Structura lucrării [303554]

[anonimizat].

Pentru a exemplifica multitudinea de acționări electrice ce pot fi studiate pe standul de teste, s-a realizat calculul de dimensionare a [anonimizat].

[anonimizat] s-a [anonimizat]. [anonimizat], astfel se face o [anonimizat],[anonimizat].

O a doua aplicație studiată este una de tip bandă transportoare. Pentru această aplicație s-a [anonimizat] s-a impus o [anonimizat]. În realitate sarcina pe banda transportoare variază în funcție de încarcarea acesteia.

Structura lucrării

Lucrarea este compusă din 4 capitole, după cum urmează:

În primul capitol s-au trecut în revistă următoarele informații: [anonimizat], tipurile de sarcină întâlnite în domeniul acționărilor electrice și prezentarea standului de teste realizat pentru laborator.

În capitolul doi s-a realizat prezentarea și dimensionarea aplicației de tip pompă cât și pentru aplicația de tip bandă transportoare.

În al treilea capitol s-a [anonimizat].

[anonimizat]. Tot în ultimul capitol sunt prezentate o parte din rezultatele ce pot fi obținute în timpul funționării unei aplicații menționate în lucrare. Printre rezultatele prezente se pot enumera următoarele: [anonimizat], [anonimizat], etc.

LISTA TABELELOR

Tabel 1 Parametri motoare – 9 –

Tabel 2 Parametri convertizor VLT 5000 – 10 –

Tabel 3 Parametri convertizor N100 – 10 –

Tabel 4 Parametri întreruptor GV2-P20 – 12 –

Tabel 5 Parametri întreruptor DPN-C10a – 12 –

Tabel 6 Valori de greutate a sarcinii pe metru de bandă – 20 –

Tabel 7 Categorii de utilizare ale contactoarelor – 29 –

LISTA FIGURILOR

Fig. 1 Menținerea constantă a [anonimizat].[4] – 3 –

Fig. 2 Variația vitezei de rotație la cuplu rezistent variabil.[4] – 4 –

Fig. 3 Cuplul static rezistent constant în raport cu turația [6] – 6 –

Fig. 4 Cupluri statice rezistente dependente de turație: – 7 –

Fig. 5 Cuplul static rezistent pulsatoriu [8] – 8 –

Fig. 6 Cuplu static rezistent aleatoriu [9] – 9 –

Fig. 7 Grupul de motoare electrice – 10 –

Fig. 8 Convertizoarele de frecvență – 11 –

Fig. 9 Rezistentă de frânare – 12 –

Fig. 10 Întreruptoarele și contactoarele – 13 –

Fig. 11 Electropompe din seriile NM4, B-NM4, NMS4, B-NMS4 [] – 14 –

Fig. 12 Convertizor de frecvență Hyundai N100 – 15 –

Fig. 13 [anonimizat] [13] – 18 –

Fig. 14 Bandă transportoare fabrică de reciclare. [12] – 19 –

Fig. 15 Bandă transportoare cu unghi – 21 –

Fig. 16 Schemă monofilară stand teste – 22 –

Fig. 17 Exemple de cablare și metode de instalare – 24 –

Fig. 18 Factori de corecție pentru temperaturi ale aerului, altele decât 30°C – 24 –

Fig. 19 Factori de reducere pentru grupuri mai mari decât un circuit sau cablu multifilar- 25 –

Fig. 20 Capacitatea transport a cablului în regim continuu la temperatura de 85°C – 25 –

Fig. 21 Cabluri electrice – 26 –

Fig. 22 Alegere întreruptor – 27 –

Fig. 23 Selectivitatea întreruptoarelor – 28 –

Fig. 24 Alegere tensiune de alimentare a bobinei – 30 –

Fig. 25 Pagină catalog contactoare – 30 –

Fig. 26 Modul aparataj comandă și semnalizare – 31 –

Fig. 27 Limitator cursă – 31 –

Fig. 28 Presostat Danfoss – 31 –

Fig. 29 Interfață ControlDesk – 32 –

Fig. 30 Schema electrică a pompei – 33 –

Fig. 31 Curentii pe cele trei faze măsurați pe mașina electrică – 34 –

Fig. 32 Curenții celor trei faze măsurați pe sarcină – 34 –

Fig. 33 Curenții id si iq pe mașina electrică – 35 –

Fig. 34 Turatia impusă și truația reală – 35 –

Fig. 35 Deplasarea punctului de funcționare în timpul testului: – 36 –

Fig. 36 Sarcina impusă – 36 –

Fig. 37 Schemă electrică bandă transportoare – 37 –

Fig. 38 Curenții celor trei faze măsurați pe mașina electrică – 38 –

Fig. 39 Curenții celor trei faze măsurați pe sarcină – 38 –

Fig. 40 Curentii id si iq pe mașina electrică – 39 –

Fig. 41 Turația impusă și turația reală – 39 –

Fig. 42 Deplasarea punctului de funcționare în timpul testului: – 40 –

Fig. 43 Sarcina impusă – 40 –

INTRODUCERE

Actionările electrice sunt echipamente complexe menite să asigure alimentarea și comanda optimală a elementelor de execuție din cadrul proceselor tehnologice.

Obiectivele lucrării sunt :

Dimensionarea a două aplicații pentru un motor de 1,5 [kW]

Alegerea aparatajului potrivit pentru alimentare, comandă și protecție a motorului.

Realizare scheme electrice pentru aplicațiile alese.

Realizarea părții de forță a standului.

Punerea în funțiune a sistemului de acționare electrică.

Achiziția datelor pentru aplicațiile realizate.

Capitolul 1. Sisteme de acționări reglabile

Acționările electrice au o prezență foarte mare în consumul de energie electrică. Se aproximează că peste 60% din energia electrică produsă este folosită în acționările electrice. Dezvoltarea electronicii de putere și a electronicii de comandă a determinat atât apariția unui flux de informații foarte mare, cât și completarea structurii energetice astfel încât în prezent sistemele de acționare electrică se regăsesc în mai toate industriile.

În instalațiile cu acționare electrică se realizează conversia electromecanică a energiei, mașina electrică îndeplinind rolul de convertor al energiei electrice în energie mecanică și uneori, în regim de frânare prin recuperare, de convertor al energiei mecanice în energie electrică în funcție de condițiile de funcționare determinate de procesul tehnologic efectuat de mecanismul executor sau de lucru. Între toate componentele acestor instalații există o interdependență strânsă, permițând considerarea acționării ca un sistem prin care se realizează conversia electromecanică a energiei și în care se asigură pe cale electrică controlul energiei mecanice. [4]

Convertoarele statice sunt echipamente electrice realizate cu elemente specifice electronicii de putere cum ar fi: diode, tiristoare, tranzistoare, având și o parte de comandă. Acestea au rolul de a furniza și distribui semnalele de comandă în funcție de topologia părții de forță astfel încât să se comande puterea electrică necesară mașinii electrice.

Acționările electrice reglabile se regăsesc în toate ramurile industriei: mașini unelte, metalurgie, industria cimentului, industria alimentară, distribuția apei, industria petrochimică, industria farmaceutică etc.

Sisteme de acționări reglabile – noțiuni generale

Reglarea vitezei de rotație a mașinilor de lucru acționate cu mașini electrice a fost cerută de necesitățile proceselor tehnologice. Primele sisteme de acționare electrică permiteau o reglare a vitezei în limite mici si deseori cu pierderi mari de putere. În prezent au crescut atât cerințele în privința domeniului de reglare realizat, cât și posibilitățile prin care aceste reglări sunt posibile , cu pierderi de putere minime.

S-a trecut, de asemenea printr-un proces de evoluție pozitiv, de la reglarea mecanica a vitezei de rotație, sau de la modificarea raportului de transmisie dintre mașina electrică la turație constantă și mașina de lucru, la reglarea electrică modernă. În ultimul caz se recurge la reglarea vitezei de rotație a mașinii electrice, cu tensiune și frecvență variabilă de alimentare constituie o clasă modernă de acționari electrice reglabile, cu utilizări largi (mașini de fabricat hîrtie, laminoare, mașini unelte, metalurgie, etc)

În fig. 1 este prezentată menținerea constantă a vitezei de rotație, când cuplul static este variabil între doua limite. Această reglare se face pe o infinitate de caracteristici mecanice artificiale, realizate în practică cu ajutorul sistemelor de reglare automata. Punctul de funcționare trebuie sa poată trece de pe o caracteristică mecanică pe una infinit vecină.

Fig. 1 Menținerea constantă a vitezei de rotație, la cuplu static rezistent variabil.[4]

În fig. 2 este prezentată reglarea vitezei la cuplu static constant. Pentru a varia în această situație viteza motorului de acționare pe cale electrică, acesta va trebui să funcționeze pe caracteristici mecanice artificiale, obținute pe calea modificării a cel puțin unui parametru electric sau magnetic.

Fig. 2 Variația vitezei de rotație la cuplu rezistent variabil.[4]

Istoricul actionărilor electrice

În decursul dezvoltării istorice acționarea electrică a apărut prin înlocuirea motorului hidraulic, cu abur sau cu combustie internă printr-o mașină electrică. Astfel s-a obținut acționarea pe grupe, la care mai multe mașini de lucru sunt acționate de la aceeași mașină electrică.

Folosirea mașinilor electrice a permis însă trecerea la acționarea individuală, în care fiecare mașină de lucru are motorul său de acționare, obținându-se avantajul dispunerii utilajelor în flux tehnologic și înlocuirea vechilor transmisii prin curele la distanțe mari și voluminoase prin transmisii compacte de angrenaje individuale. Cerințele obținerii unor performanțe de nivel superior pentru mașinile de lucru, în vederea realizării unui rantament cât mai crescut, au determinat creșterea complexității lor funcționale și constructive, inclusiv perfecționarea sistemului de acționare electrică. Astfel apare tendința de apropiere a mașinilor electrice de mecanismele executoare. Așa a luat naștere sistemul de acționare electrică, numit și acționarea multiplă. La care fiecare mecanism de execuție al mașinii de lucru are motorul său de acționare.

Aplicarea pe scară tot mai largă a acționării multiple și pretențiile crescânde de economisire a energiei și productivitate a instalațiilor industriale, au determinat mărirea exigențelor privind reglajul vitezei, pornirea, frânarea, reversarea și corelarea funcționării mașinilor electrice ale aceleiași instalații. Pentru satisfacerea acestor cerințe s-au dezvoltat din ce în ce mai mult acționările complexe, reglabile și automatizarea proceselor de producție. O altă consecință a fost răspândirea unor noi tipuri de organe de transmisie dintre mașina electrică și mecanismul executor, cum ar fi de exemplu cuplajele electromagnetice, care favorizează extinderea comenzii automate și asupra acestei părți a sistemului de acționare.

Majoritatea motoarelor rotative de acționare, peste 96% este constituită de motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit sau bobinat. Primul motor asincron de tip industrial apare în 1889, construit de M.O. Dolivo-Dobrovolski, care a fructificat lucrările anterioare ale lui G. Ferraris și N. Tesla. Folosirea pe scară largă a motoarelor asincrone se poate explica prin robustețea și simplitatea sa, preț redus, siguranța în exploatare. Acționările electrice cu motoare asincrone se folosesc în toate sectoarele consumatoare de energie electrică: industrie, agricultură, transporturi, casnic, medicină, etc.

Tipuri de sarcină

Mașina de lucru primește de la motor energia necesară pentru a învinge toate forțele ce apar în timpul procesului de lucru, a forțelor rezistente statice Fs și a forțelor rezistente dinamice Fd.

Forțele rezistente statice sunt constituite din forțe utile și din forțe de frecare.

Forțele rezistente dinamice apar datorită inerției pieselor în mișcare din întregul sistem de acționare; deci, ele apar numai pe durata variațiilor de viteză (porniri, opriri, frânări, accelerări).

În cazul acționărilor cu mișcare liniară, motorul poate pune în mișcare o mașină de lucru dacă dezvoltă o forță F egală cu suma tuturor forțelor rezistente, statice și dinamice:

(1)

Cunoscută și sub denumirea de ecuația fundamentală a mișcării pentru acționările liniare.

În cazul acționărilor cu mișcare de rotație, care sunt cele mai numeroase, ecuația mișcării capătă o formă specifică, în care forțele se înlocuiesc cu momente:

(2)

În care: M – cuplul motor [Nm]

Ms – cuplul rezistent static [Nm]

Md – cuplu rezistent dinamic [Nm]

Prin caracteristica mecanică a unei mașini de lucru se înțelege modul de variație a cuplului rezistent static al acesteia în funcție de un parametru care determină valoarea acestui cuplu.

Cuplul rezistent static al unei mașini de lucru poate depinde de diferiți parametri, cum ar fi:

– viteza de deplasare sau de rotație;

– un unghi pe care un organ component al mașinii de lucru îl face cu o anumită poziție de referință;

– drumul parcurs de mașina de lucru.

În funcție de acești parametri se poate face o clasificare a mașinilor de lucru:

Mașini de lucru cu cuplul rezistent static constant.

La această categorie de mașini, cuplul rezistent static este, practic, constant (fig. 3).

Fig. 3 Cuplul static rezistent constant în raport cu turația [6]

Din această categorie de mașini de lucru fac parte, de exemplu: mecanismele de ridicat greutăți, podurile rulante, macaralele, ascensoarele, benzile transportoare cu sarcină uniformă de-a lungul lor, laminoarele reversibile, mașinile de imprimat etc.

Mașini de lucru cu cuplul rezistent static dependent de viteză

Mașinile de lucru din această categorie pot avea:

– cuplul rezistent static dependent liniar de viteză (Fig 4.a) – valțurile din industria cauciucului, mașinile de bobinat etc.

– cuplul rezistent crescător cu pătratul vitezei (Fig 4.b) – ventilatoarele, turbocompresoarele, pompele centrifuge, elicele de pe navelor maritime etc.

– cuplul rezistent variabil invers proporțional cu viteza (Fig 4.c) – mașini de înfășurat sârmă, tablă, hârtie, mașini de prelucrare prin așchiere etc.

Fig. 4 Cupluri statice rezistente dependente de turație:

a – variație liniară; b – variație pătratică; c – variație invers proporțională [7]

Mașini de lucru cu cuplul rezistent static dependent de unghi.

Din această categorie de mașini fac parte: roboți, manipulatoare, fierăstraie mecanice, foarfece de tăiat metal, ciocane mecanice, compresoare cu piston, pompe de adâncime pentru extracția de țiței și în general toate mașinile care au în componența lor mecanisme bielă-manivelă (fig.5)

Fig. 5 Cuplul static rezistent pulsatoriu [8]

Mașini de lucru la care cuplul rezistent static depinde de drumul parcurs

Din această categorie de mașini fac parte instalațiile de ridicat la mare înălțime sau de la mare adâncime, la care greutatea cablului de ridicare este comparabilă cu sarcina utilă: macarale, ascensoare, instalații de foraj, instalații de extracție minieră etc. Spre deosebire de instalațiile de ridicat la înălțime mică la care greutatea cablului este mult mai mică decât sarcina utilă și la care cuplul static este, practic, constant, la instalațiile de ridicat la mare înălțime, lungimea cablului (și deci, și greutatea sa) variază în timpul acționării proporțional cu deplasarea sarcinii utile.

Mașini de lucru pentru care cuplul rezistent static variază aleatoriu în timp

Din această categorie de mașini fac parte, de exemplu: ferăstraiele pentru lemn, malaxoarele, morile cu bile, sondele de foraj etc. Cuplul rezistent static depinde de un număr apreciabil de parametri, care se modifică permanent, fără a exista o lege de variație a acestora în timp (fig.6).

Fig. 6 Cuplu static rezistent aleatoriu [9]

Prezentarea standului de teste realizat pentru laborator

Standul este compus din următoarele elemente.

Două motoare identice asincrone trifazate, cu următorii parametri:

Tabel Parametri motoare

Fig. 7 Grupul de motoare electrice

Motoarele sunt alimentate de două convertizoare de frecvență, unul de tip Danfoss VLT 5000, iar altul Hyundai N100.

Convertizorul Danfoss VLT 5000.

Tabel Parametri convertizor VLT 5000

Convertizorul Hyundai N100.

Tabel Parametri convertizor N100

Fig. 8 Convertizoarele de frecvență

Convertizorul N100 are conectat și un rezistor de frânare cu rezistența R=145Ω. Acesta are rolul de a consuma energia disipată pe circuitul intermediar în timpul frânării.

Fig. 9 Rezistentă de frânare

Aparatajul pentru protecție și comutație:

Întreruptorul pentru circuitul de forță este GV2-P20 (Schneider), cu urmatorii parametri:

Tabel Parametri întreruptor GV2-P20

Întreruptorul pentru circuitul de comandă este DPN C10a (Merlin Gerin), cu următorii parametri:

Tabel Parametri întreruptor DPN-C10a

Comutarea este asigurată de contactoarele LC1D18P7 (Schneider), care au următorii parametri:

In=18 [A]

U=440 [V]

Categorie de utilizare=AC3

Contacte auxiliare= 1 NO+1NC

Fig. 10 Întreruptoarele și contactoarele

Capitolul 2 Dimensionarea Sistemului de acționare electrică

Aplicația 1: Acționare de tip pompă

Una din aplicațiile ce se pot studia pe standul realizat este acționarea unei pompe. Dimensionarea elementelor necesare s-a facut pornind de la mașinile electrice existente în laborator, de tip asincron trifazat cu P=1,5 [kW].

Pentru simularea sarcinii se va folosi unul din motoarele asincrone trifazate de 1,5 [kW]. Aceasta va generea un cuplu similar unei pompe.

În continuare este prezentată și procedura ce se poate utiliza pentru alegerea unei pompe centrifugale, dimensionarea fiind facută la puterea motorului existent. Datele necesare sunt preluate din catalogul de pompe al firmei Calpeda-Romania. Se va considera că sistemul de pompare va deservi o instalație de apă menajeră și va transporta apa dintr-un rezervor pentru alimentarea unor locuințe.

Fig. 11 Electropompe din seriile NM4, B-NM4, NMS4, B-NMS4 []

Alimentarea mașinii electrice ce va antrena sarcina (pompa) se va face printr-un convertizor de frecvență de la firma Hyundai, modelul N100.

Fig. 12 Convertizor de frecvență Hyundai N100

Calculul randamentului pompelor

Puterea generată de pompă reprezintă putera înmagazinată de agentul motor refulat de pompă. Ipotetic s-a stabilit că presiunea maximă pe care o va putea atinge fluidul pe coloana principală este de 5 bari. Valorile standardizate ale randamntelor unei pompe sunt definite de STAS 7145-86 și sunt :

(3)

(4)

(5)

Randamentul pompei, notat cu 𝜂p se calculează prin produsul celor trei randamente (volumic, mecanic si hidraulic) și reprezintă capacitatea pompei de a-și menține caracteristicile de performanță și randamentul inițial în instalația în care a fost montată pentru un timp cât mai îndelungat.

(6)

(7)

Calculul puterii la pompele hidraulice

(8)

(9)

În care: 𝜂p – reprezintă randamentul pompei a cărui valoare s-a calculat în relația (6);

Ph – reprezintă puterea hidraulică a pompei și s-a calculat în realatia (9);

Pe – reprezintă puterea motorului electric = 1,5 [kW].

Calculul pentru debitul pompei

Datele necesare pentru calcularea debitului unei pompe centrifuge sunt urmatoarele: puterea motorului electric, înălțimea nominală de pompare, randamentul pompei si densitatea lichidului pompat. Debitul este dat de relația de mai jos.

(10)

În care: – densitatea lichidului pompat = 997 [kg/m3];

Pe – puterea electrică = 1,5 [kW];

H – înălțimea de pompare = 20 [m]

înlocuid valorile rezultă un debit al pompei de:

(11)

Calculul puterii mecanice la pompe

Produsul dintre puterea electrică, randamentul mecanic si randamentul volumic este definit ca putere mecanică, notată cu Pm măsurată în [kW]

(12)

Înlocuind (4), (5), si (10) în (12) rezultă o putere mecanică de:

(13)

Calculul momentului la pompe

Momentul hidromotorului este determinat cu relația:

(14)

În care: q – reprezintă capacitea teoretică = 15 [cm3];

p – presiunea maximă = 5 [bar];

înlocuind (5) în (14) se poate determina momentul pompei.

(15)

Calculul turației la pompe

Pornind de la relația cuplului:

(16)

(17)

Turația (n) a pompei se poate calcula cu relatia (17):

(18)

Înlocuind (13), (15), în relația (18) rezultă o turație a pompei de:

(19)

Alegerea pompelor

În urma studiului amănunțit asupra ofertelor mai multor producători de turbopompe în vederea alegerii unei pompe adecvate care să satisfacă rezultatele reieșite din calcule, s-a decis alegerea unei turbo-pompe tip NM4 40/25/B, produse de firma Calpeda-Romania.

Această pompă poate fi utilizată pentru lichide curate, fără substanțe abrazive, care sunt neagresive pentru materialele pompei (conținutul de solide de până la 0,2%). Pentru alimentare cu apă. Pentru instalații de încălzire, climatizare, răcire și de circulație. Pentru instalații civile și industriale. Pentru irigare.

Fig. 13 Foaie catalog turbo-pompă [13]

Aplicația 2: Acționare de tip bandă transportoare

O a doua aplicație care se poate studia pe standul realizat este acționarea unei benzi transportoare.

Cunoscând înălțimea de ridicare a materialului, tipul de material si viteza maximă pe care acesta o suportă, se vor calcula urmatorii parametri: productivitatea benzii transportoare, puterea electrică a motorului pentru antrenarea benzii, tangeta de și posibilitatea de a construi transportorul.

Pentru simularea sarcinii de tip bandă transportoare s-a folosit motorul asincron trifazat din fig. 7

Această bandă va transporta peturi de plastic către un tocător la înălțimea de 2 [m]. Instalația electrică va fi prevăzută cu limitatori de cursă ce vor fi folosiți pentru a detecta dacă există personal in apropierea benzii și se va opri sau nu va porni dacă personalul se afla prea aproape de bandă. Banda va funcționa la viteză variabilă, în funcție de cât de aglomerat este tocătorul. Pentru acest lucru este nevoie acționarea motorului cu ajutorul unui convertizor de frecvență. Iar în acest caz se va folosi convertizorul de la Hyundai, modelul N100.

Fig. 14 Bandă transportoare fabrică de reciclare. [12]

Productivitatea se determină cu relatia (20), iar greutatea sarcinii se găseste în tabelul 1

(20) (21)

în care:

q – este greutatea sarcinii pe metru de banda, [kgf/m];

v – viteza benzii, [m/s].

Greutatea sarcinii pe metru de bandă, cum și viteza de deplasare a benzii, sunt în general limitate de tipul de material transportat. În tabelul de mai jos se gasesc valorile pentru diferite materiale.

Tabel 6 Valori de greutate a sarcinii pe metru de bandă

Pentru o înălțime H=2 [m] și o viteză v=1,8 [m/s], puterea pentru motorul necesar benzii transportoare, este similară cu puterea motorului din laborator

(22)

(23)

în care:

H – înălțimea de ridicare a materialului;

v – viteza benzii;

L0 – proiecția orizontală a drumului sarcinii transportate, 4 [m];

L – poiecția orizontală a lungimii transportorului între tamburi, la capetele benzii, 5 [m];

Fig. 15 Bandă transportoare cu unghi

Având în vedere că distanța de transport este de 4 m, iar înălțimea la care se ridică de 2 m, rezultă că tangenta unghiului de înlinare față de orizontală este:

(24)

Iar β≈28ᵒ, fiind sub valoarea unghiului de înclinare maxim admis pentru transportul peturilor de plastic.

Prin urmare, transportul este posibil.

Capitolul 3 Dimensionarea aparatajului electric

Proiectarea sistemului de acționare pentru cele două aplicații

În această parte a lucrării se va alege cablul, aparatajul pentru protecția instalației, aparatajul de comutare și cel de semnalizare pentru cele două aplicații.

Fig. 16 Schemă monofilară stand teste

Alegerea cablurilor

Producatorii ofera tabele in care sunt precizate valorile curentilor in functie de sectiunea conductorului. Insa aceasta este insuficient, intrucat este doar un caz ideal, in care se considera conductorul pozat singur pe un traseu de cablu si intr-un mediu termic de 30 grade. Insa, conditiile reale de lucru ale cablului, in majoritatea situatiilor sunt mult diferite, motiv pentru care conductorul sau cablul nu mai suporta curentul dat in tabel de catre producator. Acest curent trebuie ajustat printr-o serie de factori de corectie, care tin de metoda de instalare (K1), temperatura ambianta (K2) si influenta mutuala a celorlalte cabluri (K3).

În cazul de față cablul de alimentare este prins în cleme, pe un perete din beton, la o temperatură ambiantă de 25C

Asadar, capacitatea de transport a cablului va fi:

(25)

(26)

În care: It – curentul de sarcină corectat, care se va compara cu capacitatea de transport a cablului ales

In – curentul nominal al instalației

k – factor de corecție

K1 – factor de corecție ce ține de metoda de instalare

K2 – factor de corecție ce ține de temperature ambiantă

K3 – factor de corecție ce tine de influența mutuală a celorlalte cabluri

Determinarea factorului de corecție K1

Fig. 17 Exemple de cablare și metode de instalare

Pentru metoda de instalare se va folosi parametrul C, rezultă cu K1=0,95

Detereminarea factorului de corecție K2

Temperatura ambianta a mediului în care va lucra pompa și prin care va trece cablul de alimentare a motorului pompei este de 25°C

Fig. 18 Factori de corecție pentru temperaturi ale aerului, altele decât 30°C

Pentru cazul acestei aplicații se va lua un factor de corecție K2 egal cu 1,06

Determinarea factorului de corecție K3

Fig. 19 Factori de reducere pentru grupuri mai mari decât un circuit sau cablu multifilar

Din fig.19 reiese ca factorul de corectie K3 este egal cu 1

Curentul nominal al mașinii electrice, este de 3,8A, iar cel al motorului ce simulează sarcina este identic.

Înlocuind în relația (25) si (26) rezulta:

(27)

Fig. 20 Capacitatea transport a cablului în regim continuu la temperatura de 85°C

Din fig.20 si relația (27), pentru alimentarea de la distribuție a convertizoarelor, cât și a motoarelor rezultă un cablu cu sectiunea conductorului de 1 mm2 ,iar pentru alimentarea distribuție curentul va fi dublu deoarece motoarele M1, M2 au același curent nominal, rezultă It=7,54, pentru siguranța în exploatare, se va alege un cablu cu secțiunea conductorului de 2,5 mm2

Fig. 21 Cabluri electrice

Alegerea întreruptoarelor

În alegerea întreruptoarelor trebuie să se țină cont de următorii parametri:

Curentul nominal al instalației în care este montat întreruptorul

Tensiunea la care funcționează instalatia electrică

Curentul de scurtcircuit

Tipurile de consumatori din instalație

Întreruptoarele au fost alese de la producătorul Schneider.

Alegere intreruptorul Q din fig.17

Tipul: GV2ME143

Categoria: AC3

Curent: 10 [A]

Curent scurtcircuit: 10 [kA]

Tensiune: 400/415 [V]

Pe același principiu se vor alege întreruptoarele Q1, Q2 din fig.16, pentru mașina electrică si sarcină

Tipul: GV2ME083

Categoria: AC3

Curent: 4 [A]

Curent scurcircuit 10 [kA]

Tensiune: 400/415 [V]

Fig. 22 Alegere întreruptor

În programul Curve Direct de la producatorul Schneider s-a realizat selectivitatea întreruptoarelor, construind curba de sarcină a protecțiilor alese pentru cele două aplicații.

După cum se poate observa în fig. 24 curentul Ir pentru GV2ME083 s-a reglat la valoarea de 4 [A], iar pentru GV2ME143 s-a reglat la valoarea de 10 [A], în urma acestor reglaje există selectivitate între întreruptoare.

Fig. 23 Selectivitatea întreruptoarelor

Alegerea contactoarelor

Contactorul este echipament electric de comutatie (inchidere-deschidere). El este specializat pe comutatie, avand o anduranta (cicluri inchidere-deschidere) de pana la 10 ori mai mare decat un întreruptor. întreruptorul este echipament electric de comutatie si protectie, fiind destinat in principal pentru protectie.

În alegerea contactoarelor trebuie avut in vedere categoria de utilizare a acestora, parametrii de lucru ai instalatiei electrice cum ar fi: tensiunea la care funcționează instalația, curentul maxim care poate trece prin contactor, tensiunea de alimentare a bobinei contactorului și numarul de contacte auxiliare.

Categoria de utilizare se referă la curentul pe care il suporta contactorul la pornirea unui consumator, în funcție de natura sarcinii acestuia (rezistiva, usor inductiva sau puternic inductiva).

Tabel 7 Categorii de utilizare ale contactoarelor

Mașina electrică, cât și motorul ce simulează sarcina au urmatorii parametri:

P=1,5 [kW]

I=3,8 [A]

U=380 [V]

Mașina electrică este alimentată de la un convertizor. Prin urmare curentul la pornirea motorului tinde spre 0.

În convertizor au fost facute setări de limitare a curentului pe care îl cere motorul, astfel încât acesta să nu depasească valoarea nominala de 3,8 [A]

Tensiunea de alimentare a bobinei contactorului este de 230 [V]

Din catalogul prodrucatorului Schneider se va alege următorul contactor:

Tipul: LC1D09P7

Categoria: AC-3

Curent: 9 [A]

Tensiunea 380/400 [V]

Fig. 24 Alegere tensiune de alimentare a bobinei

Fig. 25 Pagină catalog contactoare

Alegerea aparatajului de comandă și semnalizare

Pentru realizarea comenzilor de pornire-oprire a convertizorului este nevoie de aparataj de comandă, care constă în două butoane cu revenire, în care, unul are un contact normal închis, iar altul are un contact normal deschis, iar pentru semnalizare s-a folosit o lampă ce semnalizează că instalația este în funcționare.

Pentru cele două aplicații s-au ales si elementele de protecție-control ale masinii electrice.

Fig. 26 Modul aparataj comandă și semnalizare

Capitolul 4 Standul de teste

Prezentarea programului de emulare

Interfata software a placii de achiziție a datelor și control dSPACE DS1102 se numește ControlDesk. Cu ajutorul acestuia s-a realizat pagina grafică folosind instrumentație virtuală.

Programele de test/simulare sunt realizate în Matlab Simulink. Pentru ca programul sa poată fi citit de ControlDesk, acesta trebuie compilat. După compilare se încarca automat pe placă dSPACE, dacă aceasta este deschisă in momentul compilării. După încărcarea programului se poate crea si interfața grafică. În această interfață se pot adăuga slidere la care se pot asigna elementele de gain sau constantele, se mai pot adauga plotere pentru a vedea unul sau mai multe, butoane pentru comutarea pe anumite funcții ale programului ce rulează.

În partea stângă din fig. 29, se poate observa instrumentul pentru înregistrarea semnalelor primite de către placa de achizitie. Din acest menu se poate seta durata înregistrării si pasul de eșantionare

Performanțele plăcii limitează durata de achiziție a unui set de date, în cazul aplicației testate la aproximativ 6 [s]

Fig. 29 Interfață ControlDesk

Rezultate obținute pentru aplicația de timp pompă cu debit variabil

Schema electrică necesară pentru o astfel de aplicație este formată din două părti. Partea de forță care este compusă din: întrerupotorul Q1, contactorul K1, convertizorul G, motorul M1. Și partea de comandă compusă din: întreruptorul F1, butonul de oprire S1, butonul pentru pornire S2, lampa de semnalizare H si contactele B1, B2 ale presostatulu, unde: B1 este contactul normal închis, iar B2 contactul normal deschis. Acestea acționează atunci când presiunea depășește intervalul setat.

Fig. 30 Schema electrică a pompei

Emularea aplicației de tip pompă

Pentru emularea sarcinii de tip pompă s-a folosit un cuplu rezistent pătratic dependent de turația motorului.

În fig. 31 se observă variația curentului absorbit de motorul electric încărcat la arbore cu sarcina de tip pompă.

Fig. 31 Curentii pe cele trei faze măsurați pe mașina electrică

În figura de mai jos se observă curentul absorbit de mașina electrică care emulează sarcina.

Fig. 32 Curenții celor trei faze măsurați pe sarcină

În fig. 33, se observă cunrentul id, care arată variația fluxului în motor, și curentul iq care arată vatiația cuplului electromagnetic

Fig. Curenții id si iq pe mașina electrică

Verde – iq; roșu – id.

În figura de mai jos se observă impunerea de viteză si turația reală. Controlul se face în buclă deschisă.

Fig. 34 Turatia impusă și truația reală

Pe caracteristica mecanică, fig. 35, se observă variația patratică a cuplului, în raport cu viteza de rotație a motorului.

Fig. 35 Deplasarea punctului de funcționare în timpul testului:

axa x – cuplul, axa y – turația

Fig. 36 Sarcina impusă

Rezultate obtinute pentru aplicația de tip bandă transportoare

Schema electrică necesară pentru o astfel de aplicație este formată din două părti. Partea de forță, care este compusă din: întrerupotorul Q1, contactorul K1, convertizorul G, motorul M1. Și partea de comandă compusă din: întreruptorul F1, butonul de oprire S1, butonul pentru pornire S2, lampa de semnalizare H si limitatorul de cursă S3.

Fig. 37 Schemă electrică bandă transportoare

Emularea benzii transportoare

Pentru emularea benzii transportoare, s-a considerat o viteza constantă, iar cuplul variabil.

Fig. 38 Curenții celor trei faze măsurați pe mașina electrică

Fig. 39 Curenții celor trei faze măsurați pe sarcină

În fig. 40 se observă curenții id si iq, măsurați pe mașina electrică

Fig. Curentii id si iq pe mașina electrică

Verde – iq; roșu – id

În fig. 41, se observă viteza impusă (verde), împreună cu viteza masurată la mașina electrică (roșu).

Fig. 41 Turația impusă și turația reală

În fig. 41 este prezentată variația cuplului în raport cu viteza, în prima parte a graficului viteza creste odată cu cuplul, pana la valoarea de 2,5 [Nm], apoi cuplul rămâne constant și motorul ajunge la turație nominală, apoi cuplul are doua variații, crește până în 5 [Nm], scade în 0, creste iar până la 5 [Nm] și trece din nou în 0. Această variație se observă si in fig. 43, unde este reprezentată sarcina impusă.

Fig. 42 Deplasarea punctului de funcționare în timpul testului:

axa x – cuplul, axa y – turația

Fig. 43 Sarcina impusă

Concluzii

Prin realizarea acestui stand s-au putut realiza emulări pentru diverse tipuri de sarcini, cum au fost și cele două aplicații prezentate.

Utilizând placa de achizitii DSPACE 1102 împreună cu programele ControlDesk si Matlab Simulink, se pot realiza o multitudine de scenarii în care este implicată mașina electrică asincronă.

Pentru realizarea standului a fost nevoie de montarea aparatajului pe un perete perforat. Apoi a fost realizată cablarea aparatajelor, alimentarea convertizoarelor și a motoarelor. Dupa terminarea montajului, a trebuit realizată o parametrizare a convertoarelor pentru motoarele conectate la acestea.

Punerea în funcțiune a întreg montajului s-a făcut după o verificare amănuntită a conexiunilor între elementele standului.

Acest stand de teste este folositor atât procesului didactic cât și studenților dornici să studieze sistemul de acționare electrică cu mașina asincronă în diferite condiții de sarcină și să vizualizeze răspunsul sistemului de actionare, cât mai aproape de realitate.

Bibliografie

N.V. Botan. –Cum se aleg motorarele electrice ale mecanismelor industriale

Nicolae Vasiliu, Daniela Vasiliu.-Acționări hidraulice si pneumatice vol.1, București, 2004

I. Novac, E. Micu, E. Andreescu, R. Codoiu, E. Roșu, M. Babescu, Gh. Atanasiu, I.Bivol, Gh. Dudiță, D. Irhașiu, I. Pop. Mașini și acționări electrice, Editura didactică și pedagogică, Bucuresti, 1980

C. Saal, I. Țopa, Al. Fransua, E. Micu, Acționări electrice și automatizări, Editura didactică și pedagogică, Bucuresti, 1980;

Electrotehnica Echipamente Electrice, Acționări electrice reglabile

Tatiana Bălășoiu, Ileana Măjinescu, Sisteme de acționare electrică, 2006

Danfoss, VLT5000 Instruction manual

Danfoss, VLT5000 Operating instruction

DS1102 DSP Controller board, 2003

Hyundai, N100 User manual

Kelemen Árpád, Imecs Maria: Vector Control of AC Drives. Volume 2: Vector Control of Synchronous Machine Drives. Ecriture-Publisher, Budapest, Hungary, 1993, ISBN 9635931409

Arpad Kelemen, Acționări electrice, Întreprinderea poligrafică Cluj, 1979

Danfoss, VLT HVAC Drive, Application Guide

Curs Sisteme de acționare electrică eprofu.ro/ct/absolvire/sae.doc

www.ivp.ro/presostat-danfoss-KP135

Electric com 3M-Grup Energo

Catalog Schneider, nov. 2014

www.electricalequipment.ro/limitator-de-cursa-seria-cm-1703-468113.html

www.calpeda-romania.ro