191906404 Indrumar Proiect Actionari Electrice

download 191906404 Indrumar Proiect Actionari Electrice

of 17

Transcript of 191906404 Indrumar Proiect Actionari Electrice

  • 3

    CAPITOLUL 1 PREZENTAREA STRUCTURII UNUI SISTEM DE ACIONARE ELECTRIC CU MAIN DE CURENT CONTINUU 1.1. GENERALITI

    Un Sistem de Acionare Electric (SAE), reprezint un ansamblu de elemente electrice, electronice i electromecanice interconectate n vederea realizrii comenzii i reglrii conversiei electromecanice a energiei pentru un anumit proces tehnologic. Schema bloc a unui astfel de sistem este prezentat n Fig.1.1.

    Fig. 1.1 Schema bloc a unui sistem de acionare electric (SAE).

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    4

    Elementele componente ale unui SAE se pot grupa n dou pri n raport cu rolul lor:

    partea de for care asigur conversia electromecanic a energiei; partea de comand i control care are rolul de a asigura comanda i

    controlul sistemului de acionare electric;

    Aceste dou pri au legturi cu sistemele sau elementele exterioare ale SAE. Structura general a unui SAE este format din (vezi Fig. 1.1):

    Sistemul de conducere (SC) reprezentat de unitatea centrului de

    comand a procesului tehnologic. Acesta impune sistemului de acionare electric prin mrimea de comand x , tipul i limitele de variaie ale mrimii comandate y . Sistemul de acionare electric trimite ctre sistemul de comand informaii prin intermediul mrimilor de semnalizare ey ;

    Mecanismul productiv (MP) reprezentat de elementele mecanice care realizeaz procesul tehnologic i caracterizat de mrimea comandat y . Sistemul de acionare electric este proiectat n vederea modificrii corespunztoare a mrimii comandate y a acestuia;

    Sursa de energie electric (SEE) reprezentat de reeaua electric de alimentare a SAE. Aceasta este caracterizat de mrimea ex . Reeaua poate fi de tensiune continu sau de tensiune alternativ de frecven constant;

    Mediul exterior (ME) poate influena funcionarea sistemului de acionare electric prin introducerea unor mrimi perturbatoare px precum

    temperatura, umiditatea, radiaiile etc. Acesta este influenat de ctre SAE prin intermediul mrimilor poluante py , cum ar fi zgomotele, vibraiile sau

    degajarea de cldur, noxele .a. Sistemul de for (SF) asigur conversia energiei electrice primit de la

    sursa de energie electric (SEE) (caracterizat de mrimea ex ), n lucrul mecanic efectuat de mecanismul productiv (MP) (caracterizat de mrimea de ieire y ). (SF) este format din trei elemente nseriate din punct de vedere funcional:

    convertorul electric (CE) adapteaz/modific energia electric primit de la (SEE) (caracterizat de mrimea ex ) astfel nct aceasta s devin compatibil cu necesitile energetice ale convertorului electromecanic

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    5

    (caracterizate de mrimea ez ). (CE) poate fi un transformator electric, un redresor, un invertor, un convertor de frecven etc.;

    convertorul electromecanic (CEM) transform energia electric (definit de mrimea ez ) n lucru mecanic (definit de mrimea mz turaie, cuplu etc.). Pentru marea majoritate a sistemelor de acionri electrice, (CEM) este o main electric;

    convertorul mecanic (CM) realizeaz conversia lucrului mecanic, (definit de mrimea mz ), n lucru mecanic (definit de mrimea y ), necesar mecanismului productiv (MP). Cteva exemple de convertoare mecanice de energie sunt: transmisia mecanic, reductorul de vitez .a. n unele cazuri acest convertor poate lipsi, dac lucrul mecanic furnizat de (CEM) este compatibil cu cel necesar (MP) ( yzm = );

    Sistemul de comand i control (SCC) asigur supravegherea, comanda i

    reglarea sistemului de for pentru a putea face o concordan ntre mrimea de comand x i cea comandat y . (SCC) este alctuit din urmtoarele elemente:

    sistemul de comand (SCO) prelucreaz informaiile primite de la sistemul informatic (prin intermediul mrimii iz ) i pe baza mrimii de comand (intrare) x primit de la sistemul de conducere (SC), exterior SAE, transmite sistemului de for (SF) comenzi (caracterizate de mrimea

    cz );

    sistemul informatic (SI) este format din senzori, traductoare i sisteme de transmisie a informaiei la distan. Sistemul informatic primete informaii rz de la toate elementele componente ale sistemului de for i le transmite apoi prin intermediul mrimii iz sistemului de comand.

    n lucrarea de fa sunt prezentate cteva dintre elemente ce stau la baza

    proiectrii unui sistem de acionare electric format dintr-o main de curent continuu cu excitaie independent alimentat de la dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate. Sunt tratate att partea de for a acionrii, ct i partea de comand aferent acesteia.

    Un convertor static cu comutaie natural (sau stingere natural) complet comandat permite curentului electric, ce l parcurge, s aib numai de un singur

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    6

    sens pentru ambele regimuri de funcionare posibile ale convertorului (redresor i respectiv invertor). De aceea, sistemele de acionare electric ce presupun utilizarea unui singur astfel de convertor static, se mai numesc i sisteme de acionare de dou cadrane, iar cele care utilizeaz dou astfel de convertoare statice, montate n antiparalel sau n alte configuraii posibile (montaj n cruce sau montaj n H), se mai numesc i sisteme de acionare electric de patru cadrane.

    Prin cadran de funcionare se nelege zona delimitat de dou semiaxe ale planului caracteristicilor mecanice M (a se vedea cele patru cadrane din Fig. 1.2).

    Fig. 1.2 Planul caracteristicilor mecanice.

    n Fig. 1.2 PF reprezint punctul de funcionare a unei acionri electrice determinat de intersecia dintre caracteristica mecanic a mainii de curent continuu i caracteristica mecanic a sarcinii cuplate la axul mainii.

    1.2. SISTEME DE ACIONARE DE DOU CADRANE

    Sistemele de acionri electrice de dou cadrane sunt realizate cu ajutorul unui singur convertor static cu comutaie natural complet comandat (vezi Fig. 1.3). Acesta ofer posibilitatea funcionrii SAE n cadranele I i IV din planul caracteristicilor mecanice (Fig. 1.2). Tensiunea la ieirea unui astfel de convertor este dat de relaia:

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    7

    AsA cossinUU = 662 (1.1)

    unde:

    sU este valoarea efectiv a tensiunii de la intrarea convertorului; reprezint unghiul de comand al convertorului.

    Fig. 1.3 Schema unui SAE de dou cadrane. Dac n cazul sistemelor de acionare de patru cadrane exist scheme care

    permit realizarea unor caracteristici mecanice liniare (a se vedea Fig. 1.13), de aceast dat (pentru sistemele de acionri electrice de dou cadrane) caracteristica mecanic a mainii are caracter liniar doar n zona de curent nentrerupt. n zona de curent ntrerupt caracteristica mainii de curent continuu cu excitaie independent are un caracter neliniar (Fig. 1.4).

    Zona de delimitarea a celor dou regimuri de funcionare, regim de curent nentrerupt (funcionare continu), respectiv regim de curent ntrerupt (funcionare discontinu) poate fi modificat dac:

    se mrete valoarea cuplului de sarcin (regimul de curent nentrerupt apare mai ales la valori mici ale cuplului de sarcin);

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    8

    se mrete valoarea inductanei de netezire din circuitul indusului mainii de curent continuu (vezi Fig. 1.3). Aceast metod are dezavantajul creterii valorii constantei electrice de timp a circuitului indusului, ceea ce conduce la un rspuns mai lent n timp al buclei de reglare a curentului (vezi Fig. Y).

    Fig. 1.4 Caracteristicile mecanice ale mainii de curent continuu cu excitaie

    independent alimentat de la un singur convertor static cu comutaie natural complet comandat.

    Pentru sistemele de acionri ce antreneaz o sarcin cu un caracter

    pronunat inductiv se pot folosi convertoare statice cu comutaie natural semicomandate. Aceste convertoare sunt formate din dou grupuri de dispozitive semiconductoare de putere, unul format din elemente comandabile i un al doilea format din elemente necomandabile (diode redresoare) (vezi Fig. 1.5). Tensiunea la ieirea unui astfel de convertor este dat de relaia:

    )cos(UU AA += 121

    0 (1.2)

    Avantajul principal al utilizrii unui convertor static cu comutaie natural

    semicomandat este dat de numrul redus de elemente comandabile. Practic, numrul acestora este jumtate din cel existent n cadrul unui convertor static cu comutaie natural complet comandat.

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    9

    Fig. 1.5 Schema unui SAE cu convertor static cu comutaie natural semicomandat. Dezavantajul important al convertoarelor statice semicomandate const n

    imposibilitatea operrii n regim de invertor (aadar permit funcionarea SAE doar ntr-un singur cadran din planul caracteristicilor mecanice M cadranul I din Fig. 1.2 respectiv cadranul I din Fig. 1.4).

    1.3. SISTEME DE ACIONARE DE PATRU CADRANE

    Realizarea unui sistem de acionare electric de patru cadrane care permite obinerea unei tensiuni redresate de ieire de ambele polariti, presupune utilizarea unui convertor static cu stingere natural complet comandat conectat pe indusul mainii de curent continuu i adoptarea uneia din urmtoarele patru metode:

    utilizarea a unui al doilea convertor static cu stingere natural complet comandat montat pe circuitul indusului mainii de curent continuu fie n antiparalel, fie n cruce, fie n H cu primul;

    utilizarea unor comutatoare mecanice pentru contraconectarea indusului mainii de curent continuu;

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    10

    utilizarea unui convertor static cu stingere natural complet comandat pentru alimentarea excitaiei mainii de curent continuu;

    utilizarea unor comutatoare mecanice pentru contraconectarea excitaiei mainii de curent continuu;

    Pentru metodele menionate mai sus, timpii de reversare ai cuplului

    electromagnetic din ntrefierul mainii de curent continuu sunt prezentai n Tab. 1.1.

    Tab. 1.1 Timpii de reversare ai cuplului electromagnetic din ntrefierul mainii.

    Metoda 1 Metoda 2 Metoda 3 Metoda 4 2 -10 ms 20 60 ms 0,1 0,5 s 0,5 1 s

    n cazul realizrii unui sistem de acionare de patru cadrane bazat pe

    schimbarea sensului fluxului de excitaie (metodele 3 i 4 de mai sus) trebuie precizate cteva aspecte:

    aceste SAE sunt mai ieftine dect cele ce vor fi prezentate n continuare datorit valorilor nominale mai mici ale parametrilor circuitului de excitaie al mainii de curent continuu (fiind astfel cele mai ieftine SAE de patru cadrane);

    datorit valorii ridicate a constantei electrice de timp a circuitului de excitaie al mainii de curent continuu, durata procesului de reversare a curentului prin acest circuit este destul de ridicat. Accelerarea acestui proces de reversare s-ar putea face prin creterea valorii tensiunii de alimentare a nfurrii de excitaie pe durata procesului de reversare a cmpului, dar acest lucru duce la apariia altor complicaii;

    Aspectele prezentate anterior fac ca aceste sisteme de acionare de patru cadrane (cu reversare a cmpului de excitaie) s fie utilizate mai ales n cazul acionrilor de mare putere cu moment de inerie important, unde ntrzierea datorat reversrii cmpului de excitaie reprezint doar o fraciune a constantei de timp mecanice, iar timpul de rspuns al acionrii nu reprezint o cerin foarte important.

    Cum metoda 1 este cea mai rapid metod de reversare a cuplului electromagnetic din ntrefierul mainii de curent continuu (n acest caz acest lucru

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    11

    se realizeaz prin reversarea curentului prin indusul mainii de curent continuu) n continuare se vor prezenta elementele ce stau la baza proiectrii unui SAE format dintr-o main de curent continuu cu excitaie independent alimentat de la dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel (SAE de curent continuu de patru cadrane). Schema de principiu a circuitului de for a unui astfel de SAE de patru cadrane este prezentat n Fig. 1.6.

    Cele dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel au fost simbolizate ca dou surse de tensiune continu reglabile. Sensul curentului este reprezentat cu ajutorul diodelor simbol.

    Fig. 1.6 Schema de principiu a unui SAE de curent continuu de patru cadrane. Caracteristicile de comand ale celor dou convertoare sunt prezentate n

    Fig. 1.7.

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    12

    Fig. 1.7 Caracteristicile de comand.

    Tensiunile la ieirile celor dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel sunt date de relaiile:

    BsB

    AsA

    cossinUU

    cossinUU

    =

    =

    662

    662

    (1.3)

    Deoarece s-a considerat prima metod de realizare a unui SAE de curent

    continuu de patru cadrane, atunci unghiurile de comand a celor dou convertoare statice vor trebui limitate la valoarea de 150 pentru regimul de invertor, respectiv la valoarea de 30 pentru regimul de redresor.

    Sistemele de acionare electric de patru cadrane (acionri reversibile de patru cadrane) pot fi cu sau fr cureni de circulaie. 1.3.1. Scheme fr cureni de circulaie

    n cazul schemelor de SAE de patru cadrane (cu dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel) fr cureni de circulaie, legea de comand a celor dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel este dat de inegalitatea:

    >+ BA (1.4)

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    13

    Schema unui astfel de SAE este prezentat n Fig. 1.8.

    Fig. 1.8 Schema unui SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) fr cureni de circulaie.

    Pentru acest tip de schem cele dou convertoare se afl pe rnd n stare

    ACTIV / PASIV (Fig. 1.9). Blocarea funcionrii unuia din cele dou convertoare statice ale schemei

    prezentate n Fig. 1.8 se poate realiza prin:

    blocarea impulsurilor de comand; reglarea fazei impulsurilor de comand, astfel nct s nu existe tendina

    apariiei unui curent de circulaie. Dei sunt ntrziate, impulsurile convertorului B rmn dependente de impulsurile primului convertor conform relaiei 1.4;

    n Fig. 1.9 este prezentat sintetic funcionarea unui SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) fr cureni de circulaie.

    Pentru sistemul de acionare prezentat n Fig. 1.8, tensiunea medie la ieirea convertorului static A este diferit n modul de tensiunea medie la ieirea convertorului static B datorit unghiului de comand dat de relaia 1.4. Cele dou tensiuni de la ieirea convertoarelor statice au semne opuse.

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    14

    Fig. 1.9 Funcionarea unui SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) fr cureni de circulaie.

    n cazul schemei fr cureni de circulaie (Fig. 1.8), la trecerea dintr-un

    regim de funcionare n altul (din regim de redresor n regim de invertor i invers), sistemul de comand va trebui s blocheze impulsurile la unul dintre cele dou convertoare statice.

    Dac dintr-o greeal a sistemului de comand ar apare impulsuri la ambele convertoare statice, atunci, datorit absenei inductanelor de limitare a posibililor cureni de circulaie, ar putea apare valori foarte mari ale curentului prin cele dou convertoare statice i prin indusul mainii de curent continuu ce ar conduce n final la distrugerea convertoarelor.

    De aceea, orice schimbare a sensului curentului va trebui anticipat de ctre sistemul de comand. Astfel, cel mai adesea, n jurul momentului de comutare a curentului prin indus se asigur a scurt pauz a tensiunii redresate. n aceste condiii valoarea inductanei de netezire din circuit are o importan deosebit n

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    15

    schemele prevzute cu diode de regim liber (conectate n paralel cu convertoarele statice).

    Dezavantajul principal al acestor scheme de SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) fr cureni de circulaie, const n caracterul neliniar al caracteristicilor mecanice ale mainii de curent continuu pentru o anumit valoare a unghiului de comand, respectiv o anumit valoare a cuplului de sarcin (a se vedea Fig. 1.10).

    Trecerea dintr-un regim n altul se face prin salturi importante ale curentului prin indus i printr-un oc al vitezei acionrii (a se vedea Fig. 1.10).

    Fig. 1.10 Caracteristicile mecanice ale unui SAE de patru cadrane fr cureni de circulaie.

    n schimbul acestor dezavantaje, trebuie de menionat preul mai redus i

    gabaritul, respectiv greutatea mult mai mic a acestor scheme (n special datorit absenei din circuit a inductanelor de limitare a acestor cureni) comparativ cu schemele de SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) cu cureni de circulaie.

    n cazul schemei prezentat n Fig. 1.8 (montaj n antiparalel) se poate folosi un singur transformator de alimentare cu un singur secundar la care pot fi conectate ambele convertoare statice. Pentru montajul n cruce (al celor dou convertoare statice) se folosesc dou transformatoare de alimentare.

    Adesea, transformatorul de alimentare este ntlnit n literatura de specialitate i sub denumirea de transformator de adaptare. Tensiunea din secundarul transformatorului este impus de structura convertoarelor statice i de valoarea tensiunii nominale a mainii de curent continuu (care trebuie adaptat la valoarea tensiunii de linie a reelei de alimentare).

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    16

    Totodat, pentru aceste scheme, sistemul de comand i control (SCC) se va realiza ntotdeauna n circuit nchis, numit comand n bucl nchis. 1.3.2. Scheme cu cureni de circulaie

    Schema unui SAE de patru cadrane (cu dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel) cu cureni de circulaie difer de cea fr cureni de circulaie (prezentat anterior n capitolul 1.3.1.) prin prezena inductivitilor de limitare a acestor cureni (Fig. 1.11) i prin legea de comand a celor dou convertoare statice.

    Fig. 1.11 Schema unui SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) cu cureni de circulaie.

    n cazul schemelor cu cureni de circulaie, pentru montajul n antiparalel

    (al celor dou convertoare statice) se utilizeaz patru inductane de limitare a curenilor de circulaie, iar pentru montajul n cruce (al celor dou convertoare statice) se utilizeaz dou astfel de inductane de limitare.

    Pentru schemele de SAE de patru cadrane (cu dou convertoare statice cu stingere natural complet comandate montate n antiparalel) cu cureni de circulaie legea de comand a celor dou convertoare statice este dat de relaia:

    =+ BA (1.5)

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    17

    n Fig. 1.12 este prezentat sintetic funcionarea unui SAE de patru cadrane

    (montaj n antiparalel) cu cureni de circulaie.

    Fig. 1.12 Funcionarea unui SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel) cu cureni de circulaie.

    Pentru sistemul de acionare prezentat n Fig. 1.11, tensiunea medie la

    ieirea convertorului static A este egal n modul cu tensiunea medie la ieirea convertorului static B. Cele dou tensiuni au semne opuse. Astfel, n timp ce un convertor static funcioneaz n regim de redresor, cel de-al doilea funcioneaz n regim de invertor.

    Dei valorile medii ale tensiunilor la ieirile celor dou convertoare statice sunt egale n modul, valorile instantanee sunt diferite, ceea ce conduce la apariia unei tensiuni de circulaie dat de suma acestora, respectiv la apariia unui curent de circulaie.

  • 1. Prezentarea structurii unui SAE cu main de curent continu

    18

    Tensiunea de circulaie rezultat nu va avea un caracter sinusoidal, iar pentru curentul de circulaie va rezulta o variaie pulsatorie.

    Dei ambele convertoare se afl n conducie simultan, comanda mainii pentru cadranele I i IV ale planului caracteristicilor mecanice este realizat de ctre convertorul A, n timp ce pentru cadranele II i III ale planului caracteristicilor mecanice este realizat de ctre convertorul B (vezi Fig. 1.12).

    Un dezavantaj al schemelor de SAE de patru cadrane (montaj n antiparalel)

    cu cureni de circulaie este creterea pierderilor datorit prezenei curentului de circulaie. n acelai timp att factorul de putere al acionrii, ct i randamentul acesteia sufer scderi importante.

    Curentul de circulaie trebuie s aib o form de und ct mai apropiat de cea a unui curent continuu (acesta fiind rolul inductane de limitare), astfel nct convertorul static, ce urmeaz a prelua controlul de la cellalt convertor static, s realizeze acest lucru fr ntrziere (astfel nct caracteristica mecanic a SAE s fie liniar a se vedea Fig. 1.13).

    Fig. 1.13 Caracteristicile mecanice ale unui SAE de patru cadrane cu cureni de circulaie.

    Comparativ cu schema unui SAE fr cureni de circulaie, schema unui

    SAE cu cureni de circulaie, pe lng dezavantajele menionate i preul mai

  • Acionri Electrice de Curent Continuu Elemente de Proiectare Vol. 1

    19

    mare (datorat inductivitilor de limitare a acestor cureni), ofer o serie de avantaje importante:

    un sistem de comand i control mult mai simplu, ieftin; posibilitatea trecerii din semiplanul drept n semiplanul stng i invers al

    planului caracteristicilor mecanice (Fig. 1.2) fr un oc al vitezei acionrii. Aceste treceri au loc lin datorit caracteristicilor mecanice liniare ale acionrii (a se vedea Fig. 1.13);

    reglarea vitezei acionrii se realizeaz mai simplu i eficient; datorit simetriei n funcionare a celor dou convertoare se poate utiliza o

    singur valoare a amplificrii caracteristicii acestora.