă a curentului pe conturul rotoric format de dispozitivele electronice ale mutatoarelor RD și IN.

Aparatele principale care intră în schema unei cascade subsincrone cu mutatoare sunt următoarele: redresorul, invertorul și transformatorul de realimentare. Puterea fiecărui aparat depinde de domeniul necesar de reglarea vitezei de rotație n și, deci, de alunecarea maximă s0max, corespunzătoare funcționării în gol a motorului de acționare.

Reglarea automată prin cascadă asincronă cu tiristoare a turației unui motor asincron cu inele colectoare

Caracteristici de catalog:

gama de reglare a turatiei ,

constanta reglarii maximum % la valoarea superioara a gamei de turatie,

variatia tensiunii retelei: –15 +10%,

variatia temperaturii mediului ambiant: -100C+500C,

curentul de accelerare va fi limitat automat la 150% din curentul nominal din gama de variatie a cascadei.

Cascada poate fi utilizata pentru actionarea unor turbopompe de putere.

2.1. Alegerea schemei de forta pentru reglarea turatiei.

Prezentarea schemei de forta pentru reglarea turatiei,

Dimensionarea puntii de redresare,

Alegerea transformatorului de adaptare,

Calculul reostatului de pornire,

Dimensionarea invertorului,

Calculul bobinei de filtrare,

Dimensionarea protectiilor la scurtcircuit si supratensiuni pentru invertor,

Dimensionarea protectiilor la scurtcircuit si supratensiuni pentru redresor,

Calculul protectiei globale,

Calculul termic.

2.2. Dimensionarea schemei de comanda si de reglare (stabilirea schemei bloc de reglare, alegerea traductoarelor si regulatoarelor).

2.3. Elaborarea schemei de comanda pentru pornirea si oprirea cascadei.

2.4. Simularea regimurilor reale de functionare a cascadei.

2.1. Alegerea schemei de forta pentru reglarea turatiei

2.1.1. Prezentarea schemei de forta pentru reglarea turatiei

Fig.1.Schema de principiu a cascadei (partea de forta)

Partea de forta a cascadei cuprinde urmatoarele elemente:

a1,a2-intreruptoare,

Rp-rezistente de pornire,

P1-redresor,

P2-invertor,

Lb-bobina de netezire.

Din indicatia bibliografica ‘Catalog de masini electrice rotative’-Electroputere, Craiova, s-a ales motorul asincron cu urmatoarele date:

2.1.2. Dimensionarea puntii de redresare

Fig.2. Schema necesara la dimensionarea redresorului cascadei

Schema redresorului este urmatoarea:

unde:

U20-tensiunea de mers in gol din rotorul masinii asincrone,

F1,F2,F3,F4,F5,F6-sigurante ultrarapide.

Tensiunea redresata se calculeaza cu formula:

Udo=1.35*U2max, unde: U2max=U20**smax.

In aceasta relatie smax este alunecarea maxima, iar U20=256 V este tensiunea de mers in gol din rotorul masinii asincrone.

Alunecarea maxima se calculeaza astfel:

n0=600 rot/min, fiind turatia de sincronism, iar nmin=573 rot/min turatia nominala a motorului.

Atunci: U2max=U20**smax=256**0.682=246.18 V,

Udo=1.35*U2max=1.35*246.79=332.35 V,

Tensiunea de revenire in invers:

URRM=c*Ud=2*332.35=664.70 V,

unde c=1.7..2 este un coeficient de siguranta la supratensiuni.

Curentul redresat se calculeaza astfel:

, kT=1.22, I2=186 A

Curentul practic prin dioda este dat de relatia:

,

unde:

ka=0.92-tine cont de faptul ca diodele lucreaza la frecventa redusa,

kb=0.90-tine cont de ventilatia necorespunzatoare a diodei,

kc=0.90-tine cont de constructiile inrautatite,

kd=0.90-tine cont de comutatie,

n=1 -numarul de diode in paralel.

Rezulta:

Valoarea teoretica a curentului prin dioda se calculeaza astfel:

-valoarea medie: Idiod=0.333*Id=0.333*278=92.57 A,

-valoarea efectiva: Ief=0.58*Id=0.58*278=161.24 A.

In functie de tensiunea URRM si curentul practic (prin dioda) s-a ales urmatoarea dioda ce prezinta caracteristicile:

Calculul invertorului

Fig.3. Schema de dimensionare a redresorului comandat (invertor)

Tensiunea inversa maxima este data de relatia:

Uinvmax=

URRM=c* Uinvmax=2.2*352.07=774.55=775V,

unde c este un coeficient a carui valoare este cuprinsa intre 2…2,5.

Atunci tensiunea prin tiristor se va alege ca avind valoarea de URRM=800V.

Curentul prin tiristor are urmatoerea valoare:

IT=

Din indicatia bibliografica ‘Catalog tiristoare’-A.E.G.-Telefunken

s-a ales urmatorul tiristor ce prezinta caracteristicile:

2.1.3. Alegerea transformatorului de adaptare

In acesta sectiune a proiectului s-au ales datele principale ale transformatorului de alimentare.

Fig.4. Schema amplasarii transformatorului de adaptare

Puterea aparenta a transformatorului se calculeaza cu relatia:

S=k1*k2*k3*U1n*I1n*10-3 [kVA],

in care: k1=1.05 -coeficient ce tine cont ca alimentam puntea trifazata,

k2=1.15 -coeficient ce tine cont de caderea de tensiune,

k3=1.1 -coeficient ce tine seama de caderea de tensiune in rotorul

masinii.

usc=6%U1n; U1n=660 V usc= 39.6 V

Tensiunea din secundarul transformatorului are urmatoarea expresie:

U2n=E2*Smax=U20*smax=256*0.68=174.08=174 V

Raportul de transformare are valoarea: k= U1n/ U2n=660/174=3.79

Curentul din secundarul transformatorului are valoarea:

I2n=

Tinind cont de raportul de transformare k si de curentul I2n, curentul din infasurarea primara a transformatorului are urmatoarea valoare:

In consecinta, vom alege un transformator de adaptare a carui putere aparenta este de:

S=k1*k2*k3*U1n*I1n*10-3=1.05*1.15*1.1*660*59.84* 10-3 =52.46 [kVA].

Aleg un transformator cu puterea de S=55[kVA]

Verificarea la incalzire a dispozitivelor semiconductoare

La verificarea incalzirii se porneste de la rezistenta termica echivalenta a circuitului:

Rthe=Rthjk+RthkR+RthRA=0.52+0.65=1.17 O/W.

Puterea disipata:

P=uT*I+rT*Ief2=1.9*51.173+3.6*10-3*161.242=190.82=191W

Temperatura jonctiunii se calculeaza cu relatia:

j=P*Rthe+a,

unde a=450C este temperatura mediului ambiant.

Verficarea la incalzire a dispozitivelor semiconductoare consta in respectarea relatiei: j1500C.

Astfel j= P*Rthe+a=191*1.17+45=268.26 0C > 150 0C

Conform datelor alese initial temperatura jonctiunii calculata depaseste temperatura admisibila, in consecinta voi incerca varianta cu racire fortata in care RthRA se ia pe jumatate.

Atunci:

Rthe=Rthjk+RthkR+RthRA=0.52+0.3=0.82O/W.

j= P*Rthe+a=191*0.82+45=201.62 0C > 150 0C.

Din verificarea la incalzire tiristorul nu corespunde ceea ce duce la alegerea unui nou tiristor cu urmatoarele caracteristici:

Folosind noile valori ale tiristorului puterea disipata are valoarea:

P=uT*I+rT*Ief2=1*51.173+3.6*10-3*161.242=144.76 W=145 W

Temperatura jonctiunii in acest caz este:

Rthe=Rthjk+RthkR+RthRA=0.36+0.32=0.68O/W.

j= P*Rthe+a=145*0.68+45=143.4 0C < 150 0C.

j=143.4 0C < 150 0C

In regim tranzitoriu temperatura este data de relatia: rtr=P1*zth, unde zth este impedanta echivalenta in regim tranzitoriu.

P1= uT*Imax+rT*Imax2, unde Imax=1.5*Id/3=1.5*51.173=76.76 A

P1=1*76.76+3.6*10-3*76.762=97.972 W

Zth=rthjc=0.360/W

Temperatura este: rtr=P1*zth=97.972*0.36=35.27 0C.

2.6. Protectia la supratensiuni

Protectiile pot fi:- globale

-individuale

Fig.5. Schema cu protectiile la supratensiuni

Pentru transformator:

-condensatorul C1 are expresia:

C1=,

unde:

PT=55 kVA-este puterea transformatorului,

Us=174 V-tensiunea din secundarul transformatorului,

i0=0.027*I1n=1.616 A-curentul de mers in gol al transformatorului,

f=50 Hz-frecventa retelei,

URRM=800 V-tensiunea invertorului.

Atunci:

Aleg un condensator de valoare C1=2.5 F

-inductanta de scapari are expresia:

unde:

PT=55 kVA-este puterea transformatorului,

Us=174 V-tensiunea din secundarul transformatorului,

f=50 Hz-frecventa retelei,

uk=6%Us=39.6 V-tensiunea de scurtcircuit

-rezistentele R1 si R2 au expresiile:

Pentru motor:

-condensatorul C1 are expresia:

C1=,

unde:

PT=75 kW-este puterea motorului,

Us=256 V-tensiunea din secundarul motorului,

i0=0.1*I1n=18.6 A-curentul de mers in gol al transformatorului,

f=50 Hz-frecventa retelei,

URRM=800 V-tensiunea invertorului.

Atunci:

Aleg un condensator de valoare C1=40 F

-inductanta de scapari are expresia:

unde:

PT=75 kW-este puterea motorului,

Us=256 V-tensiunea din secundarul motorului,

f=50 Hz-frecventa retelei,

uk=20%Us=51.2 V-tensiunea de scurtcircuit

Aleg o inductivitate de valoare: LS=1.5 mH.

-rezistentele R1 si R2 au expresiile:

2.7. Protectia la supratensiuni si supracurenti

Fig.6. Schema cu protectii la supratensiuni si supracurenti

MODEL TIRISTOR

R=47/1000V

C=1F/1600V

P=U0*I0+rd*Id2

U0=1.1V

RK=0.13 0C/W

RCA=0.140C/W

Rthe=Rthk+RthCA=0.13+0.14=0.27 0C/W.

P=U0*I0+rd*Id2=1.1*51.173+2*10-3*161.242=108.28 W

Temperatura jonctiunii in acest caz este:

j= P*Rthe+a=108.28*0.27+45=74.23 0C < 150 0C.

j=74.23 0C < 150 0C

Inductivitatea L1 din schema ce prezinta modelul tiristorului are urmatoarea expresie:

,

unde: este tensiunea

maxima a transformatorului

(di/dt)=150 A/s.

Condensatorul C din schema modelului tiristorului are expresia:

,

unde:

=0.6.

Rezistenta R are expresia:

=0.85

R’=4k

La tiristorul pe care l-am ales T51N avem:

Protectia la scurtcircuit a tiristoarelor se efectueaza cu sigurante ultrarapide.

Se respecta conditiile:

uarc<uRR

Curentul prezumat de scurtcircuit:

Idmax=1.5*Id

Coeficient de protectie: ki=k*kV*kS.

k=-coeficient ce tine cont de temperatura la care

lucreaza tiristorul

=400C-temperatura mediului ambiant.

kV=1+0.05*v=1.3 -coeficient de ventilatie

v=6m/s-viteza aerului de racire

kS=0.7+0.3*S/Sn=1 -coeficient ce tine cont de dimensiunile

conductorului

Consideram ca sectiunea aleasa pentru conectarea sigurantei este egala cu sectiunea nominala.

S=Sn S/Sn=1 kS=1

ki=k*kV*kS=6.959*1.3*1=9.046

URRM=800V

Aleg din catalogul de sigurante, siguranta Ferraz cu urmatorii parametrii:

Insig=160 A

Am ales o siguranta de 160A.

k=1

1*10000 < 1.13*10000

Vom considera inductivitatea de scurtcircuit de valoare: LSC=6.93H.

In acest caz avem:

8.Definitivarea componentelor din dispozitivul snubber

Umax=,

unde U2=174 V este tensiunea din secundarul transformatorului.

unde R=1.5 este rezistenta in serie cu condensatorul.

Numarul de toruri ce trebuiesc inseriate este dat de relatia:

,

unde : Tstep=10s-pasul de timp pentru inductivitate

UD=332.35V-tensiunea directa a tiristorului

B=0.1… 0.2 T-inductia. Se alege B=0.17 T

N=3-numarul de spire ce s-a ales in functie de curentul prin tiristor.

-sectiunea tolei in care: De=40 mm-diametrul exterior

Di=30 mm-diametrul interior

Atunci numarul de toruri este urmatorul:

Fig.7.Schema ce cuprinde reostatul de pornire

Conform experientei practice curentul neintrerupt nu trebuie sa depaseasca curentul nominal. Se recomanda ca Imin=7.5%Id.

Armonica redresorului pe frecventa de 300 Hz este:

U6r=0.133*s*U20

Armonica data de invertor:

U6i=0.33*3**smax*U20

Conform ultimei relatii avem:

unde: U20T=174 V-tensiunea din secundarul transformatorului ,

U20M=256 V-tensiunea din secundarul motorului.

Inlocuind avem valoarea inductivitatii de filtrare:

Conform figurii de mai sus la pornire se inchide comutatorul bipozitional astfel incit va fi conectat reostatul de pornire si se scurtcircuiteaza treptele acestuia, apoi se trece comutatorul pe pozitia cealalta.

2.9. Calculul rezistentelor de pornire Rp

La calculul rezistentelor de pornire se i-au in consideratie urmatoarele date:

-viteza nominala:

-alunecarea nominala:

sn=

-cuplul nominal:

-supraincarcarea se da la datele motorului:

-alunecarea corespunzatoare cuplului maxim:

Alunecarea corespunzatoare lui M1:

Alunecarea corespunzatoare lui M2:

Numarul de trepte Z este:

Recalculez sz pentru z=3:

Rezistenta pe faza masinii:

Valorile rezistentelor pentru treptele reostatului sunt:

2.10. Calculul regimului dinamic

Fig.8. Schema electrica echivalenta trifazata a masinii asincrone

Redresorul intercalat in rotorul masinii asincrone produce cupluri parazite. Acestea trebuie eliminate.

Lr=Lb+2*(L’1+L’2)

Schema monofazata la alunecari mici:

Constanta de timp a masinii asincrone la functionarea aproape de sincronism:

Schema monofazata la alunecari mari:

Lr=Lb+2*(L’1+L’2)

Constanta de timp a masinii asincrone la functionarea la alunecari mari:

Constanta de timp a masinii este data de relatia:

Tr=Tr’+Tr”.

Aplicand transformata Laplace in conditii initiale nule considerand ca variatia curentului este mica in jurul unui punct de functionare se pot obtine urmatoarele ecuatii:

n=n0+n(t)

id=id0+ido(t)

ms=ms0+ms0(t)

ud=ud0+udo(t)

ms0=cm*id0

Rr*ido=cu*(1-)-Udo

Tm=

Rezulta functiile de transfer:

Pentru a calcula constantele exemplificate mai sus trebuie mai intii sa calculam parametrii motorului de antrenare.(cap.4)

3. Schema de reglare a instalatiei

Fig.9. Schema de reglare a instalatiei

Contorul electronic CT:

-afiseaza tensiunea si curentul pe fiecare faza,

-afiseaza puterea activa si aparenta pe fiecare faza,

-afiseaza defazajul dintre tensiune si curent (inductiv si capacitiv),

-afiseaza factorul de putere dintre tensiune si curent,

-afiseaza frecventa retelei.

Schema de reglare a instalatiei cuprinde si partea de racire fortata, insa ea nu este obigatorie in acest proiect datorita rezultatelor obtinute la verificarea incalzirii dispozitivelor semiconductoare.

11. Calculul parametrilor motorului de antrenare al utilajului

Intrucit parametrii motorului de antrenare:R1f, R2f, x1, x2, x, xsc nu au fost dati in catalog vom folosi un algoritm cu anumite consideratii pornind de la schema echivalenta a masinii asincrone.

I1+I’2=I10=I+Iw

E1=E’2

Facem urmatoarele notatii:

z1=R1+j*x1,

z2’=R’2+j* x1,

z1=R1+j* x1.

Vom scrie ecuatiile sub forma:

x=x1+c1*x’2, c1=1.04…1.08 pentru masini mari si c1=1 pentru masini medii.

Cuplul electromagnetic are relatia:

Consideram:

Din acest sistem folosind consideratiile de mai sus:

R1=

x1=

Cu inductivitatea Lsc ma intorc la definitivarea snubber-ului si calculez:

Umax=,

unde U2=174 V este tensiunea din secundarul transformatorului.

unde R=1.5 este rezistenta in serie cu condensatorul.

3.1. Studiul regimului dinamic

Constanta de cuplu se calculeaza cu relatia:

Constanta de tensiune se calculeaza cu relatia:

Constanta electromagnetica a motorului are expresia:

Cum Tm=131ms si Tr=9.55ms Tm>Tr vom folosi solutia cu cascada subsincrona.

5.Schema in bloc de reglare in bucla inchisa a masinii asincrone

Se recomanda pentru o precizie de comanda mai buna o reglare in cascada in care marimile care se modifica rapid,curentul, constituie bucla interna, iar marimile care se modifica mai lent, turatia, constituie bucla externa.

Fig.10. Schema in bloc de reglare in bucla inchisa a masinii asincrone

5.1. Alegerea traductorului de curent

U1r=Uin=10 V

R1=1 k

R2=R1*

Pentru shunt: 60mV………….150 A

Ush………………..x

Idmax=Id*1.5=278*1.5=417A

R2=R1*

Tfi=R2*C1

Tfi=5 ms C1=

5.2.Alegerea traductorului de viteza:

Se recomanda alegerea unui tahogenerator de tip FST care are:

-tensiunea U=3 V ……..100rpm,

-rezistenta RA=1 ,

-momentul de inertie J=350*10-7 kgm2,

-(KD)2=0.2865.

100rpm…………3V

nn………………..UTGmax

UTGmax=nn

Se ia: R5=10k,

Constanta proprie a masinii:

Constanta introdusa de elementele de filtrare:

Aleg C2=1.5 F

Tfn=Tn’+Tn”=5 ms Tn”= Tfn-Tn’=5-0.122=4.878 ms

6.Acordarea si implementarea regulatoarelor

Fig.11. Schema regulatoarelor de curent si de turatie

Se recomanda utilizarea amplificatoarelor operationale A 741 datorita faptului ca nu necesita circuite de compensare a frecventei. Iesirea amplificatoarelor operationale este protejata in mod automat la scurtcircuit si compenseaza destul de bine tensiunea de decalaj.

6.1. Acordarea regulatorului de curent

Pentru bucla de curent se recomanda pentru acordarea regulatorului criteriul modulului (Kessler). Se foloseste un regulator de tip PI.

Conditiile criteriului modulului sunt:

Functia de transfer dintre regulator, invertor si masina asincrona in circuit inchis:

-timpul mort statistic,

Tfi=5*10-3-constanta traductorului de curent,

– suma constantelor parazite .

-constanta buclei de reglaj

si ki=-60

Conform criteriului prezentat mai sus avem:

6.2. Acordarea regulatorului de turatie

La acordarea regulatorului de turatie se foloseste criteriul simetriei. Conditiile acestui criteriu sunt:

0.01-suma constantelor parazite,

Tfi=5*10-3-constanta traductorului de curent,

=5.002ms- suma constantelor parazite ,

Tfn=5*10-3-constanta traductorului de turatie.

Functia de transfer este:

Conform criteriului simetriei avem:

7. Modelarea buclelor de curent si de viteza

7.1. Modelarea buclei de curent

Se porneste de la functia de transfer a instalatiei si se aplica buclei de curent.

Functia de transfer a buclei de curent este:

Aplicam un semnal in forma de treapta.

In marimi raportate:

A=1

Super-reglajul maxim este:

t timpul prim de restabilire.

Fig.12 . Evolutia curentului raportat in timp

7.2. Modelarea buclei de turatie

Aplicam criteriului simetriei si un semnal de tip rampa.

Facem notatiile:

Daca neglijam Tfn in raport cu Tn avem:

Functia originala este:

Notez:

Eroarea este data de relatia:

Fig.13. Evolutia in timp a erorii

8. Algoritmi de pornire si oprire a cascadei

8.1. Algoritmul de pornire

1-conectarea manuala a

intrerupatorului general,

2-comanda pornire,

4-conectare reostat pornire,

5-conectare DCG,

6-conectare motor,

7-conectare motor reostat de pornire,

8-bloc de intirziere,

9-comanda blocare buton oprire,

10-daca s-a atins turatia nominala,

11-conectarea transformatorului de

recuperare,

12-bloc de intirziere,

13-conectare motor,

14-conectare redresor,

15-desfacere scurtcircuit regulatoare,

16-deconectare reostat pornire,

17-functionarea in cascada.

8.2. Algoritmul de oprire

1-comanda oprire,

2-conectare reostat de pornire,

3-conectare motor reostat de

pornire,

4-semnalizarea atingerii Rpmax,

5-deconectare motor,

6-deconectare motor reostat

pornire,

7-deconectare reostat de

pornire,

8-deconectare cascada,

9-=0.5s de la Reg. I

10-deconectare DCG,

11-deconectare transformator

de recuperare,

13-deconectare releu de

blocare a butonului de

pornire manuala,

14-deconectare manuala a

intrerupatorului de

alimentare generala.

CAPITOLUL 2 Partea de forță

Instalația de încercare în regim recuperativ a motoarelor de uz general cu puteri cuprinse între 5 și 55 Kw.

Schema de principiu a cascadei.

Aleg din catalog [1] motorul cu următoarele date nominale:

În cazul nostru motorul asincron va funcționa în regim de generator. S-a ținut cont de faptul că puterea generatorului trebuie să fie de două ori mai mare decât puterea motorului de încercat.

CAPITOLUL 3 Alegerea și dimensionarea componentelor schemei

3.1 Dimensionarea redresorului cascadei

Redresorul este un redresor de putere necomandat (cu diode).

– factor ce ține seama de forma trapezoidală a curentului

– curentul redresat

– curentul prin diodă

unde: = 0,92 – factor ce ține cont de faptul că dioda lucrează la frecvență redusă;

= 0,9 – factor ce ține cont de ventilația necorespunzătoare a diodelor;

= 0,9 – factor ce ține cont de construcții înrăutățite;

= 1 – numărul de diode în paralel.

Valoarea teoretică a curentului prin diodă este dată de formula:

Curentul efectiv prin dioda este:

Din catalogul de diode [2] aleg dioda următorii parametrii:

3.2 Dimensionarea invertorului

Calculul preliminar al invertorului

Invertorul este un redresor în punte complet comandat (cu tiristoare), ce funcționează în regim de invertor.

U =

U= c

Din catalogul de tiristoare AEG-Telefunken [3] aleg tiristorul tip T71N cu următoarele caracteristici:

3.3. Verificarea la încălzire a dispozitivelor semiconductoare

Condiția pentru verificarea la supra încălzire este ca j 150o C

Rthe=Rthjk+RthkR+RthRA – rezistența termică echivalentă

Rthe=Rtjc+RtCA=0,37+0,65=1,02 [o/W]

P=UTIT+r=1,8853,3+2,510-3168,982=171,6[W]

a=45[oC]

j=PRthe+a=171,61,02+45=220,032220[oC]

Conform datelor alese inițial supratemperatura calculată depășește 150o C (j=220>150o C). Atunci aleg varianta cu răcire forțată caz în care RthRA se ia pe jumătate.

Rthe=0,37+0,325=0,695 [o/W]

j=171,580,695+45=164,262164[oC]>150o C

Din verificarea la încălzire cu și fără răcire forțată tiristorul T71N nu corespunde din punct de vedere termic. Aleg din catalogul de tiristoare tiristorul tip T99N ce are următoarele caracteristici:

Recalculez și am:

Rthe=0,26+0,15=0,41 [o/W]

P=UTIT+rI=1,6853,3+1,710-3168,982=138,094[W]

a=45[oC

j=PRthe+a=138,0940,41+45=101,618[oC]

j=102o C<150o C.

P1=UTImax+rImax2=145,182[W]

În regim tranzitoriu

rtr=R1 Zth=1500,26=390C

3.4 Calculul VTC-ului

În cadrul proiectului este prevăzută realizarea unui chopper de ridicare a tensiunii în c.c. a cascadei cu convertizoare statice. Controlul lățimii impulsului în variatorul de tensiune continuă permite sistemului de funcționare să lucreze cu un unghi de control al fazei constant pentru invertorul cu comutație naturală.

Puterea reactivă a armonicii fundamentale din convertorul de c.a. cu comutație naturală este funcție de curentul de sarcină Idv și unghiul de aprindere .

Unde Udi=UdiN*cosmax.

UdiN = tensiunea de alimentare din invertor la =0

Cu cât domeniul de reglare al curentului este mai larg cu atât tensiunea Udi și puterea reactivă sunt mai mari. Metoda cea mai eficientă pentru reducerea puterii reactive este aplicarea unei transformări c.c. – c.c.in circuitul intermediar de c.c. care permite menținerea constantă a valorii maxime a unghiului de aprindere. Convertorul c.c. – c.c. este de regula format din două bobine L1 și L2, un tiristor, o diodă D și un condensator C.

Factorul de umplere a impulsului pentru tiristor v-a fi = t1/(t1+t2)

Unde t1=timp de închidere

t2=timp de deschidere

Teoretic k poate fi modificat în limitele 0<=k<=1

Transformarea c.c. – c.c. este descrisă de ecuația.

unde Idv – curentul redresat în redresor

Idi – curentul din invertor

Ca atare puterea reactivă a invertorului este

În consecință factorul de umplere al impulsului k este determinat din ecuația tensiunilor:

Neglijând căderile de tensiune pe impedantele din circuitul rotoric, ecuația tensiunii rotorice devine:

unde – tensiunea redresată

=/s; s – viteza unghiulară sincronă

Qdi=-UdvNIdv(1-)tg max

Tensiunea convertorului:

Udi=UdvN(1-min)= UdvN cos max

Qdr=-UdvNIdr(1-min)(sin/ cos max)

Împărțind ecuația Qdi la Qdr se obține:

unde Idr/ IdrN=idr

Idi/ IdiN=idi

Din ultimele două ecuații se obține

După cum se observă qdi nu depinde de domeniul de reglare și deci nici de min<2/3 atunci qdi max = 0,148 sin max. Pentru 2/3<1min< valoarea puterii reactive este mică decât qdi max.

Se remarcă că qdi max este foarte mic în comparație cu qdr din cascada clasică.

O problemă importantă care rezultă din considerațiile de mai sus constă în aceea că se înregistrează o scădere semnificativă a puterii invertorului.

Introducând cascada clasică, fără VTC avem:

iar pentru cascada cu VTC

Valoarea maximă a curentului se determină prin egalarea cu zero a derivatei curentului.

Dacă viteza minimă este cu domeniul (max<=min<=1) valoarea maximă a curentului invertorului devine Idi max=2min.

Curentul invertorului cascadei cu VTC este mult mai mic dec\t cel ]n cascada clasică. Puterea reactivă a invertorului poate fi determinată cu relația.

Calculul VTC ales

Curentul prin tiristor se determină cu relația

În cazul acestei scheme prin tiristor trece un curent mai mare decât cel prin sarcină.

Neglijând curentul prin C, rezultă:

Se alege un tiristor rapid, fabricat la I.P.R.S.

Curentul de siguranță în tensiune (2-3)

ku=UDRM/Udmax

Condensatorul de stingere se dimensionează cu relația

unde kc- coef. de siguranță

tq-timp de stingere tiristor

Se consideră dmax=0,8 perioada de tact și frecvența VTC f=2 kHz, rezultă:

dar

Se consideră L/C = deci L=4C=23,8 H rezultă

Se determină

Frecvența minimă de lucru se determină din relația:

Curentul de vârf prin inductanța

Curentul efectiv prin bobină

;

.

Dioda D 1 se alege pentru un curent = ½ din curentul pentru tiristor:

IDAV=1/2ITAV=22,21A

Inductanța L1 se determină cu condiția să asigure limitarea lui di/dt pentru tiristorul T și dioda D.

Se admite pentru dioda (di/dt)=100 A s și un coeficient de siguranță cu valoarea 2.

Se alege pentru protecția la supratensiuni:

C1=0,2F

C2=0,1F

Din Tr=RC=10…20 rezultă R2=10/0,2=50.

Valoarea rezistenței R1 pentru tiristor se determină din condiția:

Aleg =0,5 rezultă R1=L/C=4

3.5 Alegerea datelor principale pentru transformatorul de alimentare

kT =1,22

kT – factor ce ține seama de forma trapezoidală a curentului

– curentul prin diodă

unde: ka = 0,92 – factor ce ține de faptul că dioda lucrează la frecvență redusă.

kb = 0,9 – factor ce ține cont de ventilația necorespunzătoare a diodelor.

kc = 0,9 – factor ce ține cont de construcții înrăutățite.

kd = 0,9 – factor ce ține cont de comutație

n = 1 – numărul de diode în paralel.

Valoarea teoretică a curentului prin dioda este data de formula:

Curentul efectiv prin dioda este:

CAPITOLUL 4 Procedee de pornire

Puterea mutatoarelor aferente cascadei subsincrone e determinată de produsul P=Pem s, la alunecarea maximă, Pm fiind puterea electromagnetică transmisă prin întrefier. În general, Smax=0,20… 0,50. Cuplarea în cascadă în apropiere de S=1 nu este economică deoarece puterea mutatoarelor se apropie de cea a motorului de acționare. De aceea, pornirea se realizează cu rezistențe și numai după depășirea alunecării maxime Smax se conecetază în cascadă. Cascada subsincronă cu mutatoare având un domeniu îngust de reglare a vitezei (n=1:2), la pornire este necesară accelerarea motorului asincron până la limita inferioară a domeniul de reglare a vitezei. În acest scop, dependent de puterea motorului asincron cuplat în cascadă, se folosesc diferite procedee de pornire, și anume: pornirea directă și pornirea indirectă.

Pornirea directă. Acest procedeu constă în folosirea de rezistențe suplimentare care se introduc în circuitul rotoric al motorului asincron. Aceste rezistențe se introduc fie în circuitul rotoric de curent alternativ, fie în cel de curent continuu.

Schema de principiu a unei cascade asincrone cu mutatoare:

a b

a. În cazul pornirii prin intermediul rezistențelor suplimentare introduse în circuitul rotoric de curent alternativ.

b. În cazul pornirii prin intermediul unei rezistențe suplimentare introduse în circuitul curentului redresat.

M – motor

RD – redresor

K – comutator

r – rezistența suplimentară

În acest caz, tensiunea electromotoare principală redresată a rotorului echilibrează atât tensiunea electromotoare suplimentară a invertorului, cât și căderea de tensiune în rezistența suplimentară. Ca urmare, relația Edr=Edi+u devine:

Edros=EdIN + IdRecv+IdRS

Prin introducerea rezistențelor suplimentare în circuitul rotoric al motorului asincron cuplat în cascadă se modifică caracteristicile mecanice artificiale ale cascadei și totodată se lărgește domeniul de reglare a vitezei n. Prin introducerea unei singure rezistențe în circuitul rotoric (aparținând unei singure trepte), viteza poate fi reglată de la valoarea 0 la 0,5 nn, iar după scurtcircuitarea acestei rezistențe (RS=0), cu ajutorul comutatorului K, viteza poate fi reglată, mai departe, în plaja de reglare a cascadei subsincrone, de la valoarea 0,5 nn la nn.

Pe timpul scurtcircuitării rezistențelor suplimentare din circuitul rotoric are loc formarea de supracurenți. Pentru a se putea evita acest lucru se cere ca, înainte de conectarea contactorului K, unghiul de comandă al aprinderii tiristoarelor din invertor să se păstreze la valoarea sa minimă min, întrucât acestei valori îi corespunde valoarea maximă a tensiunii electromotoare suplimentare generate în invertor.

Pornirea directă prezintă o serie de avantaje și dezavantaje.

Avantaje:

reduce numărul aparatelor de pornire;

permite accelerarea continuă a acționării.

Dezavantaje:

acționarea este complet scoasă din funcțiune în cazul în care are loc o defecțiuneîn circuitul rotoric al motorului;

dispozitivele semiconductoare ale mutatoarelor sunt expuse la supratensiuni, atunci când se face conectarea motorului asincron la rețeaua de alimentare.

În consecință, pornirea directă este adecvată numai pentru cascadele cu mutatoare de putere mică și medie.

Pornirea indirectă. Acest procedeu constă în folosirea unui reostat simetric, cuplat, în paralel, în circuitul rotoric al motorului asincron. Prin acest procedeu, de asemenea, se realizează o accelerare continuă a motorului în domeniul de viteză n=(0,0… 1,0) nn.

Schema de principiu a unei cascade asincrone cu mutatoare în cazul pornirii cu reostat:

M – motor;

TR – transformator;

RS – reostat;

RD – redresor;

IN – invertor;

Lf – bobină de filtrare;

K1, K2 – comutatoare.

Astfel prin modificarea valorilor rezistențelor aferente reostatului se obține accelerarea continuă a motorului în domeniul de viteză n=(0,0 … 0,5) nn, iar după scoaterea acestor rezistențe (cu ajutorul comutatorului K1), viteza se poate regla mai departe în domeniul n=(0,5 … 1,0) 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 ca decuplarea rotorului de la reostat să se facă numai după ce, în prealabil, motorul a fost cuplat în cascadă.

Pornirea indirectă a cascadei prezintă o serie de avantaje și dezavantaje.

Avantaje:

permite folosirea motorului asincron cu rotorul bobinat pentru acționarea provizorie, în caz de avarie în circuitele mutatoarelor cascadei.

Dezavantaje:

la pornire se realizează o accelerare discontinuă;

scumpește instalația cascadei cu mutatoare.

În consecință, pornirea indirectă este adecvată, în special, pentru cascadele cu mutatoare de putere mare și foarte mare.

CAPITOLUL 5 Aspecte privind îmbunătățirea factorului de putere

Calculul factorului de putere poate fi urmarit cu ajutorul diagramelor de fază reprezentate în figura de mai jos. Din aceste diagrame rezultă:

Pcm=Pm-PTR;

Qcm=Qm+QTR;

,

unde cu Pcm și Qcm s-a notat puterea activă, respectiv reactivă a cascadei cu mutatoare, iar cu =0,955 – coeficientul care ține seama de deformarea curbei curentului din circuitul primar al motorului și transformatorului.

Factorul de putere al motorului este:

cos m=cos 0 cos,

Diagramele de fazori simplificate ale unei cascade subsincrone cu mutatoare

unde

și întrucât, în conformitate cu relația

,

atunci

Puterea reactivă a motorului este:

Qm=Pmtg m,

unde Pm este puterea activă absorbită pe partea statorică a motorului.

Cu aproximație:

.

Puterea activă absorbită de cascada cu mutatoare este:

,

de unde rezultă puterea activă transmisă prin transformator sau invertor:

.

Factorul de putere al transformatorului de realimentare este:

cosTR=d cos .

Puterea reactivă din circuitul primar al transformatorului de realimentare (sau din cel al invertorului, în cazul schemelor fără transformator de realimentare) este:

;

unde: STR = mTRE2TRIdk2TR este puterea aparentă a transformatorului;

k2TR – coeficientul care depinde de schema de conexiuni a invertorului;

k2TR = 0,470 pentru schema invertorului trifazat cu punct median;

k2TR = 0,410 pentru schema invertorului trifazat dublu cu transformator interfază; k2TR=0,815 pentru schema invertorului trifazat în punte.

Îmbunătățirea factorului de putere

Îmbunătățirea factorului de putere a cascadei asincrone cu mutatoare se realizează, în principal:

prin condensatoare statice, care prevăd compensarea puterii reactive a cascadei;

prin invertoare speciale, care prevăd îmbunătățirea factorului de putere al invertorului.

Condensatoare statice. Acest mijloc este utilizat, în majoritatea cazurilor, pentru compensarea factorului de putere a acționărilor de mare putere. În acest caz, puterea bateriei de condensatoare este:

Qcomp=Qcm-Q,

unde Q este puterea reactivă corespunzătoare factorului de putere

necesar (normat) cos norm și are expresia:

Q= Pcm tg norm.

Factorul de putere ob’inut după compensare este:

.

Invertorul asimetric. În acest caz, convertorul cascadei se prevede cu un invertor realizat în punte trifazată, ale cărui tiristoare sunt comandate asimetric, adică reglarea unghiului de comandă se realizează numai într- singură grupă de tiristoare în timp ce, în cealaltă grupă de tiristoare, unghiul de comandă se menține constant, la valoarea sa minimă, respectiv =15o el.

1 =15o el 2 =15 – 180o el

Schema de principiu a unui invertor trifazat în punte cu reglarea asimetrică a unghiului de aprindere a tiristoarelor.

Viteza maximă a motorului asincron cuplat într-o cascadă cu mutatoare corespunde unui unghi de comandă =90o el, adică atunci când fazorul curentului din invertor se află perpendicular pe fazorul tensiunii rețelei de alimentare, iar factorul de putere al invertorului are o valoare minimă (deși factorul de putere al cascadei este maxim). Viteza minimă a motorului asincron cuplat, de asemenea, într-o cascadă cu mutatoare, pentru un domeniu de reglare dat, corespunde unui unghi de comandă minim, respectiv =15o el. În acest ultim caz, de asemenea, puterea reactivă absorbită este minimă și, ca urmare a acestui fapt, aproape toată puterea activă este restituită rețelei de alimentare, iar factorul de putere are o valoare apropiată de zero.

La comanda asimetrică a invertorului, prima grupă de tiristoare funcționează permanent cu unghiul de comandă 1 =15o el, iar a doua grupă funcționează în regimuri diferite, în funcție de domeniul de reglare a vitezei, după cum urmează:

în regim de invertor, cu unghiul de comandă 2 =15…90o el, în jumătatea inferioară a domeniului de reglare a vitezei;

în regim de redresor, cu unghiul de comandă 2=90…180o el, în jumătatea superioară a domeniului de reglare a vitezei.

Factorul de putere al invertorului are valoarea cea mai ridicată pentru zonele extreme ale domeniului de reglare a vitezei de rotație. Astfel, la viteza minimă (1=2=15o el) se obține o valoare a factorului de putere apropiată de unitate, iar la viteza maximă (1 =15o el, 2 =0o el) se obține o valoare a factorului de putere, de asemenea foarte ridicată. La folosirea unui invertor asimetric se obține o îmbunătățire a factorului de putere, în special, la funcționarea cascadei în partea superioară a domeniului de reglare a vitezei de rotație. În același timp, folosirea invertorului cu comandă asimetrică complică, într-o oarecare măsură schema acținării respective

Un efect asemănător în ceea ce privește îmbunătățirea factorului de putere, poate fi obținut dacă în circuitul rotoric al motorului asincron cuplat în cascadă se folosesc două invertoare cuplate în serie și dimensionate fiecare pentru jumătate din putere.

Îmbunătățirea factorului de putere al cascadei cu mutatoare prin utilizarea a două invertoare cuplate în serie, prezintă avantajul că înjumătățește tensiunea inversă pe tiristoare, dar în același timp, prezintă dezavantajul determinat de dublarea numărului de tiristoare (care intră în componența invertorului), și de dublarea numărului aparatelor de comandă, fapt care mărește pierderile în dispozitivele semiconductoare.

Invertorul compensator. Unul din mijloacele cele mai perfecționate, utilizate pentru îmbunătățirea factorului de putere al cascadei cu mutatoare este invertorul compensator. Acesta constă în introducerea, în circuitul de comutație al convertorului, a unei bobine de compensare și a unor condensatoare de comutație. Prin utilizarea convertorului compensator se obține o mărire a eficienței condensatoarelor față de cazul în care aceste condensatoare s-ar include direct în rețea, pe partea tensiunii primare, paralele invertorului. În același timp, trebuie avut în vedere faptul că utilizarea invertorului compensator este posibil numai la mașinile de lucru cu sarcină liniștită, adică în acele cazuri în care cuplul rezistent de încărcare a motorului de acționare se modifică lin și în limite nu prea largi.

CAPITOLUL 6 Domeniul de utilizare a unei cascade subsincrone.

Întrucât puterea și, implicit, costul elementelor care intră în schema cascadei subsincrone cu mutatoare sunt în funcție de mărimea domeniului necesar de reglare a vitezei, aplicarea acestei scheme este economică numai în cazul acționării turbomașinilor care necesită un domeniu relativ îngust de reglare a vitezei, respectiv n 1 :2. Totodată, schemele în cascadă subsincronă cu mutatoare sunt schemele cele mai adecvate, deci cele mai utilizate pentru acționarea electrică reglabilă a turbomașinilor de medie și mare putere, respective P=200… 25.000 kW.

Acest lucru a fost confirmat până în prezent în practică, realizându-se o gamă variată de instalații în cascadă subsincronă cu mutatoare, care au fost utilizate în scheme de acționare electrică reglabilă a turbomașinilor (pompe, ventilatoare, compresoare).

Majoritatea acestor acțiuni sunt realizate cu dispozitive semiconductoare. Se pot exemplifica câteva cazuri concrete de utilizare a cascadelor subsincrone cu mutatoare pentru acționarea turbomașinilor și anume:

instalația de pompare pentru alimentarea cu apă potabilă a orașului Stutgart (Germania). În acest caz, instalația a fost echipată cu două turbopompe, din care una activă și alta de rezervă. Fiecare turbopompă este acționată de câte un motor asincron cu rotorul bobinat cu puterea P =3.300 kW, turația n =595 rot./min. și tensiunea U = 6.000 V. Motoarele sunt cuplate alternativ într-o singură cascadă subsincronă cu mutatoare, prin intermediul căreia se asigură un domeniu de reglare al turației n=425 la 595 r.p.m. ;

instalația de pompare pentru alimentarea cu apă a orașului Barquismento (Venezuela) ;

instalația de pompare pentru punerea sub presiune aferentă a sistemului de irigații din Lagruere (Franța).î

Domeniul optim de utilizare a cascadelor subsincrone cu mutatoare se poate determina printr-un calcul tehnico-economic care presupune determinarea efectului economic ce va rezulta prin utilizarea unui anumit tip de instalații de acționare electrică și studiul oportunității alocării unei cheltuieli suplimentare (față de varianta de bază) pentru realizarea unei noi variante.

Metoda de calcul care stă la baza unei analize tehnico-economice adecvate pentru cazul turbomașinilor este metoda duratei de recuperare. Această metodă este indicată în general în cazul în care pentru un obiect dat apar, două sau mai multe variante tehnice.

Pentru efectuarea calculului tehnico-economic trebuie să determine în prealabil următoarele mărimi :

durata de recuperare Trec a cheltuielilor suplimentare de investiție :

Trec =

coeficientul de eficiență economică E:

E=

cheltuielile de calcul Zi:

Zi=Ci+EnormKi

economia condiționată anuală F:

F=Z1-Zi

Notații folosite:

K1,Ki – cheltuielile de investiție corespunzătoare variantei de bază, respectiv variantei i comparate.

C1,Ci – costul anual al producției sau cheltuielile de exploatare anuale, corespunzătoare variantei de bază, respectiv variantei i comparate.

Enorm – coeficientul de eficiență economică normat, care pentru ramura energetică nu trebuie să aibă o valoare mai mică de 0,12.

Condiția necesară pentru asigurarea eficienței economice se poate exprima cu ajutorul relației:

TrecTnorm,

în care Tnorm=1/Enorm=1/0,12=8 ani, adică durata de recuperare normată Tnorm8 ani < 10 ani (valoare maximă).

Dacă una dintre variante are cheltuieli mici atât de investiție, cât și de exploatare, atunci această variantă este implicit o variantă eficientă. În general varianta cu cheltuieli mari de investiție are în același timp și cheltuieli mici de exploatare.

Cheltuielile de investiție K se calculează cu relația:

K=Ke+Kc+Kt+Km+Ki, în care

K – cheltuielile de investiție totale;

Ke – costul echipamentului aferent sistemului de acționare electrică;

Kc – cheltuielile de investiție pentru construcții

Kt – cheltuielile de transport necesare pentru aducerea echipamentului la locul de montaj (Kt3% Ke);

Km – costul montajului și rodajului echipamentului (Km11% Kc);

Ki – cheltuielile de investiție alocate în ramurile conexe ale industriei.

Cheltuielile de exploatare C se calculează cu relația:

C=Cw+Ca+Cd+Cr, unde

C – cheltuielile de exploatare totală;

Cw – costul energiei electrice consumate annual;

Cc – cheltuielile pentru amortizarea echipamentului;

Cd – cheltuielile pentru deservire curentă;

Cr – cheltuielile pentru repararea echipamentului.

Pentru simplificarea calculelor la compararea variantelor, este deasemenea indicat să se calculeze diferența rezultată între cheltuielile de exploatare aferente variantelor respective (C1 – Ci), în locul cheltuielilor totale de investiție aferente fiecărei variante luate în parte, în acest mod, nemaifiind luate în considerație cheltuielile de exploatare care au o valoare egală.

CAPITOLUL 7 Concluzii

Cascadele subsincrone cu mutatoare prezintă o serie de avantaje și dezavantaje.

Avantaje :

asigură un randament ridicat, datorită posibilității de recuperare a energiei de alunecare din rotor în rețeaua electrică ;

asigură alimentarea directă a motorului asincron de la rețeaua de curent alternativ fără a fi folosit un convertor în circuitul statoric, convertorul conectat în circuitul rotoric servește doar pentru reglarea vitezei ;

permite obținerea unui sistem de acționare superior ca putere și viteză celor dotate cu motoare de curent continuu cu tensiune reglabilă ;

pentru domenii relativ înguste de reglare a vitezei (n 1 :2) reprezintă acționarea cea mai economică, deoarece numai o parte a energiei este supusă procesului de convertire, și anume acea parte proporțională cu alunecarea motorului asincron ;

folosește o mașină asincronă, care este mult mai simplă și mai sigură decât mașina de curent continuu ;

prezintă rapiditate de răspuns, adaptare ușoară la automatizare și necesită putere redusă pentru comandă.

Dezavantaje :

asigură un factor de putere scăzut datorită consumului mare de putere reactivă, deoarece în afară de motor absoarbe putere reactivă și invertorul ;

coboară, randamentul motorului (într-o anumită măsură) corespunzător vitezei maxime, datorită pierderilor suplimentare ce apar în convertor (numai în cazul în care nu se scurtcircuitează rotorul motorului atunci când motorul asincron atinge viteza maximă) ;

reduce capacitatea de supraîncărcare a motorului asincron ;

necesită mijloace speciale de pornire (reostat de pornire) datorită domeniului îngust de reglare a vitezei ( 1 :2) ;

utilizează un convertor cu cost relativ ridicat care conduce la scumpirea acționării.

CAPITOLUL 8 Bibliografie

Măgureanu R., Mașini și acționări electrice, Ed. Tehnică, 1978.

Străinescu I., Variatoare de tensiune continuă, Ed. Tehnică, 1986.

Ionel I., Acționarea electrică a turbomașinilor, Ed. Tehnică, 1980.

Electroputere, Craiova, ’Catalog de masini electrice rotative’;

I.P.R.S., Baneasa, ’Programul de fabricatie a diodelor si tiristoarelor’;

A.E.G.-Telefunken, ’Catalog tiristoare’;

I.P.R.S., Baneasa, ‘Catalog diode’;

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREȘTI

Facultatea de Electrotehnică

PROIECT DE DIPLOMĂ

Conducător proiect: Absolvent:

Prof. dr. ing. MIRCEA GUDUMAC ADRIAN-P. CIONTEA

Șef catedră: Secția:

Prof. dr. ing. M. COVRIG Acționări electrice

– BUCUREȘTI 2000 –

CUPRINS

Pag.

CAPITOLUL 1. Generalități 1.

CAPITOLUL 2. Partea de forță 7.

CAPITOLUL 3. Alegerea și dimensionarea componentelor

schemei 9.

3.1 Dimensionarea redresorului cascadei 9.

3.2 Dimensionarea invertorului 12.

3.3 Verificarea la încălzire a dispozitivelor

semiconductoare 13.

3.4 Calculul variatorului de tensiune continuă 15.

3.5 Alegerea datelor principale pentru transformatorul

de alimentare 21.

CAPITOLUL 4. Procedee de pornire 23.

CAPITOLUL 5. Aspecte privind îmbunătățirea factorului de

putere 28.

CAPITOLUL 6. Domeniul de utilizare a unei cascade

subsincrone 35.

CAPITOLUL 7. Concluzii 39.

CAPITOLUL 8. Bibliografie 41.

UNIVERSITATEA POLITEHNICĂ BUCUREȘTI

Facultatea de Electrotehnică

PROIECT DE DIPLOMĂ

SISTEM DE ACȚIONARE ELECTRICĂ

REGLABILĂ CU CASCADĂ ASINCRONĂ,

CU DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE

Conducător proiect: Absolvent:

Prof. dr. ing. MIRCEA GUDUMAC ADRIAN-P. CIONTEA

Șef catedră: Secția:

Prof. dr. ing. M. COVRIG Acționări electrice

– BUCUREȘTI –

TEMĂ PROIECT

SISTEM DE ACȚIONARE ELECTRICĂ REGLABILĂ CU CASCADĂ ASINCRONĂ, CU DISPOZITIVE SEMICONDUCTOARE