Documente online.
Username / Parola inexistente
  Zona de administrare documente. Fisierele tale  
Am uitat parola x Creaza cont nou
  Home Exploreaza
Upload




























MOTOARE ASINCRONE

tehnica mecanica




MOTOARE ASINCRONE

ACTIONARI CU VITEZA REGLABILA

Actionari cu motoare asincrone de mica putere cu performante

economice si siguranta ridicate




G. VELICHI*, V. RADUT**

Motorul asincron polifazat a transat definitiv lupta dintre adeptii producerii si transportului energiei electrice în curent continuu si cei în curent alternativ.

Înainte de inventarea acestuia era foarte clar pentru toata lumea (poate doar cu exceptia lui Edison) ca producerea energiei electrice la locul sursei de

energie primara (cadere hidraulica sau mina de

carbuni) si transportul ei pe linii de înalta tensiune

este o solutia cea mai eficienta din punct de vedere

economic. Din pacate majoritatea aplicatiilor, la acea

data, necesitau curent continuu de joasa tensiune.

Motorul lui Tesla a rezolvat simultan doua probleme:

pe de o parte a permis conversia directa a energiei

electrice de curent alternativ în lucru mecanic, iar pe

de alta parte a permis realizarea unor convertoare

electromecanice, grup motor-generator, care sa

transforme energia de curent alternativ în energie de

curent continuu la parametrii de tensiune si curent

doriti.

De la bun început motorul asincron s-a impus

prin robustetea si simplitatea lui constructiva precum

si prin randamentul sau ridicat.

Motorul asincron reprezinta astazi principalul

element de conversie a energiei electrice în lucru

mecanic. În tarile industriale dezvoltate peste jumatate

din energia electrica produsa serveste la alimentarea

motoarelor electrice, cea mai mare parte pentru cele

asincrone. Pe de alta parte, progresele tehnice din

ultimii ani din domeniul elementelor de comutatie

statica de putere, a tehnicilor si sistemelor de

comanda au permis motorului asincron sa patrunda în

sectoare care anterior le erau închise: tractiunea

electrica, actionari cu gama larga de turatie, roboti

industriali, masini unelte, etc.

Pâna nu demult motorul asincron era destinat

alimentarii directe de la retea, functionarea sa

asigurând o viteza mai mult sau mai putin constanta.

Din aceasta categorie fac parte actionari de pompe,

ventilatoare, instalatii de aer conditionat etc. Reglajul

debitului sau al presiunii se facea fie pe partea de

sarcina prin obturarea conductelor de iesire, fie pe

partea de alimentare prin alimentarea intermitenta a

motorului. Evident, astfel de solutii sunt ineficiente si

odata cu progresele realizate în dezvoltarea

convertoarelor de frecventa chiar si pentru motoare de

putere mica, a devenit posibil, nu numai din punct de

vedere tehnic dar si economic, o reglare simultana a

frecventei si tensiunii, si implicit o viteza modificabila

în limite relativ largi, îmbunatatind astfel eficienta

globala a sistemului.

Articolul de fata se ocupa de motoarele

uzuale de mica putere (sub 10 kW) care însa la nivel

global consuma peste un sfert din energia electrica

produsa în lume, dar a caror putere totala instalata

globala poate egala (datorita nesimultaneitatii în

exploatare) puterea tuturor centralelor electrice în

functiune.

Majoritatea

lucrarilor

actuale

privind

motoarele asincrone au drept obiectiv realizarea unor

performante dinamice cât mai ridicate ale acestora în

conditiile în care functionarea lor sa fie asigurata într-o

gama de viteza cât mai ridicata. Pe baza experientei

însa s-a constatat ca în marea majoritate a aplicatiilor

industriale, nu super-performantele dinamice sunt

cele mai apreciate ci performantele de regim

stationar, iar în ceea ce priveste domeniul de reglare

a vitezei, aceasta se face în limitele relativ reduse


Motoarele asupra caror ne concentram în

aceasta lucrare nu sunt destinate exclusiv aplicatiilor

de vârf, dinamica lor fiind mai putin importanta,

aspectele energetice fiind precumpanitoare. Mai mult

decât atât, chiar si capacitatea de reglare ultraprecisa

a turatiei lor nu este primordiala, deoarece marimea

finala urmarita de sistemul global nu este viteza

instantanee a masinii, ci marimi globale ca debitul,

presiunea sau temperatura. Deoarece motoarele

studiate functioneaza în multe cazuri alimentate prin

intermediul unor convertoare de frecventa, analiza

trebuie sa fie facuta asupra întregului ansamblu.

Astfel, randamentul energetic se refera la ansamblul

motor-convertor, factorul de putere nu se mai refera la

motor ci la redresorul ce alimenteaza invertorul

sistemului, armonicile de curent generate nu mai sunt

produse de masina ci de etajul de conversie curent

alternativ/curent continuu, fiabilitatea nu se mai refera

numai la masina ci si la convertizor pentru care

depasirea chiar pe timp foarte scurt a limitelor de

umiditate sau temperatura îi pot fi fatale.

Rezulta ca o analiza completa se poate face

numai tinând cont de interactiunea dintre partea

electromecanica (masina), partea electronica de

putere: (convertizorul c.a. - c.c. - c.a.), partea de

comanda si partea de utilizare (pompa, compresorul

etc.).

În functie de cerintele sarcinii, masina poate

functiona continuu sau intermitent astfel încât

parametrii de iesire ai instalatiei (pompe, ventilatoare

etc.) sa fie cei doriti. Utilizarea motoarelor alimentate

intermitent de la retea conduce la reducerea duratei

de viata a masinii si evident si a instalatiilor de

actionare. Astfel, un motor normal proiectat a

functiona continuu 20 de ani, în cazul utilizarii sale

într-o instalatie cu 6 porniri/opriri pe ora, îsi va

consuma "viata" normala în mai putin de un an.

Evident ca suprasolicitarile repetate electrice, termice

si mecanice reduc substantial viata masinii. Utilizarea

convertoarelor statice de frecventa permite nu numai

o continua reglare a vitezei masinii, ci reduce totodata

si aceste tipuri de solicitari, ceea ce evident asigura

reducerea cheltuielilor de exploatare. Totodata,

utilizarea acestor sisteme de frecventa variabila a

permis extinderea domeniului de utilizare a masinilor

asincrone si în domenii de aplicatii în care sunt

necesare viteze foarte mari. Pe baza cataloagelor

firmelor constructoare de masini de mica putere se

poate trasa un grafic cu limite superioare de viteza

functie de puterea lor nominala (Fig. 1).




n[rot/min]

puteri nominale [kW]




Fig. 1 Variatia vitezei maxime a motoarelor

asincrone


10kW

Asa cum am aratat anterior, în tarile

industriale dezvoltate, aproape aproximativ jumatate

din energia electrica produsa este consumata de catre

motoarele electrice, în buna parte din aceasta de

catre motoarele asincrone si ca atare randamentul

acestora este deosebit de important. Într-un studiu

recent al Departamentului Energiei din Statele Unite

se arata ca utilizarea de motoare asincrone de

eficienta ridicata comandate adecvat poate reduce

consumul lor de electricitate între 11% si 18%. Într-un

singur an un motor asincron poate consuma energie

electrica în valoare de 10 ori mai mare decât valoarea

sa de achizitie si din aceasta cauza o îmbunatatire a

eficientei lor si a sistemelor de comanda poate fi

amortizata într-un termen foarte scurt, în general între

an si doi. Un motor de randament ridicat "premium"

(cu încarcari electrice si magnetice mai scazute, deci



de dimensiuni mai ridicate) prezinta pierderi mai

coborâte cu 10÷40% (respectiv un randament crescut

cu 1-10%) si costa cu 15-30% mai mult decât un

motor standard. Identic, se poate demonstra ca din

punct de vedere economic pentru motoare pâna la

100 kW deteriorate, este mai economic înlocuirea lor

cu motoare noi decât sa fie rebobinate. Experienta

arata ca rebobinarea unui motor vechi reduce

randamentul acestuia cu 1-3% fata de performantele

initiale.

Problema motoarelor "economice" a aparut

dupa cresterea pretului petrolului din 1973 si este de

remarcat ca primii care si-au aratat interesul au fost

cercetatorii de la NASA (Frank Nola 1973). În anii

care au urmat, Statele Unite au obligat prin lege

comercializarea si utilizarea în exclusivitate a

motoarelor "energy efficient" EPACT (Federal Energy

Policy Act of 1992), performantele acestora fiind

definite prin standardele NEMA (National Electrical

Manufacturers) si CSA (Canadian Standard

Association) (vezi Fig. 2) .

















Randament [%]

Sarcina [% din sarcina nominala]

motoare

premium

motoare

normale

(standard)

Fig. 2 Randamentul functie de sarcina al motoarelor

asincrone normale si de randament ridicat al

motoarelor de 7kW

De remarcat ca un motor normal prezinta un

randament maxim de 89%, în timp ce un "super"

motor de aceeasi putere poate atinge 93%. Se

observa, de asemenea, faptul ca pe masura ce

sarcina scade are loc o reducere a randamentului

acestora. Pierderile Joule în înfasurari scad pe

masura ce sarcina se micsoreaza, în timp ce

pierderile în fier ramân constante contribuind în buna

masura la reducerea randamentului.

tensiunea aplicata [V]

















P

N

3/4 P

N

1/2 P

N

1/4 P

N

fara sarcina

Fig. 3 Efectul modificarii tensiunii asupra pierderilor

din motor pentru diverse sarcini

Aceasta observatie sugereaza ideea ca o

posibila reducere a pierderilor în fier se poate face

prin reducerea tensiunii de alimentare la sarcini sub

cea nominala.

Variatia pierderilor în masina functie de

tensiunea de alimentare si diverse sarcini este

prezentata în Fig. 3, remarcându-se faptul ca fiecarei

sarcini în parte îi corespunde o tensiune optima de

alimentare.

Evident, pe masura ce tensiunea scade si

fluxul din întrefier se reduce corespunzator, pentru a

se

asigura

producerea

aceluiasi

cuplu

electromagnetic este necesara o crestere a curentului

din masina. Drept urmare, sub o anumita valoare a

tensiunii, pierderile Joule din înfasurari încep sa

creasca mai repede decât scad pierderile în fier.

Economisirea de energie pe aceasta cale este

eficienta doar pentru sarcini reduse ale masinii si

evident este nula pentru sarcina nominala. Solutia

este interesanta pentru a fi utilizata în cazul masinilor

ce lucreaza cu ciclu intermitent, Fig. 4.













Procentul de timp de functionare

a masinii la sarcina nominala

1/4 sarcina

1/2 sarcina

3/4 sarcina

fara sarcina










Procentul de timp de functionare

a masinii la sarcina nominala

1/8 sarcina

1/4 sarcina

fara sarcina

Fig. 4 Puterea economisita functie de timpul în care masina functioneaza în sarcina nominala, iar restul de timp

la sarcina afisata a) motor monofazat b) motor trifazat

Un studiu recent al Institutului de Cercetari

pentru Energie Electrica din Statele Unite (EPRI)

arata ca peste 60% din motoarele asincrone din SUA

functioneaza în medie sub 60% din puterea lor

nominala. Pentru astfel de cazuri se recomanda

utilizarea unor variatoare de tensiune trifazate cu

tiristoare sau triace, Fig. 5. De exemplu, pentru

acelasi motor de 10kW care functioneaza cu sarcina

intermitenta mediata de 30%, economia de energie

este aproximativ de 500 USD pe an, iar controlerul se

amortizeaza în ceva mai mult de 12 luni.

Masina

asincrona

Fig. 5 Variator de tensiune cu tiristoare

montate în antiparalel

Functie de destinatie, motoarele asincrone

sunt utilizate atât în aplicatii în care prin specificatia

de lucru trebuie sa functioneze cu viteza variabila

comandata sau în aplicatii în care marimea urmarita

este iesirea ansamblului motor asincron - pompa,

ventilator etc., respectiv, debit, presiune sau

temperatura.

Daca în primul caz lucrurile sunt clare si

solutia este unica - utilizarea convertoarelor statice de

frecventa (CSF), în al doilea caz solutia depinde de

considerente economice si de ciclul de functionare al

instalatiilor. Pentru o instalatie de pompare care

functioneaza la sarcina nominala si viteza nominala,

care umple un rezervor de apa dupa care se opreste

si îsi reia ciclul dupa câteva minute sau ore, este

suficienta utilizarea unui motor cuplat direct la retea,

în timp ce pentru alta instalatie de acelasi tip dar la

care debitul este reglat în limite largi cu ajutorul unei

vane, o functionare cu viteza variabila a masinii de

antrenare pare deosebit de atractiva.

Alegerea unei astfel de solutii CSF este ca si

în cazul variatoarelor de tensiune dependenta de

ciclul sarcinii si a numarului de ore de functionare pe

an.

Comanda frecventei permite nu numai

reglarea vitezei motorului dar producerea totodata de



catre masina a unui cuplu nominal la pornire în

conditii de alimentare la curent nominal. Aceasta

caracteristica face posibila utilizarea în actionarile

alimentate de la convertoare de frecventa a unor

motoare cu rezistenta rotorica redusa, deci din clasa

"super" eficiente.

Trebuie sa se tina cont însa ca utilizarea unui

convertor de frecventa pe alimentare, prin pierderile

suplimentare pe care le introduce, conduce totodata si




















S a r c i n a [ % d i n s a r c i n a n o m i n a l a ]

Randamentul convertorului

Randament sistem

(motor asincron cu viteza variabila


Randament motor

(condus de convertor)




Fig. 6 Randamentul motorului si a convertorului.

la reducerea randamentului

global de

exploatare a ansamblului, reducere de care trebuie sa

se tina seama în alegerea solutiei finale (Fig. 6).

În afara efectelor evident pozitive ale utilizarii

sistemelor cu viteza variabila, prezenta convertorului

static de frecventa (Fig. 7) conduce si la o serie de

dezavantaje care evident trebuiesc compensate.

Astfel, deoarece în majoritatea aplicatiilor industriale

invertorul este alimentat printr-un ansamblu redresor

necomandat / condensator de filtrare, datorita

armonicilor produse, factorul de putere al sistemului

nu depaseste în plina sarcina 0.75-0.80.

Pe lânga pierderi suplimentare în restul

instalatiilor sau la restul consumatorilor, în cazul în

care armonicile se nu se anihileaza local cu ajutorul

unor filtre active, este necesara o supradimensionare

a instalatiei de alimentare cu aproximativ 25%.

t


t


t


t


t


t


Masina

asincrona

Redresor necomandat

Invertor

D


D


D


D


D


D


Fig. 7 Grup redresor necomandat cu diode - invertor cu IGBT-uri

O a doua problema este cea a efectului

formei tensiunii asupra reducerii vietii de functionare a

masinii. Acest fenomen este amplificat în cazul în care

distanta dintre convertor si sarcina este peste 15-20

metri. Datorata faptului ca fiecare puls al tensiunii de

alimentare printr-un fenomen de reflexie, poate practic

dubla tensiunea la bornele masinii, se poate

suprasolicita izolatia pâna la o distrugere rapida. O

solutie este reprezentata fie de utilizarea unor cabluri

specifice cu pierderi în izolatie mai ridicate, fie prin

introducerea unor disipatori de energie la bornele

masinii.

O a treia problema în cazul functionarii

masinii la viteza variabila, este cea a atingerii

frecventelor mecanice de rezonanta. În astfel de

situatii sistemul de comanda nu trebuie sa permita

functionarea decât în regim tranzitoriu la aceste

viteze.

Existenta unui astfel de convertor si a unui

sistem de comanda performant permite reducerea

suplimentara a pierderilor din masina prin comanda

adecvata a fluxului magnetic din întrefier functie de

sarcina, astfel încât functionarea sa aiba loc nu la flux

normal (cum se realizeaza în mod curent) ci la

randament maxim. Modificarea simultana a frecventei

tensiunii de alimentare si sarcinii implica însa tehnici

de comanda mai sofisticate de tipul Fuzzy sau a

Retelelor Neurale.

O a patra problema legata de functionarea

eficienta a motoarelor asincrone este cea a

compensarii factorului de putere. Un factor redus de

putere este produs atât de curentul de magnetizare al

masinii cât si de convertoarele electronice aferente

(prin puterea reactiva si deformanta produsa sau

consumata). Un factor de putere scazut produs de o

sarcina inductiva poate fi compensat relativ simplu cu

ajutorul bateriilor de condensatoare, în timp ce un

factor de putere redus datorat curentului deformant

necesita pentru compensare filtre de armonici statice

sau active complicate si de pret de cost ridicat.

De remarcat ca desi multi fabricanti de

convertoare de frecventa afirma ca produsele lor

functioneaza la un factor de putere chiar mai bun de

0,95, în realitate, acesta este între 0,5 si 0,75

(probabil ca se face o confuzie voita între factorul de

putere si cos ϕ, ceea ce se poate explica prin faptul

ca puterea reactiva se masoara separat si 1kVARh se

plateste cu o zecime din pretul unui kWh, în timp ce

sub anumite limite de deformare a tensiunii si

curentului preluat de la retea, puterea deformanta nici

nu se masoara si nici nu se plateste înca).

Compensarea factorului de putere se poate

face global pentru toate motoarele consumatorului

prin baterii de condensatoare conectate la intrare, fie

la bornele fiecarui motor asincron în parte alimentat

direct de la retea. Prima solutie aplicabila evident în

exclusivitate în lipsa sarcinilor deformante, necesita

adesea si un control continuu a puterii reactive

produse (deoarece sarcina totala se poate modifica

functie de procesul tehnologic) cel mai adesea prin

simpla conectare sau deconectare a unui numar mai

mare sau mai mic de condensatoare.

A doua posibilitate este o distribuire a

compensarii puterii reactive prin legarea în

permanenta la bornele fiecarui motor asincron

(evident alimentate direct de la retea) a unei baterii de

condensatoare adecvat acordata.

Desi în timpul functionarii puterea reactiva se

"consuma" nu numai de inductivitatea de magnetizare

(fiind functie de tensiunea de alimentare) ci si pe

inductivitatile de scapari (ponderea acestei puteri este

însa mult mai scazuta si functie de sarcina), din

motive tehnice si economice compensarea se face

numai pentru prima categorie.

Curentul de magnetizare al unui motor

asincron poate varia destul de mult functie de putere,

de tip si de producator, de la 20% pâna la 60% din

curentul nominal si este de dorit ca acestea sa se

masoare înainte de a se lua orice masuri de

compensare. În general se recomanda sa se

compenseze nu mai mult de 80% din curentul de

magnetizare al motorului pentru a se evita fenomene

de rezonanta electrica a masinii. Daca motorul este

supracompensat, la deconectarea sursei de

alimentare masina se poate autoexcita. O data cu

scaderea vitezei prin frânare naturala, frecventa



tensiunilor si curentilor pot atinge frecventa naturala a

circuitului format de înfasurarile masinii si

condensatoarele de compensare. Drept urmare,

curentii ce iau nastere pot depasi curentii nominali si

se poate ajunge atât la distrugerea bateriei cât si a

masinii.

Evident situatia este complet diferita în cazul

alimentarii masinii de la echipamente electronice de

putere care produc curenti deformati si implicit

armonici de curent. Prezenta la borne a bateriilor de

condensatoare poate permite formarea de circuite

rezonante pe frecvente înalte care pot produce

supracurenti si supratensiuni si distrug atât instalatiile

locale cât si ale altor consumatori.

Situatia se poate remedia prin utilizarea fie a

unui filtru activ care sa compenseze toate armonicile

produse de consumator, fie înlocuirea redresorului

necomandat ce alimenteaza invertorul cu un redresor

PWM realizat cu IGBT-uri, care sa functioneze cu

factor de putere unitar, curentii absorbiti având

aceeasi forma sinusoidala ca tensiunea de alimentare

de la retea (Fig. 8).

Ultima solutie are în plus avantajul ca permite

si frânarea în regim de generator a motorului asincron

cu recuperarea energiei, dar evident conduce practic

la dublarea pretului convertorului ceea ce nu se

justifica

economic

pentru

toate

cazurile.

t


t


t


t


t


t


Masina

asincrona

d


d


d


d


d


d


Redresor comandat

Invertor

T


T


T


T


T


T


D


D


D


D


D


D


Fig. 8 Grup redresor PWM (cu IGBT-uri) - invertor PWM (cu IGBT-uri)

Motorul asincron este recunoscut ca un motor

fiabil, de constructie simpla si care adesea practic nu

necesita nici un fel de întretinere. Datorita faptului ca

aceste motoare pot actiona instalatii tehnologice la

care întreruperea neprogramata poate aduce pagube

însemnate, nivelul cerut de siguranta trebuie sa fie

mai ridicat decât în cazul general.

Dupa nivelul de siguranta impus procesului

tehnologic

utilizat,

motoarele

împreuna

cu

convertoarele aferente se pot împarti în trei categorii:


motoare esentiale - motoare care odata avariate

pot opri întregul proces tehnologic. În cazul cel

mai grav nici chiar înlocuirea motorului în cauza

nu este totdeauna suficienta pentru repornirea

instalatiei si perioada de întrerupere poate sa fie

mult mai mare pâna când se îndeplinesc toate

conditiile tehnologice(de exemplu, la o instalatie

de extrudere evacuarea materialului si curatarea

instalatiei).


motoare critice - motoare a caror avariere nu

opreste întregul proces tehnologic, deoarece pot fi

înlocuite (backup) de alte motoare care pot sa le

ia locul automat (de exemplu motoarele unor

pompe de racire).


motoare obisnuite - motoare a caror avariere

permite functionarea instalatiei pe un termen de

timp limitat chiar si în lipsa lor, timp în care

motorul sau convertizorul poate fi înlocuit sau

chiar reparat (de exemplu în cazul instalatiilor de

ventilatie).

Concluzii

Exista trei solutii care pot îmbunatati situatia,

evident în special pentru cazul motoarelor esentiale

sau critice:


utilizarea unor motoare si sisteme de comanda

supradimensionate;


folosirea unor sisteme de monitorizare si diagnoza

care sa permita luarea de masuri înainte ca avaria

sa aiba loc. Reducerea dramatica a preturilor

echipamentelor de calcul, a sistemelor de achizitie

si a traductoarelor cu iesire digitala precum si a

serviciilor de Internet fac aceasta solutie nu numai

atractiva dar si perfect realizabila din punct de

vedere tehnologic si economic.


utilizarea unor solutii de "autoreparare" în timpul

functionarii atât a sistemului de forta cât si cel de

comanda. Un exemplu este acela al alimentarii

motorului de la invertoare cu IGBT-uri la care

punctul slab îl reprezinta distrugerea unuia sau a

ambelor tranzistoare dintr-un brat. Cum aceasta

se materializeaza prin întreruperea curentului pe o

faza, ceea ce echivaleaza cu o functionare

monofazata, solutia este sa se realizeze automat

o alimentare prin doua faze plus nul, realizând o

legatura provizorie dintre punctul median al

bateriei de condensatoare si punctul neutru al

înfasurarii motorului. Printr-o comanda adecvata

are loc o transformare a sursei de tensiune

trifazata într-o sursa de curent bifazata care sa

asigure producerea unui sistem statoric de

solenatii echilibrat si simetric.

Bibliografie:

1. ***, AC Induction Motors, The McGraw-Hill Companies Inc, 2001; https://www.ladwp.com

2. A. Câmpeanu: "Masini electrice - probleme fundamentale, speciale si de functionare optimala", Scrisul Românesc,

Craiova

3. A. Fransua, R. Magureanu: "Electrical machines and drive systems", Oxford Technical Press, 1984.

4. D. Kisch: "Sisteme de reglare automata a masinilor de curent alternativ", Editura ICPE, 1998.

5. P. Vas: "Sensorless Vector and Direct Torque Control", Oxford University Press, 1998.

6. C. Ilas, A. Bettini, L. Ferraris, G. Griva, F. Profumo: "Comparison of different schemes without shaft sensors for

field oriented control drives", Conf. Rec. IEEE IECON '94, pp. 1579-1589.











Document Info


Accesari: 7757
Apreciat:

Comenteaza documentul:

Nu esti inregistrat
Trebuie sa fii utilizator inregistrat pentru a putea comenta


Creaza cont nou

A fost util?

Daca documentul a fost util si crezi ca merita
sa adaugi un link catre el la tine in site

Copiaza codul
in pagina web a site-ului tau.




eCoduri.com - coduri postale, contabile, CAEN sau bancare

Politica de confidentialitate




Copyright © Contact (SCRIGROUP Int. 2022 )