3.4 Sisteme de Conducere a Masinii Asincrone Trifazate

download 3.4 Sisteme de Conducere a Masinii Asincrone Trifazate

of 31

Transcript of 3.4 Sisteme de Conducere a Masinii Asincrone Trifazate

Sisteme de conducere a mainilor asincrone trifazate

Sisteme de conducere a mainilor asincrone trifazate

Convertoare statice utilizate pentru alimentarea mainilor asincrone

n cadrul SAE, convertorul static de frecven CSF joac un rol hotrtor n obinerea unor rspunsuri dinamice rapide i precise. Utilizarea motoarelor asincrone trifazate impune folosirea unor convertoare de putere adecvat ce genereaz un sistem trifazat de tensiuni de amplitudine i frecven variabil. Marea majoritate a aplicaiilor utilizeaz convertoare statice de frecven indirecte.

Convertoarele statice de frecven indirecte CSFI se caracterizeaz printr-o dubl conversie a energiei electrice care const dintr-o transformare a tensiunii alternative a reelei, de frecven i amplitudine constante, ntr-o tensiune continu (prin intermediul unui redresor de dou sau de patru cadrane), urmat apoi de transformarea tensiunii continue din circuitul intermediar ntr-o tensiune alternativ, mono sau trifazat, de frecven i amplitudine reglabile, folosind un invertor.

CSF cu circuit intermediar de c.c. se compun n principiu din trei blocuri: un redresor (convertor cu comutaie de la reea), un filtru i un invertor cu comutaie (forat sau de la sarcin). Schema bloc a unui astfel de convertor este prezentat n figura 1.Fig. 1. Schema bloc a unui convertor static de frecvencu circuit intermediar de c.c.

Dup natura filtrului din circuitul intermediar de c.c. se deosebesc dou categorii de convertoare indirecte: cu circuit intermediar de tensiune continu i cu circuit intermediar de c.c.3CSFI cu circuit intermediar de tensiune continu sunt caracterizate de faptul c sursa de alimentare de c.c. funcioneaz n regim de generator de tensiune (surs de tensiune) ca urmare a prezenei unui condensator cu C n paralel cu sursa. Din acest motiv invertorul se mai numete i invertor de tensiune. La acest tip de convertoare se comut tensiunea n circuitul de ieire, aceasta avnd o form dreptunghiular. Curentul se stabilete n raport cu caracterul sarcinii.

Topologii de baz ale CSFI cu circuit intermediar de tensiune continu utilizate n prezent

Fig. 2. CSFI cu circuit intermediar de tensiune continu:a.schema cu invertor de tensiune i redresor necomandat;b. schema ce permite frnarea recuperativ.

Schema din figura 2 a corespunde unui echipament cu invertor de tensiune i redresor necomandat fiind des utilizat n acionrile de mic putere. Avnd n vedere faptul c redresorul este necomandat, pentru regimul de generator al mainii, energia neputnd fi cedat reelei se introduce n circuitul intermediar (la bornele condensatorului de filtraj) un element disipativ (rezistena R) de putere corespunztoare, conectat la nevoie cu un comutator static CS (tranzistor bipolar sau IGBT).Schema din figura 2 b permite recuperarea energiei n reeaua de c.a. n aceast situaie redresorul fiind comandat, n regim de frnare a motorului lucreaz n regim de invertor. n aceast topologie, invertorul poate fi cu dou nivele sau multi-nivel. Invertorul cu trei nivele prezint o diminuare corespunztoare a armonicilor fr a crete n acest scop frecvena de comutaie. Este utilizat n aplicaii de putere i tensiune ridicateConvertoarele statice indirecte cu circuit intermediar de c.c. se caracterizeaz printr-o surs de c.c. care funcioneaz n regim de generator de curent ca urmare a prezenei unei inductiviti mari, L n circuitul sursei. Aceasta confer circuitului intermediar un caracter de surs de curent, invertorul numindu-se n acest caz invertor de curent. Topologiile de baz ale convertoarelor statice indirecte cu circuit intermediar de c.c. ntlnite n prezent n practic sunt prezentate n figura 3 a i b.

n prezent este utilizat frecvent schema din figura 3 a, la care att redresorul ct i invertorul sunt realizate cu tiristoare convenionale. Schema permite circulaia energiei electrice n ambele sensuri; curentul din circuitul intermediar i pstreaz ns acelai sens.Cnd maina de inducie MI lucreaz n regim de motor, convertorul conectat la reea lucreaz ca redresor iar convertorul conectat la main lucreaz ca invertor. Cnd MI lucreaz n regim de frn recuperativ, convertoarele i schimb rolul: cel de la reea trece n regim de invertor iar cel de la servomotor n regim de redresor. n situaia mainilor de inducie se ataeaz de obicei o baterie de condensatoare la bornele mainii care asigur energia reactiv necesar comutaiei de la sarcin.

Fig. 3. Topologii de baz ale CSFI cu circuit intermediar de c.c.:a. redresor invertor realizat cu tiristoare convenionale;b. redresor invertor realizat cu tiristoare GTO.

Tiristoare GTO Controlul micrii mainilor de inducie trifazate alimentate de la convertoare statice de frecven variabil

n ciuda construciei sale simple i robuste, controlul micrii acestor tipuri de maini trebuie s in seama de complexitatea modelului dinamic neliniar i variabil n timp i de faptul c parametrii fazici ai mainii nu sunt ntodeauna cunoscui cu foarte mare precizie.

n aceste condiii controlul micrii presupune controlul vitezei i/sau controlul poziiei respectiv controlul cuplului. Cu ct se obine un rspuns n cuplu mai rapid cu att controlul micrii este mai performant.Principial exist dou strategii de control: controlul scalar; controlul vectorial.

Controlul sau reglarea scalar Poate fi efectuat n bucl deschis sau nchis de control a vitezei i se poate realiza prin legturi ntre mrimile scalare, de exemplu, us = f(f1) sau is = f(f2).

De obicei, se impune condiia de pstrare a fluxului statoric constant i egal cu cel nominal (s = sn = const.).

Aceast strategie se bazeaz pe un model simplu, de regim permanent al servomotorului de inducie. Avantajul controlului scalar const n simplitatea circuitelor de reglare, dar prezint dezavantajul obinerii unor viteze variabile cu precizie sczut, performanele dinamice ale sistemului fiind de asemenea sczute.

12Controlul sau reglarea scalar Rezult un reglaj satisfctor doar atunci cnd maina lucreaz cu viteze staionare perioade lungi de timp. n situaia n care apar fluctuaii n tensiune, perturbaii n sarcin sau dac sistemul necesit acceleraii sau deceleraii rapide, reglajul n bucl deschis este nesatisfctor, impunndu-se controlul n bucl nchis.Ca o concluzie se poate spune c implementarea controlului scalar, dei este simpl, este limitat de acurateea rspunsului n viteza i cuplu al mainii.

Controlul sau reglarea scalar Rezult un reglaj satisfctor doar atunci cnd maina lucreaz cu viteze staionare perioade lungi de timp. n situaia n care apar fluctuaii n tensiune, perturbaii n sarcin sau dac sistemul necesit acceleraii sau deceleraii rapide, reglajul n bucl deschis este nesatisfctor, impunndu-se controlul n bucl nchis.Ca o concluzie se poate spune c implementarea controlului scalar, dei este simpl, este limitat de acurateea rspunsului n viteza i cuplu al mainii.

Controlul vectorial este fundamentat pe modelul dinamic al mainii de inducie, bazndu-se pe caracterul vectorial al mrimilor funcionale ale mainii. A fost dezvoltat ca o metod de control n bucl nchis a vitezei/cuplului i se utilizeaz atunci cnd rspunsul dinamic al sistemului i precizia controlului micrii sunt importante.

Controlul vectorial restabilete unul din avantajele SAE de curent continuu, separarea buclelor de vitez i cuplu.Promotorii controlului vectorial sunt Hasse K. i Blaschke F. Exist strategii de control vectorial directe, indirecte i directe n cuplu.

Controlul vectorial Din punctul de vedere al realizrii practice, sistemele de control vectorial se pot grupa n:

sisteme analogice, realizate cu circuite integrate i tranzistoare;

sisteme digitale, realizate cu procesoare de semnal DSP, microprocesoare i interfee de calculator;

sisteme hibride, la care circuitele de comand sunt analogice i digitale.

O alt clasificare a metodelor de control se poate face dup modul n care sunt msurate mrimile cinematice. Astfel se disting:controlul micrii cu traductoare de mrimi cinematice;controlul fr traductoare de micareControlul vectorial Metodele de control care utilizeaz traductoare de mrimi cinematice (poziie i vitez) se folosesc pentru aplicaii ntr-o gam extins de turaii (1:1000; 1:10000). Trebuie subliniat faptul c traductoarele sunt n general scumpe, sensibile la perturbaii i variaii de temperatur, mrind totodat greutatea i gabaritul sistemului.

Conducerea fr traductoare de micare, cunoscut n literatura de specialitate de limb englez sub denumirea de sensorless control, se impune ca o alternativ la prima strategie, fiind necesar pentru reducerea prii hard a sistemelor (a sistemelor de acionare n general) precum i pentru creterea siguranei n exploatare. Se aplic n SAE caracterizate de o gam moderat de turaii (1:100). n aceast situaie, mrimile cinematice sunt estimate, observatoarele de stare din sistem utiliznd informaii de curent i tensiune msurabile la borne.

Controlul scalar al mainilor de inducie

Controlul scalar al mainilor de inducie a fost implementat pe modelul de regim permanent al acestora. Marele avantaj al acestei strategii este dat de simplitatea circuitelor de reglare, prezentnd ns inconvenientul obinerii unor performane dinamice modeste.Sub aspectul pierderilor, procedeul de modificare a vitezei servomotorului de inducie prin schimbarea frecvenei este cel mai economic, n sensul c pierderile n plus care apar n main fa de funcionare la frecvena i tensiunea nominal sunt relativ mici i se datoreaz sistemului de modificare a frecvenei.

Pe baza relaiilor care definesc modelul matematic n regim staionar al MI rezult c turaia sincron se modific proporional cu frecvena i, n acelai timp, cuplul electromagnetic prin intermediul reactanelor. Dac frecvena de alimentare f1 nu este mult diferit de frecvena nominal f1n, expresia cuplului critic din relaia se poate scrie sub o form mai simpl, neglijnd rezistena statoric n raport cu reactanele de dispersie:

Dac raportul nu este meninut constant i de exemplu f1 scade n timp ce: U1 = const., atunci pe baza relaiei:

n care este amplitudinea fluxului total statoric i c o constant, rezult creterea fluxului cu scderea frecvenei. Mrirea fluxului s determin saturarea miezului i deci creterea curentului de magnetizare

20La creterea frecvenei n timp ce Us = const., fluxul n main scade, ceea ce determin micorarea cuplului dezvoltat. Dac fluxul statoric poate fi meninut constant, comportarea MI comandat n frecven este analog cu cea a motorului de c.c. cu excitaie separat comandat n tensiunecum trebuie s fie interdependente tensiunea Us i frecvena de alimentare f1

Sub frecvena nominal, fluxul mainii este meninut constant ceea ce determin un cuplu critic constantPeste frecvena nominal, tensiunea de alimentare se menine constant i ca urmare, n acest domeniu cuplul critic se micoreaz datorit diminurii fluxului, puterea activ maxim rmnnd constant.

Fig. 4. Dependena tensiunii de frecven la MI.Caracteristicile mecanice n valori raportate obinute prin schimbarea frecvenei

Fig. 5. Caracteristicile MI la schimbarea frecvenei.

n principiu, trecerea dintr-un punct stabil de funcionare n altul pe caracteristicile artate este posibil n dou moduri: la flux constant prin modificarea alunecrii la alunecare constant prin modificarea fluxului.

Pentru ca motorul, considerat nesaturat, s funcioneze cu acelai randament, factor de putere i cuplul critic, n condiiile modificrii frecvenei, se poate gsi ca necesar relaia:

Dac este necesar meninerea neschimbat a capacitii de suprancrcare , raportul cuplurilor critice la dou viteze diferite trebuie s fie egal cu raportul cuplurilor rezistente, adic:

sauControlul scalar poate presupune o bucl deschis sau nchis de control a vitezei i se realizeaz n general prin legturi ntre mrimile scalare

De obicei se impune condiia de pstrare a fluxului statoric constant i egal cu cel nominal

n multe acionri cu vitez variabil, n care o mic variaie a vitezei unghiulare a MI cu ncrcarea este permis se poate utiliza controlul scalar n bucla deschis care utilizeaz legtura la us = const., cu o compensare a efectului rezistenei statorice la frecvene mici

Fig. 6. Controlul scalar n bucl deschis cu la icompensarea efectului rezistenei statorice la frecvene mici.

27Controlul n bucl deschis prezint dezavantajul c are loc o cretere a alunecrii la ncrcarea mainii. De asemenea, performanele dinamice ale acesteia sunt slabe. Din aceste motive este agreat controlul scalar n bucl nchis

Schem de control n bucl nchis cu reglarea fluxului i a cuplului La ieirea regulatorului de cuplu se genereaz un semnal proporional cu alunecarea care, adiionat cu turaia mainii genereaz frecvena de comand Fluxul mainii poate fi meninut constant, ca la maina de c.c. cu excitaie separat sau programat n funcie de cuplul electromagnetic dezvoltat.Exist i posibilitatea reglrii bipoziionale a curentului mainii, dac blocul de estimare a parametrilor permite generarea unui sistem trifazat proporional cu curenii mainii. Schema are performane dinamice ridicate deoarece prezint doar constanta de timp electromecanic de valoare mare care poate fi anihilat n procesul de reglare.

Schem de control al vitezei n bucl nchis cu reglarea alunecrii

Diferena dintre valoarea impus a turaiei i valoarea msurat, furnizat de tahogeneratorul TG este aplicat la intrarea regulatorului de turaie. Semnalul su de ieire reprezint valoarea impus a frecvenei rotorice (frecvena de alunecare). Acest semnal se adaug la semnalul tahogeneratorului obinndu-se valoarea impus a frecvenei statorice de alimentare . n plus, acest semnal rezultant este aplicat i la intrarea generatorului de funcie GF care prescrie valoarea impus pentru tensiunea statoric us, amplificat la frecvene de funcionare joase astfel nct fluxul din ntrefier s fie meninut aproximativ constant. n aceste condiii, cuplul MI este proporional cu alunecarea iar bucla de reglare a alunecrii funcioneaz subordonat buclei de reglare a cuplului.n situaia n care este necesar o cretere brusc a vitezei motorului, regulatorul de vitez limiteaz frecvena de alunecare ceea ce face ca maina s dezvolte un cuplu dinamic care s duc la atingerea rapid a vitezei prescrise.

Fig. 9. Controlul scalar n bucl nchis cu reglarea vitezei i alunecrii.

30n concluzie: reglajul scalar presupune scheme simplu de realizat, dar performanele dinamice ce se obin sunt modeste. Utilizarea controlului scalar este recomandat n SAE nepretenioase. Dac se dorete obinerea unor performane dinamice i precizii de reglare crescute este indicat utilizarea reglajului vectorial cu care se pot obine SAE cu performane chiar mai bune dect cele realizate cu motoare de c.c.