ACŢIONĂRI ELECTRICE CU MAŞINI

ASINCRONE TRIFAZATE DE PUTERI MARI

Maşina asincronă trifazată numită şi maşina cu rotor în scurtcircuit

sau cu rotor în colivie s-a evidenţiat prin menţinerea facilă şi gradul înalt de

protecţie.

Majoritatea acestor motoare au lucrat până la acest moment cu turaţie

constantă. În ultimii ani progresul tehnic al convertoarelor a dus la apariţia

multor aplicaţii ale acestora.

Statorul motorului se compune dintr-un pachet de tole în care sunt

incluse cele trei înfăşurări. Rotorul în scurtcircuit se compune din mai multe

bare care sunt fixate la capete cu inele. Deoarece energia trasmisă de la

stator la rotor este inductivă şi nu ca la motorul de curent continuu prin perii

colectoare, acest tip de motor se păstrează în domenii de pericol al explozie

ridicat.

Înălţimile axelor la aceste motoare sunt standardizate internaţional

astfel încât să poată fi oricând disponibile. Protecţia motorului standard este

IP 54, deci mult mai mare ca cea a unui motor standard de curent continuu.

Răcirea cu aer a motorului se face printr-o elice, montată pe axa

motorului. Cele trei înfaşurări din conductorul de cupru sunt prinse pe stator.

Începuturile şi sfârşiturile înfăşurarilor sunt aduse la o placă de borne astfel

încât utilizatorul să poată comuta în funcţie de modul de utilizare.

Cele mai utilizate conexiuni (înfăşurări) ale înfăşurărilor sunt cele în

stea şi triunghi.

Figura 1 Modul de conectare pentru o faza

La aceste conexiuni sunt omise inductanţele de dispersie. Sarcina

influenţează mărimile electrice ale maşinii, ca o rezistenţă ohmică variabilă

inclusă în circuitul din figura 2.

I1 - curent statoric

I - curent absorbit de stator

I2’ - curentul din rotor (calculat ca fiind mărime raportată la marimea

statorului)

R1 – rezistenţa rotorului (calculată pe partea statorului)

s - alunecarea

U1 - tensiunea într-o infăşurare statorică

Xh – reactanţa

SIMBOLURI FOLOSITE ÎN FORMULE, UNITĂŢI,

DENUMIRI

Nr.

crt.

Simbol Unitate de

măsură

Denumire

1 f s-1 Frecvenţa

2 g m/s2 Acceleraţia (=9.81 m/s2)

3 H m Înălţimea de pompare

4 H0 m Înălţimea de pompare zero

5 H m Diferenţa de înălţime

6 n s-1 Turaţie

7 nsy s-1 Turaţie sincronă

8 nN s-1 Turaţie nominală

9 P W Putere

10 PV2 W Pierderea de putere prin alunecare

11 Q m3/s Debitul

12 R Rezistenţa electrică

13 s - Alunecare

14 T Nm Cuplul motor

15 Zp - Numărul perechilor de poli

16

kg/m3 Densitatea

TURATIA, MOMENTUL DE ROTATIE, PUTEREA

MOTORULUI ASINCRON

Formulele alăturate arată legătura dintre mărimile mecanice şi cele

electrice ale acţionărilor trifazate.

1. Turaţia:

cu (1)

2. Momentul de rotaţie:

T (2)

3. Puterea:

(3)

n – turaţia motorului

nsy – turaţia sincronă

f1 - frecvenţa câmpului invârtitor statoric

p – numarul de perechi de poli

T – momentul de rotaţie

fluxul magnetic in motor

I2 – curentul in rotor

P – puterea la axul motorului

ULN – tensiunea de linie la bornele motorului

cos factor de putere

randamentul

Apariţia unor eventuale oscilaţii armonice (de exemplu

transformatorul de alimentare) nu influenţează formarea momentului de

rotaţie, respectiv calculul puterii.

CARACTERISTICA MAŞINII ASINCRONE

În figura 3 este reprezentată o caracteristica tipică a maşinii asincrone

trifazate.

Figura 3 Caracteristica maşinii asincrone

TA – moment de pornire

TS – moment minim

TK – moment de răsturnare

TN – moment nominal

nn – turaţia nominală

nSy – turaţia sincronă

În figura 4 este prezentată evoluţia momentului la tahogenerator în

momentul de pornire, momentul minim şi momentul de răsturnare. La

funcţionarea la frecvenţă nominala se reglează la momentul nominal turaţia

nominală a maşinii.

Modificările de cuplu la arbore, conduc la variaţii de viteză a căror

mărime depind de caracteristicile motorului.

Cu cât alunecarea este mai mare cu atât curentul din motor devine mai

puternic.

Scheme de pornire

Când o maşină asincronă se leagă la reţeaua de tensiune cu frecvenţa

constantă datorită asincroniei mari apar curenţi foarte mari care duc la

multiplicarea curenţilor nominali ai motorului. Pentru reducerea curenţilor la

conectare se pot face următoarele conexiuni:

- montaj de pornire stea–triunghi;

- montaj de pornire lentă cu autotransformator;

- dispozitiv de pornire lentă - cu sfotstarter.

Funcţia de bază este aceeaşi la toate. În timpul perioadei de accelerare

apare o tensiune nominală. Spre sfârşitul pornirii (funcţionării) tensiunea

devine maximă.

Momentul de rotaţie şi curentul preluat din reţea sunt în raport pătratic

cu demultiplicarea tensiunii.

Legătura stea–triunghi se foloseşte la motoare care funcţioneză în

mod normal în triunghi (tăbliţa de pe motor) 380/660 V.

La o reţea 3x380 V tensiunea de pornire la o înfăşurare este de 220 V

în loc de 380 V. Curentul de la reţea se reduce la fel ca şi momentul de

rotaţie cu o treime din valoarea celui de la conexiunea în triunghi.

Acest tip de pornire este valabil numai la acele acţionări care nu

pornesc în sarcină.

La conexiunea stea, motorul trebuie sa atingă turaţia nominală la

cuplu de rotaţie fixat.

La comutarea din stea în triunghi, curentul creşte foarte mult şi efectul

de reducere a curentului va fi mic.

Observaţie : În momentul comutării din conexiunea stea la conexiunea

triunghi curentul momentului de rotaţie sare de pe o caracteristică pe alta

conform figurilor 4 şi 5.

Figura 4 Variaţia momentului de rotaţie la legătura stea-triunghi

Figura 5 Variaţia curentului la legatura stea–triunghi

Metoda de pornire prin autotransformator

Funcţionarea la pornire a maşinilor asincrone trifazate prin

intermediul unui transformator este în principiu identică cu pornirea stea-

triunghi. În plus faţă de pornire stea-triunghi, pornirea prin

autotransformator are o comportare foarte rigidă a tensiunii pe înfăşurările

motorului.

În cazul metodei de pornire cu transformator la o funcţionare maximă

se poate alege tensiunea dorită.

Dispozitivele de pornire lentă

Softstarterul este un dispozitiv electronic de putere, format din două

părţi:

- circuitul de reglare si comandă;

- circuitul de putere.

Circuitul de forţă în contrast cu pornirea stea–triunghi şi pornirea cu

autotransformator, are posibilitatea de a regla continuu valoarea medie a

tensiunii alternative, prin întârzierea de fază, astfel încât să nu apară vârfuri

la comutări.

Creşterea în timp a tensiunii duce la un comportament bine stăpânit în

perioada de accelerare şi se poate programa în trepte.

Pentru a avea loc pornirea, softstarterele nu asigură la conectare o

tensiune egală cu zero, ci aproape o valoare fixă, prestabilită la aproximativ

40% din tensiunea nominală de ieşire.

Unele softstartere oferă şi posibilitatea unei limitări de curent. Aceasta

înseamnă că tensiunea iniţială nu creşte dacă curentul nu ajunge la valoarea

maximă.

La o sarcină mărită această funcţie permite o limitare a curentului şi a

momentului de rotaţie şi implicit creşterea la maximum a duratei de

funcţionare.

Pentru acţionarea unor motoare care au un moment de rupere ridicat,

la un anumit timp se permite un vârf de curent.

O altă sarcină a softstarterelor este funcţia de economisire a energiei

într-un domeniu parţial de sarcină. Domeniul parţial de sarcină este

caracterizat prin faptul că curentul reactiv este adesea mai mare decât

curentul activ.

Din ecuaţia pentru momentul de rotaţiei a unui motor asincron trifazat

se observă ca momentul de rotaţie este proportional cu produsul dintre flux

(curent reactiv) si curentul activ.

Deci electronica de putere aduce avantaje în domeniul pornirilor

motoarelor asincrone precum şi o reducere mare a costurilor remarcate atât

prin economia de energie cât şi prin reducerea vârfurilor de curent datorită

utilizării metodelor moderne de pornire.

Aceste avantaje sunt:

- accelerarea lentă a maşinii de lucru şi prevenirea încercărilor sub formă de

socuri care duc la uzura prematură a componentelor maşinii;

- în cazul benzilor transportatoare acestea nu alunecă şi nu se mişcă în

timpul transportului;

- curentul la pornire este mult redus, fapt care nu duce la tensiuni mari într-o

reţea slabă;

- utilizarea aparatelor (dispozitivelor) de cuplare devine avantajoasă;

- au o durabilitate foarte mare şi nu necesită supradimensionări în alegerea

aparatajului;

- economie de energie şi costuri la maşinile care sunt acţionate cu sarcină

parţială.

Toate aceste metode enumerate mai sus nu pot suplini însă şi folosirea

la pornire a unui moment de rotaţie maxim în timpul accelerării şi în aceast

caz este nevoie de introducerea în schemă a dispozitivelor de schimbare a

frecvenţei tensiunii de alimentare a motorului.

Figura 6 Circuitul de forţă a unui softstarter

Figura 7 Caracteristicile de variaţie a cuplului curentului pentru

tensiuni diferite debitate de un softstarter.

REGLAREA TURAŢIEI PRIN MODIFICAREA

FRECVENŢEI

Turaţia maşinii asincrone este influenţată electric de trei mărimi

diferite:

- numărul de perechi de poli;

- alunecarea;

- frecvenţa.

Reglarea turaţiei prin schimbarea numărului de perechi de poli se

poate face în trepte prin comutarea polilor cu ajutorul conexiunilor

exterioare.

Reglarea turaţiei prin modificarea alunecării în circuitul rotorului se

realizează cu ajutorul unor rezistenţe sau a unui reostat legat în cascadă.

Aceste măsuri se pot lua într-un domeniu limitat al turaţiei dependentă

de sarcina axului motorului.

Astăzi se foloseşte cu preponderenţă a treia posibilitate cea a

modificării frecvenţei. Pentru aceasta este necesar un moment constant şi o

turaţie reglabilă.

Pentru înţelegerea mai amănunţită a funcţionării vom considera

schema din figura 2 la care se neglijează rezistenţa statorului R1 pe care o

considerăm 0.

Influenţa variaţiei frecvenţei asupra turaţiei este clară, cele două

mărimi au o variaţie proporţională faţă de alunecare.

Momentul de turaţie dorit necesită un flux constant care este

reprezentat aici de curentul reactiv. Dacă dorim să menţinem constant

curentul care trece printr-o sarcină inductivă trebuie să modificăm cu aceeaşi

valoare atât frecvenţa cât şi tensiunea.

(4)

(5)

R1 – s-a neglijat

Din cele două relaţii de mai sus se desprinde concluzia de bază că în

cazul folosirii unui convertor de frecvenţă se pot realiza următoarele: dintr-o

reţea cu tensiune şi frecvenţă constantă se obţine o a doua reţea la care atât

tensiunea cât şi frecvenţa sunt variabile. În afară de acestea, valorile de la

reţeaua de ieşire sunt independente de valoarea instantanee a reţelei fixe.

Electronica de putere s-a dezvoltat în această direcţie în ultimii ani şi a

prezentat diferite soluţii, astfel convertoarele de frecvenţă se împart în trei

categorii:

- Convertor direct, cu ajutorul unei acţionări adecvate din reţeaua fixă duce

la formarea unei reţele noi (fară folosirea unui circuit intermediar) pentru

decuplare. Această varianta se foloseşte numai pentru reglarea turaţiei unor

motoare asincrone cu puteri mari şi este utilizată într-un domeniu limitat de

turaţie.

- Convertorul de curent I, lucrează cu inductivitatea cu rol de acumulator de

enegie în circuitul intermediar. Această posibilitate se utilizează la reglarea

turaţiei de peste 55 kW şi ea necesită o concordanţă între schimbătorul de

frecvenţă şi motorul la care a fost conectat.

- Convertorul de tensiune U, lucrează cu un condensator ca acumulator de

energie în circuitul intermediar. Această este o soluţie avantajoasă din punct

de vedere tehnic şi al costurilor pentru acţionări de până la 130 kW şi permit

cuplarea în paralel a mai multor motoare la un singur convertor.

Dacă în continuare vom discuta despre “convertor” este vorba despre

convertor “U” care astăzi au cea mai largă întrebuinţare.

REGLAJUL TURAŢIEI

Circuitele de forţă a unui convertor U constă din trei blocuri funcţionale:

- redresor tensiune;

- circuit intermediar;

- modulator (alternator).

Figura 8 Circutul de forţă al convertorului

Redresor de tensiune

Se compune dintr-o punte care redresează tensiunea care corespunde

mereu cu valoarea de vârf a tensiunii reţelei (ULN x ), ca urmare

condensatorul circuitului intermediar reprezintă o sarcină capacitivă (unde

căderea de tensiune de încărcare nu este luată în considerare). La această

mărire a tensiunii şi puterilor mici redresorul poate fi monofazat sau trifazat.

La puteri mari această tensiune nu este recomanadată din următoarele

motive:

- puntea monofazată produce o încărcare asimetrică;

- la conectare, variaţia tensiunii redresate este mare astfel încât în circuitul

secundar condensatorul trebuie să aibă valori mai mari.

Atunci când a fost stabilită o astfel de capacitate va apare pentru

început un curent de încărcare foarte mare. Acest curent poate deveni aşa de

mare dacă nu se iau măsuri de limitare încât redresorul poate fi scos din

funcţiune până chiar la distrugerea unor părţi componente.

Pentru preîntâmpinarea acestui fenomen este necesară folosirea a două

tipuri de limitatoare ale curentului de încărcare.

Rezistenţa de încărcare se înseriaza la cuplarea convertorului de

frecvenţă cu condensatorul. În cele mai multe cazuri rezistenţa de încărcare

se găseşte pe partea de curent continuu a redresorului. La redresoarele de

reţea monofazate se recomandă introducerea unei rezistenţe pe partea de

curent alternativ, aceasta va duce la o execuţie mai bună a comenzii pentru

releul de şuntare a rezistentelor după loja de încărcare.

În timpul încărcării condensatorului din circuitul intermediar valoarea

tensiunii este limitata, fapt care duce la limitarea curentului de încărcare.

În timpul funcţionării tiristorii din punte sunt comandaţi astfel încât să

aibă acelaşi comportament ca în cazul punţii nemodulate. Comanda punţii în

acest caz va provoca oscilaţii suplimentare în reţea.

Figura 9 Rezistenţa de încărcare pe partea de reţea

Figura 10 Rezistenţa de încărcare pe partea de circuit intermadiar

Circuitul intermediar

Are rolul de a cupla reţeaua fixă de alimentare de reţeaua de ieşire a

convertorului. Condensatorul circuitului intermadiar C1 acţioneaza asupra

energiei din partea de reţea încât tensiunea circuitului intermadiar să rămână

constantă la valori mici ale curenţilor absorbiţi din reţeaua de curent

alternativ. Pentru satisfacerea acestei condiţii acesta nu se descarcă imediat

la deconectarea convertorului. Descărcarea se produce în aproximativ un

minut până când tensiunea scade. Prin folosirea unei frâne – CHOPPERS în

acest circuit se poate realiza descărcarea condensatorului pe rezistenţa de

frânare în câteva secunde.

Figura 11 Circuitul intermediar.

Motorul legat la convertizorul de frecvenţă ia energia din circuitul

intermediar şi descarcă parţial condensatorul. Reîncărcarea condensatorului

peste redresorul de reţea se poate face numai instantaneu când tensiunea de

reţea este mai mare decât tensiunea circuitului intermediar.

Se ştie că C1 se încarcă la o tensiune egală cu valoarea maximă a

tensiunii reţelei si datorită capacităţii foarte mari a condensatorului face ca

aceasta să nu scadă semnificativ nici în timpul funcţionării.

Se deduce că circuitul intermediar îşi ia enegia din reţea, numai pe

perioada când tensiunea din reaţea este la valoarea maximă.

În reţea se obţin vârfuri ale curentului care la mai multe convertoare

legate în paralele apar toate în acelaşi timp. Funcţie de putere şi de numărul

de acţionări apare o pierdere neînsemnată de putere în reţea, pentru ca

vârfurile de curent duc la apariţia unor căderi de tensiune şi de aici la

apariţia unor distorsiuni ale tensiunii la cuplare.

La această contribuie şi o parte relativ mare de armonici. După cum se

vede in figura 11 convertizoarele de frecvenţă au în componenţa şi un drosel

de filtraj L1 care asigură mărirea semnificativă a duratei circulaţiei curentului

prin părţile de reţea şi reduce semnificativ vârfurile de curent obtinându-se

un spectru armonic adecvat.

În figura 12 şi 13 sunt reprezentate formele curentului pe partea de

reţea la o anumită sarcină a actionărilor cuplate fară şi cu droselul L1.

Tensiunea din circuitul intermediar poate creşte la o acţionare

suprasincronă a motoarelor la valori inaccesibile ale tensiunii – totul se

decuplează printr-un dispozitiv de protecţie.

Figura 12 Curentul de reţea fără L1

Figura 13 Curentul de reţea cu L1

Modulatorul

Tensiunea din circuitul intermediar este creată din redresor şi este

transformată de circuitul alternativ într-o reţea trifazată de curent alternativ

cu tensiunea şi frecvenţă variabile.

Se introduc următoarele elemente constructive ca semiconductori de

putere:

- Tiristori, care necesită circuitele de comutare care se găsesc până la

maxim 75 kW. Excepţii fac aici utilizările cu tensiunea la ieşire de mai

mare sau egală cu 500 V

- GTO – tiristori cu decuplare. Nu necesită circuite de comutare dar sunt

totuşi limitaţi în domeniul de puteri.

- FET – tranzistori cu efect de câmp. Sunt introduşi astăzi la

convertizoarele de puteri relativ mici.

Avantajele sunt că FET-urile au pierderi de comutare neînsemnate care

permit frecvenţe mari de repetiţie şi care necesită putere de comandă mică.

FET-urile sunt utilizate numai pentru curenţi mici.

Tranzistorii bipolari s-au introdus astăzi frecvent în reţea Darlington. Cu

aceste componente constructive în ultimii ani s-a obţinut cea mai mare

extindere respectiv au fost utilizaţi şi la tensiuni de ieşire de 460 V. Puterea

de comandă necesară creşte cu mărimea tranzistorilor I.G.B.T., un nou

component. Se aseamană cu Fet-ul şi cu tranzistorul bipolar care şi-a

consolidat foarte mult poziţia în tehnica convertizoarelor de frecvenţă.

Avantajele faţă de tranzistoarele bipolare constau într-o comandă cu puteri

mici şi posibilitatea utilizării lor în domeniul frecvenţelor mari.

Componentele modulatorului funcţionează ca un stator şi comută în

funcţie de frecvenţa dorită pentru tensiuni pozitive şi negative la înfăşurările

motorului. Variaţia tensiunii se face aici cu modulaţie pulsatorie în

amplitudine PAM sau cu modulaţie în frecvenţa PWM.

Cu cele două se obţin rezultate mai bune în domeniul turaţiei mici.

Convertorul de frecvenţă de tip PWM are o distribuţie sinusoidală, sau

pe scurt cu convertorul PWM se obţine o mai bună echilibrare a curenţilor

motorului apropiată de forma sinusoidală ideală.

Tensiunea de ieşire a unui convertizor de tensiune U în comanda

PWM este în funcţie de impulsurile de tensiune dintre nul şi valoarea

maximă a tensiunii din circuitul intermediar.

Raportul dintre timpul de cuplare şi cel de decuplare este variabil şi

influenţează reglajul tensiunii. Valoarea maximă a tensiunii de ieşire este

aproape de cea a reţelei conectate.

O semiundă sinusoidală are valoarea instantanee mică la începutul şi

sfârşitul acesteia, pe când valoarea maximă a tensiunii este la mijlocul

semiperioadei. Aceste valori se corectează prin comandă. La modulaţia

pulsatorie cu variaţie sinusoidală impulsurile de tensiune de la începutul şi

sfârşitul semiundei sunt aplatizate şi sunt lăţite la mijloc.

Prin inductivitatea motorului trecerea tensiunii se desfăşoară cu

intârziere, obţinându-se un curent cu variaţie armonică a cărei undă de bază

este o sinusoidă.

Ieşirea din convertizorul de frecvenţă se realizează în scurtcircuit şi cu

o legătură la pământ.

Convertizorul este astăzi mai mult ca oricând o componentă principală

a conceptului de automatizare.

Figura 14 Tensiunea de ieşire a convertizorului U (convertor pulsatoriu)

Figura 15 Curenţii de ieşire a unui convertizor de frecvenţă la 5 Hz.

Principalele preocupări actuale sunt:

- separarea galvanică a părţilor de putere dată de bucla de reglare;

- valori prescrise conform standardelor pe fiecare componentă în parte;

- comenzile se fac direct din blocul de comandă şi se pot face analogic sau

digital.

Convertizoarele de frecvenţă nu lucrează ca regulatori ci ca o pârghie de

reglaj, însemnâd că la ieşire se modifică tensiunea şi frecvenţa de ieşire, fară

să se producă nici-o influenţă asupra turaţiei acţionărilor.

Influenţa constă în faptul că turaţia motoarelor se modifică ca şi la

reţeaua constantă în funcţie de sarcină. Variaţia turaţiei depinde de sarcină şi

de caracteristicile motorului. Se poate interveni în cazul unei abateri cu

ajutorul compensării de alunecare, însă nu pe tot domeniul de turaţie.

Se poate obţine performanţe deosebite dacă se introduc cât mai mult în

convertizoare, circuite de reglaj suprapuse.

Construcţia modulară a convertizoarelor dă posibilitatea reglării turaţiei

prin completarea convertizorului standard cu componente dimensionate la

capacitatea sistemului de acţionare. Convertizorul în sine reprezintă

componenţa unui sistem de automatizare şi alături de subansamblele

standardizate este necesar ca funcţie de caracteristicile acţionării şi în funcţie

de diferitele caracteristici ale tensiunii şi frecvenţei să se introducă prin

software şi hardware o calibrare a aparatului tinându-se cont de următoarea

schemă de calcul.

Figura 16 Tensiunea funcţie de frecvenţă

Valori nominale

Nivelul valorii nominale determină frecvenţa de ieşire, tensiunea de ieşire

care sunt corelate cu turaţia nominală a motorului acţionat. Aceste valori

sunt determinate prin anumite considerente cum ar fi:

- valoarea nominală a tensiunii de la potenţiometrul extern;

- de la un regulator extern de semnal 0…10 V, 0…20 mA sau 4…20 mA;

- de la ieşirea analogică a unui convertor;

- de la o subcomponentă a unui calculator;

- de la o frecvenţă proporţională cu turaţia (ca mărime de comandă).

Durata prevăzută pentru frecvenţa de referinţă se sincronizează cu

ajutorul unui integrator de referinţă.

Durata de turaţie maximă este reglabilă şi specifică scopul de folosire.

Valori reale

Valoarea reala a curentului se introduce din interiourul aparatului. În

cazul unei comenzi (în loja de reglare) nu este necesară o altă valoare reală.

La o reglare de turaţie este necesar un semnal electric proporţional cu

turaţia cu rol de curent invers.

Aici este vorba despre traductorul de turaţie (tahogeneratorul) care dă

o valoare reală la convertizor.

COMENZI ŞI REGLAJE

În domeniul convertizoarelor de frecvenţă pe lângă efectele sistemului

dependent de sarcina expusă mai sus, se mai adaugă un alt punct care trebuie

luat în considerare.

La observaţiile generale pentru comanda turaţiei maşinii asincrone s-a

considerat rezistenţa înfăşurării statorice ca fiind 0 , pentru a întelege mai

bine interdependenţele. Pe înfăşurările statorice avem o cădere de tensiune

dependentă de curent care se comportă ca o sursă de perturbaţii în domeniul

turaţiei nominale ale acţionărilor.

Dacă reducem turaţia la acelaşi cuplu la arbore, atunci căderea de

tensiune dependentă de curent (căderea de tensiune pe R1) va fi însemnată

procentual. Aceasta duce la o diminuare a câmpului acţionării prin

proporţionalitatea care există între tensiunea de la borne şi frecvenţa

acesteia.

Transformarea într-un curent reactiv va duce ca pe R1 să cadă o

tensiune mai mare. Pentru reducerea urmărilor acestui efect convertizorul de

frecvenţă are posibilitatea să acţioneze numai asupra măririi tensiunii pentru

a obţine un moment de rotaţie suficient de mare la pornirea maşinii.

O rezolvare elegantă dar şi costisitoare este reglarea vectorială a

turaţiei. Această presupune o comutare internă a convertizorului de frecvenţă

pentru fluxul constant în maşină şi presupune reglarea corespunzătoare a

anumitor parametrii de ieşire. Acest procedeu permite o dinamică superioară

a acţionărilor şi o mai bună comportare a cuplului de rotaţie.

Figura 17: Creşterea tensiunii în domeniul de frecvenţa joasă

În figurile 18 şi 19 sunt indicate posibilităţile de conectare a cuplului

de rotaţie. Abaterile de turaţie se identifică aici şi pot fi reglate

corespunzător deoarece timpul de integrare prevăzut este mai lung şi se

pretează pentru obţinerea unor precizii statice.

Figura 18 Controlul feed-back al turaţiei cu tahogenerator

Figura 19 Controlul feed-back al turaţiei cu generator de impulsuri

Figura 20 Reglarea turaţiei cu circuitul PLL

În figura 20 se arată conectarea unui convertizor de frecvenţă într-un

ansamblu de automatizare cu reglarea turaţiei cu constante şi repetabilitate

mai bună decât în figurile 18 şi 19.

Blocul electronic M13R este un generator de frecvenţă pe bază de

cuarţ. Frecvenţa furnizată este variabilă şi se determină cu ajutorul unei

informaţii care provine dintr-o componentă a sa. Circuitul PLR egalizează

frecvenţa generatorului cu cea a unui furnizor de impuls şi o reglează pentru

o acţionare dorită.

Această soluţie se recomandă din cel puţin două motive esenţiale:

- realizează o precizie bună cu repetabilitate mare;

- se adaptează foarte bine şi atunci când turaţia este dependentă şi de alte

mărimi din proces.

În aplicaţia din figura 20 se poate observa că blocul SPS preia factorii

care influenţează turaţia prin faptul că se poate calcula turaţia necesară şi se

transmite valoarea optimă la componentele din sistem.

MAŞINA ASINCRONĂ CONDUSĂ CU

CONVERTIZOR DE FRECVENŢĂ

Pe lăngă posibilităţile de reglare, funcţionarea cu convertizor de

frecvenţă oferă şi posibilitatea economisirii energiei. Prin circuitul

intermediar şi înfăşurările motorului trece atât curent reactiv cât şi curent

activ fară a suprasolicita reţeaua de alimentare.

Din poziţia reţelei se ia în considerare numai partea activă cu

pierderile sale precum şi pierderile convertizorului. Factorul de putere cos

este apropiat de 1.

La comanda convertizorului curentul de reţea este mai mic decât la

porenirea directă. Prin aceasta se economiseşte enegie.

În figura 21 sunt reprezentate tensiunea şi curentul care sunt în fază.

Figura 21 Tensiunea şi curentul aflate în fază în convertizoarelele de

frecvenţă

Alegerea şi protecţia motorului

Numai armonica fundamentală a curentului duce la determinarea

cuplului de rotaţie în motor.

Armonicile superioare produc pierderi suplimentare şi conduc la o

încălzire mare a motorului faţă de funcţionarea acestuia în situaţia

alimentării de la reţea.

Motoarele prevăzute pentru funcţionarea reţelei de convertizoare

trebuiesc dimensionate corespunzător din punct de vedere al puterii. Această

dimensionare depinde de procedeul de comandă al convertizorului şi se

poate distinge în figura 22.

În figura 22 s-a prezentat un exemplu clasic unde frecvenţa motorului

este de 50 Hz. Curba care apare la cca 20 Hz este datorată unei încălziri

necorespunzătoare la turaţie mică, deoarece ventilatorul este montat pe ax

(motor standard).

În exemplul unei aplicaţii la acţionarea unui ventilator se obsearvă că

momentul de rotaţie creşte pătratic cu rotaţia. Dacă acţionarea necesită un

moment de rotaţie constant pe tot domeniul turaţiei şi domenii reduse de

rotaţii atunci avem două posibilităţii de alegere:

- supradimensionarea motorului;

- dotarea motorului cu un alt ventilator.

La motoarele de construcţie specială factorul de reducere este deja luat în

considerare pentru indicarea puterii.

Figura 22 Factorii de reducere în alegerea şi dimensionarea motoarelor cu

convertizoare de frecvenţă

Domeniul de turaţii indicat urmăreşte diagrama de sarcină.

Convertorul este capabil să producă frecvenţe mai mari decât frecvenţa

nominală şi în acest domeniu motorul trifazic lucrează cu diminuarea

câmpului, deoarece convertorul poate produce tensiunea maximă în reţeaua

de alimentare.

La maşina electrică alimentată cu convertizor de frecvenţă, momentul

de răsturnare scade pătratic în domeniul reducerii câmpului odată cu turaţia.

Pentru orice acţionare este necesar să fie amplasat în circuitul de ieşire

un releu de protecţie pentru protejerea motorului la supraîncălzire. Acest

releu acţionează în funcţie de căldură când se reduce puterea de răcire la

turaţi mici sau prin radiaţii solare.

La convertizoare cu mai multe motoare în circuitul de ieşire trebuie

montat un releu de protecţie pentru fiecare motor în parte.

Măsurarea curentului şi a momentului de rotaţie

Cum am arătat maşina asincronă tifazată consumă curentul în funcţie

de alunecare. Frecvenţa variabilă debitată de convertizor face posibilă o

pornire a motorului cu alunecare nominală şi curent nominal. La o tensiune

corespunzătoare se obţine momentul nominal, făcând ca în această situaţie să

fie diminuat foarte mult curentul la conectare faţă de pornirea directă.

Convertizoarele de frecvenţă, furnizează pe un timp determinat, un

curent mai mare decât cel nominal, pentru a face posibilă pornirea anumitor

acţionări mai mari fară o supradimensionare a convertizorului.

Figura 23 Caracteristicile motorului pentru diferite frecvenţe

Schimbarea sensului de rotaţie şi frânare

În contrast cu motorul asincron pentru o reţea fixă la schimbarea

sensului de rotaţie la convertizoarele de frecvenţă nu este nevoie de un

convertor pentru protecţie. Deorece câmpul de rotaţie la convertizorul de

frecvenţă se formează electronic, este de ajuns o comandă pentru a inversa

sensul. Un integrator al valorii nominale este intercalat în circuitul electric.

Dacă se reduce frecvenţa de ieşire a convertizorului de frecvenţa şi

acţionarea nu poate funcţiona la turaţie nominală datorită unor cupluri

inerţiale se va trece la o funcţionare în suprasarcină.

Frecvenţa câmpului de rotaţie este mai mare decât frecvenţa de ieşire

a convertizorului şi maşina asincronă reacţionează ca un generator.

Transferul de enegie se va face către circuitul intermediar şi va duce la

creşterea tensiunii. Acest fenomen este permis doar la anumite maşini şi

acţionări şi se procedează la mărirea palierului de întârziere.

O alta metodă este transferarea energiei către reţeaua de alimentare în

situaţia când redresorul este echipat cu tiristori.

Frânarea cu chopper

La convertizoarele de frecvenţă moderne circuitul intermediar este

prevăzut cu chopper pentru frânare, care transformă energia în impulsuri

printr-un circuit cu tranzistor comandat la creştea tensiunii de ieşire.

Semnalul de comanadă de la convertizorul de frecvenţa face ca rezistenţa să

devină activă.

Dimensionarea este dependentă şi de rezistenţa frânei respective şi a

frecvenţei de comutare. Prima se cuplează şi la deconectarea convertizorului

şi în acestă situaţie rezistenţa frânei descarcă condensatorul circuitului

intermediar.

Acţionarea paralelă cu comutare la ieşire

La un convertizor U pot fi acţionate mai multe motoare ca în cazul

căilor cu role de alimentare, transfer, înlocuire şi evacuare de la liniile de

laminare, unde sunt legate grupuri de motoare cu puteri de 0,8 kW – 4 kW.

Motoarele nu au totuşi aceeaşi turaţie deoarece la acestea se modifică

alunecarea prin apariţia suprasolicitări ca la motoarele cuplate la reţeaua

fixă.

Motoarele pot fi cuplate şi decuplate fiecare separat dar trebuie să se

ţină seama de anumite aspecte:

- la deconectare, motoarele produc vârfuri de tensiune deoarece se întrerup

sarcini inductive – aceste probleme nu sunt periculoase dacă motoarele

sunt de puteri mici sau dacă în circuit mai rămân motoare alimentate prin

convertizor;

- atunci când este vorba de ultimul motor acţionat de la convertizor trebuie

să ne asigurăm că s-a redus la minim curentul de magnetizare în

momentul comutării.

Cele mai bune rezultate în practică s-au dovedit a fi situaţia în care se

preferă oprirea convertizorului, după care se opreşte şi ultimul motor după

un anumit timp. Acest timp depinde de constanta de timp din motor şi este

de 0,5s sau ordinul secundelor.

Conectarea motoarelor în paralel crează probleme în sensul că

deconectarea unui motor în timpul funcţionării produce faţă de reţeaua

existentă o alunecare foarte mare care conduce la crearea unui curent foarte

mare la pornirea altor motoare.

Convertizorul trebuie sa fie capabil să livreze un curent suficient de

mare în caz contrar poate apărea un scurtcircuit şi convertizorul este

deconectat de la reţea.

Alimentarea motoarelor în paralel se realizează funcţie de impedanţa

şi de putere cu posibilitatea livrării de energie către motorul care se

deconectează în aşa fel încât efectul descris mai sus se compensează.

Perifericele convertizorului de frecvenţă necesită cheltuieli

suplimentare. Pe partea reţelei se află comutatorul principal care este

obligatoriu în toate acţionările.

Comparativ cu acţionările de curent continuu protecţia se face cu

mijloace normale de protecţie. La legăturile exterioare ale circuitului

intermediar (ex. frâna chopper) este necesară utilizarea siguranţelor pe

partea de reţea.

Procedeul de comandă al convertizorului U produce în motor pe

timpul funcţionării un zgomot. Pentru diminuarea acestui zgomot se

foloseşte la ieşirea convertizorului de frecvenţă un drosel de amortizare.

Circuite de forţă şi de comandă

În figurile 24 şi 25 se indică poziţia tiristorului. Prin aceste ventile pot

fi dirijaţi curenţi către sarcini ohmice, inductive şi ohmice/inductive.

Stabilizatoarele transformă energia dintr-o reţea cu tensiune şi

frecvenţă constantă într-o nouă energie de tensiune variabilă dar cu frecvenţă

constantă.

Se unesc două procedee de comandă:

- pornire cu întârziere de fază;

- pornire cu undă întreagă.

Figura 24 Stabilizator de curent alternativ

Figura 25 Stabilizator de curent alternativ trifazic

Comanda cu întârzire de fază

La această comandă fiecare jumătate de undă a tensiunii reţelei de

alimentare este reglată prin decalarea unghiului de întârzire rezultând

valoarea tensiunii necesare. Acest procedeu permite limitarea curentului în

circuitul de sarcină şi are posibilitatea validării timpilor scurţi pentru

modificările necesare.

Figura 26 Procedeul de comanda prin întârziere de fază.

Comanda cu undă întreagă

Modificarea valorii tensiunii se face prin selectarea undelor întregi.

Raportul dintre timpul de cuplare şi cel de decuplare determină amplitudinea

tensiunii. Curentul de sarcină este sinusoidal astfel încât să nu apară nici o

suprasolicitare a armonicilor în reţea.

Durata fazei de cuplare este reglabilă şi serveşte la obţinerea unor

variaţii mari a rezistenţei între stocarea la cald şi rece a unui curent de

cuplare limitat.

Comanda cu undă întreagă se pretează la sarcini cu constante de timp

mari (de ex. încălzitoare electrice cu rezistenţe).

În comparaţie cu comanda întârzierii de fază la comanda cu undă

întreagă tensiunea este mai mică şi nu este posibilă o limitare a curentului

prin stabilizator. Curentul se reglează în funcţie de sarcina I = U/R

Figura 27 Tensiunea obţinută prin comanda cu undă întreagă.

Figura 28 Întârzierea de fază la curentul de cuplare pentru sarcină ohmică

Figura 29 Tensiunea şi curentul urmate de mai multe unde întregi

Circuitul de comandă

Stabilizatoarele de curent alternativ trifazate se folosesc în majoritatea

cazurilor la elemete de reglaj ale puterii împreună cu regulatoarele externe.

Reglarea este efectuată relativ simplu în comparaţie cu reglarea curentului

sau cea a tensiunii.

Pentru reglarea cu întârziere de fază există două circuite de reglaj (al

tensiunii si curentului). Dacă este necesară o reglare de feed-back (care face

legătura între tensiunea de ieşire a regulatorului şi valoarea reală) se

utilizează un transformator de separare şi un redresor după cuplare şi în acest

caz circuitul de regalre are rolul şi de limitare a curentului.

La reglarea curentului nu se foloseşte circuitul de reglare al tensiunii

şi nu este necesară o comandă externă de feeed-back.

Conform principiului undei întregi stabilizatorul nu are un circuit

intern de reglare. Valoarea prescrisă din exterior este chiar semnalul pentru

comanda tiristoarelor. Semnalele prescrise sunt date de semnalul standard 0-

10V; 0-20mA si 4-20mA.

Figura 30 Reglarea tensiunii