Acionri electrice cu motoare asincrone

1

Bibliografie:

Kelemen Arpad: Acionri electrice. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979

Motor cu rotor n scurtcircuit

2

nfurrile statorice

3

Rotor n scurtcircuit

4

Rotor bobinat

5

Maina asincron

Este cel mai rspndit motor

Avantaje:

- Distribuia energiei electrice se face n sistem alternativ trifazat cel mai economic sistem;

- Motorul poate fi cuplat direct la reea fr elemente intermediare;

- Construcie robust;

- Motor ieftin.

Dezavantaj:

- Reglajul turaiei este dificil

6

Maina asincron

Noiuni constructive

- Construcie trifazat sau monofazat

- Cu rotor n scurtcircuit (colivie) sau bobinat

Maina asincron trifazat

Sistem trifazat, sinusoidal:

Uef - valoare eficace (efectiv)

- valoare de vrf (amplitudine)

7

2

2 2 3

2 2 3

ef

R

ef

S

ef

T

u U sin t

u U sin t /

u U sin t /

efU2

Tensiunea de faz: tensiunea msurat fa de un punct comun de referin (nul)

Tensiunea de linie: tensiunea msurat fa de o alt faz.

Reprezentarea n complex:

8

3l fU U

R

RU

SU

TU

RSU

STU

TRU

S T

0

tensiunede linie

tensiunede faz

nululreelei

Principiul de funcionare al motorului asincron

- nfurrile statorice sunt alimentate de la sistemul trifazat de tensiuni cu frecvena fs;

- curentul statoric ce se formeaz n nfurri statorice genereaz un cmp magnetic nvrtitor care se rotete cu turaia sincron

- cmpul magnetic nvrtitor induce n nfurrile rotorice o tensiune;

- tensiunea indus determin apariia curenilor rotorici care circul n nfurri rotorice;

- frecvena mrimilor electrice din rotor:

zp numr de perechi de poli, n turaia rotorului

9

0

60 s

p

fn [ rot / min]

z

p 0

r

z (n - n)f = [Hz]

60

- cmpul magnetic al curenilor rotorici interacioneaz cu cmpul magnetic nvrtitor rezultnd un cuplu electromagnetic care pune n

micare de rotaie rotorul

- condiia de existen a cuplului:

alunecarea reprezint diferena ntre viteza cmpului magnetic nvrtitor i viteza rotorului:

- relaia ntre frecvena statoric i rotoric:

10

0

60

p

r

z (n n)f [ Hz]

0 0n n

0 0

0 0

n n

sn

0 1 motor, cadr. I

1 frn, cadr IV

0 generator, cadr II

1 rotor calat (pornire)

s

s

s

s

r sf sf

Schema echivalent pentru regim stabilizat (cu mrimi rotorice raportate prin alunecare s la stator)

Rs, Rr - rezistena statoric i rotoric,

Ls, Lr, Lm - inductivitatea statoric, rotoric, i de magnetizare

Ls, Lr - inductivitatea de scpri statoric i rotoric

Xs, Xr, Xm - reactana statoric, rotoric i de magnetizare

- frecvena de alimentare 11

ss s s m m

rr r r m m

U I R jX jX I

U I R jsX jsX I

Rs Xs=Ls Rr /sXr=Lr

Xm=LmsU

sI rI

rU

s

mI

Xs=(Lm+Ls) Xr=(Lm+Lr)

12

13

Alunecarea critic pe caracteristic:

=

+

Rr rezistena rotoric Xs reactana de scpri n stator Xr reactana de scpri n rotor

Caracteristicile mecanice

Pe baza formulei lui Kloss simplificat:

M=f(s) =f(M)

14

Generator

>0

N

MkMNMp-Mk M

Frn

1

s

15

2 2 k k kem

kk k

s M Ms, M s

ss s s

s

0 0

2k k

s ,M

s s ,M M

2 2 k k kem k

k

k

s M MsM s

ss s s

s

0

0

s ,M

s ,M

2k ks s ,M M

Dac s 0 - alunecare f. mic:

Caracteristica devine o dreapt care trece prin punctele:

Dac - alunecare f. mare: ks s

hiperbol

s>

la limit trece prin punctul

16

MkMN-Mk M

kd

0

kG

-kM

-0

0i

0

- -s =

-

0d

0

-s =

i ds = 2-s

d is = 2-s

is = 2

ds = 2

ds = 0

ds =1

0

is =1

kis

is = 0

kd

d k

k d

2MM =

s s+

s s

ki

d kd

kd d

-2MM =

2-s 2-s+

2-s 2-s

ki

i ki

ki i

-2MM =

s s+

s s

Caracteristica desecvenen direct

Caracteristica desecvenen invers

RST, STR, TRS

RTS, SRT, TSR

Caracteristicile

mecanice n funcie de secvena de

alimentare

Secvena direct: RST, STR, TRS

Secvena invers: RTS, SRT, TSR

Reglajul turaiei

17

Rs Xs Rr /sXr

XmsU

sI rI

rU

s

mI

rU

s

rU

s

Rr1 /s

Rr2 /sXr1 /s

RedresorrU

sInvertor

Reea

La motor asincron:

- cu rotor n scurtcircuit Doar la motor asincron

- cu rotor bobinat cu rotor bobinat

a) Variaia tensiunii de alimentare

Variaia cuplului este proporional cu ptratul tensiunii,

alunecarea critic se menine constant

18

MkCN M

k

0

UsNUs1

b) Variaia rezistenei rotorice

Variaia alunecrii critice este proporional rezistena ext. Asigur gam larg de reglare a turaiei, dar modific rigiditatea caracteristicii.

Randamentul este redus

19 2 1

k kCA CN

CA CN CN

rtotk k k

r

r r r

M M

RS S S

R

R R R

MkMr M

kCN

0

k1

k2

Rr2>Rr1

Rr

Rr1>Rr

rCN

r2

r1

0

CN

c) Variaia frecvenei statorice

Cuplul critic variaz invers proporional cu ptratul frecvenei, alunecarea critic variaz invers proporional cu frecvena

20

MkCN M

kCN

0

fsN

fs1

d) Variaia tensiunii i frecvenei (U/f=ct.)

Se urmrete ca Us/fs =ct.:

21

2 2

1 2

1 2

CA CN

CA CN

CA CN

s sNk k

sN s

k k

sNk k

s

sN s s

sN s s

U fM M

U f

M M

fs s

f

f f f

U U U

MkCN M

kCN

0

UsN,fsN

0

CN

k1

k2

01

02 s1 sN

s1 sN

U U=

f f

s2 sN

s2 sN

U U=

f f

d) Variaia tensiunii i frecvenei (U/f=ct.)

- La frecvene mici legea U/f=ct duce la deformarea caracteristicii i cuplul critic nu mai rmne constant

- La frecvene mai mari dect cea nominal raportul nu mai poate fi pstrat constant, deoarece tensiunea este limitat la Usmax

- Legea real de reglaj este

- la frecven mare k=1

- la frecvene mici k crete

22

s

s

Uk ct.

f

Pornirea motoarelor asincrone

Metode de pornire

a)Conectare direct la reea

b)Pornire prin comutator stea-triunghi

c)Pornire cu tensiune variabil

d)Pornire cu rezisten

23

a) Pornirea prin conectare direct la reea

- Curent de pornire:

- Cuplu de pornire:

- Cuplul de pornire este

determinat de construcia

rotorului.

- Curentul de oc absorbit n momentul pornirii determin cdere de tensiune la alimentare

- Pot fi afectai i ali consumatori

.

24

6 8p NI I1 6p NM . M

M

0

dubl colivie

0 Mp Mp1 Mp2

bare obinuite

bare nalte

a) Pornirea prin conectare direct la reea

- Pornirea prin conectare direct nseamn pornire n scurtcircuit, fiind des utilizat la motoarele cu rotor n

scurtcircuit.

- Se practic la motoare mai mici de 5.5kW/400V.

Efecte:

- cderea de tensiune ali consumatori afectai

- Aparatura solicitat

- ocuri mecanice

- Eforturi electrodinamice

- Se permite la puteri de max. 20% din puterea

transformatorului de alimentare 25

b) Pornirea prin comutare stea-triunghi

Stea

Triunghi

Poate fi aplicat numai dac:

- sunt disponibile toate bornele nfurrilor statorice

- Tensiunea de faz a motorului este egal cu tensiunea de linie a reelei

26

ly fyU = 3U

S

Uly0

Ufy

T

Ily

Ily=Ify

R

S

Ul

T

R

Uf

l fU=U l fI = 3I

Ify

Il

If Y Y 3

3 3

f ll f

f f

ll f

f

U UI I

Z Z

UI I

Z

Y 3 1 1 1 practic 3 3 4

3

l

l f

ll

f

U

I Z,

UI

Z

2

Y 13 3

l

l

U

M

M U

c) Pornirea prin tensiune variabil

Metode:

- Cu autotransformator dac se consider k raportul de transformare al autotransformatorului:

- Cu nseriere de rezisten (R) sau reactan (X) n circuitul statorului

- Cu tensiune i frecven reglabil cu variatoare de tensiune alternativ

27

2 2

pN pN

pautotr pautotr

I MI , M

k k

d) Pornirea

cu rezistene

-Introducerea rezistenelor

n circuitul rotoric are ca

efect reducerea curentului

de pornire i creterea cuplului de pornire.

28

S

Cm

T

R

Cm

Cm-1

Cm-1

C1

C1

Stator Rotor

Rm Rm-1 R1Rr

MkMN M

m

0

1

Rr

N

0

CN

MmaxMmin

Rm

R2

R1

N

m-1

sm

s1

sN

sm-1

s2

s=0

s=1 =0

Frnarea motoarelor asincrone

Metode de frnare

a) Prin recuperare

b) Prin contraconectare

c) Dinamic

d) Subsincron

29

a) Frnarea prin recuperare

- Motorul este antrenat la o vitez mai mare dect cea de sincronism >0, alunecarea este negativ:

30

0

0

0gs

N

MN-MN M

0

Rr

Rf>Rr

N

f1 f- Energia mecanic

transformat n energie electric este debitat n reea, dar maina absoarbe putere reactiv pentru a se magnetiza.

- Rotorul nu poate fi

oprit

b) Frnarea prin contraconectare

Rotorul se nvrte n sens contrar cmpului nvrtitor

- Alunecarea:

31

0 0

0 0

0 0

0

12 1

f

f

s

( s )s s

A

MN

-Mr

M

0

Rr

Rf+Rr

A

Rr

0

Mk-Mk

B

C

D D

EE

CNsegvenadirect

CNsegvenainvers

cuplurezistent

activ

cuplurezistent

pasiv

rfrf PsP

Puterea disipat n rotor este f. mare, necesitnd rezistene n serie pentru Izolaia inelelor solicitat, deoarece tensiunile cresc dublu.

c) Frnarea dinamic

-nfurarea statoric se separ

de la reea i se conecteaz pe

o surs de tensiune continu. n

stator vom avea cmp magnetic

fix n spaiu care induce trei

tensiuni n rotor. Dac motorul este cu

rotor bobinat, acesta va debita pe rezistene externe.

- Maina va funciona ca o main sincron excitat cu vitez n descretere .

- Asupra cmpului fix se suprapune i reacia curenilor rotorici

32

A

M

0

Rr

A

Mk-Mk

B

G

CN

-Mmax -Mr-Mmin

CC

D

E EF

G

Rr

Us=0

UsN

c) Frnarea dinamic

- Energia cinetic a maselor n micare se transform n cldur pe rezistenele din circuitul rotoric.

- Exist mai multe posibiliti de conectare la c.c., cea mai eficient este schema care d cea mai mare fundamental a generatorului sincron echivalent.

- La reprezentarea caracteristicii mecanice de

frnare cuplul este descris ca i n regim normal, ns locul alunecrii este preluat de raportul vitezelor:

33

0 0

2 k

k

k

M nM v

vv n

v v

d) Frnarea subsincron

- Viteza motorului se menine sub cea de sincronism

- Se obin cupluri de frnare mai mici fa de frnarea prin contraconectare, drept urmare nu

sunt ocuri mecanice sau electrice.

- Se bazeaz pe alimentarea motorului n regim nesimetric, cmpul nvrtitor avnd 3 componente:

- de succesiune direct (sistemul direct)

- de succesiune invers (sistemul invers)

- corespunztor sistemului homopolar

34

- Sistemul direct i invers - fiecare genereaz cuplu. Cuplurile se adun algebric, cuplul rezultant poate fi motor sau de frnare n funcie de rezistena din rotor.

- Caracteristica de secven direct

- Caracteristica de secven invers

- Regimul asimetric poate fi obinut prin:

alimentare bifazat

cu faz inversat

35

2 kd

d k

k d

MM

s s

s s

2 2

2 2

2 2

k ki i d

di k k

i d

k i k d

M MM

ss s s

s s s s

2

2

i d

i d

k k

s s

s s

d) Frnarea subsincron prin alimentare bifazat

-A treia faz, deconectat n momentul frnrii nu se las liber, se conecteaz n paralel.

-Va funciona ca motor n

alimentare bifazat, dar diferit fa de cazul cnd a 3-a faz e lsat liber.

Difer prin gradul de

dezechilibru al tensiunilor

pe faze. 36

S

T

R

Stator

Rotor

Rf Rf Rf

S

T

R

Stator

Rotor

Rf Rf Rf

Regim normal Frnare

- Dac n circuitul rotoric se

introduc rezistene suficient de mari cuplul rezultant va

fi cuplu de frnare.

- Metoda de frnare

dezechilibreaz reeaua.

Avantaj:

dup oprire motorul

nu pornete n sens invers. 37

Mk/3-Mk/3 M

0

-0

0

0/2

-0/2

Md, Rr

Mi, Rr

M=Md-Mr, Rr

M'd, Rf

M'=M'd-M'r, Rf

M'i, Rf

33

f kd i kd ki

U MU U M M

Expresia tensiunii i a cuplului critic

d) Frnarea subsincron cu faz inversat

-Se realizeaz prin inversarea conexiunii

unei singure faze a

nfurrii statorice.

-Pentru a obine cuplu de

frnare este necesar o

rezisten de frnare mare.

38

S

T

R

Stator

Rotor

Rf Rf Rf

S

T

R

Stator

Rotor

Rf Rf Rf

2

3 3f

d i h f

UU U U U

4

9 9k

kd kd k

MM M M Regim normal Frnare

- Dup oprire motorul trebuie decuplat de la reea pentru a nu se roti invers.

- Metoda de frnare dezechilibreaz reeaua.

39

Mk/9-4Mk/9 M

0

Rf

0

Md, Rr

Mi, Rr

M=Md-Mr, Rr

M'd, Rf

M'=M'd-M'r, Rf

M'i, Rf

Controlul scalar al mainilor de curent alternativ

prin metoda U/f constant

40

Bibliografie:

Kelemen Arpad: Acionri electrice. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti, 1979

Controlul scalar al mainii asincrone

- controlul scalar trateaz mrimile electrice i magnetice care intervin n funcionarea mainii asincrone ca mrimi scalare caracterizate numai prin modul (amplitudine) fr s in seama de caracterul vectorial al acestora;

- cea mai rspndit metod de control scalar este metoda U/f=constant (Volt/Hertz constant)

(a fost prima metod de control fr pierderi al turaiei motorului asincron)

41

Metoda de control scalar U/f = constant

42

- pentru a obine cuplul maxim posibil la un curent statoric dat amplitudinea fluxului trebuie meninut constant, egal cu valoarea nominal;

- aceast cerin poate fi ndeplinit prin modificarea n mod corespunztor a amplitudinii Us i a frecvenei fs a tensiunii statorice;

- frecvena de alimentare determin turaia mainii care este impus de condiiile de funcionare ale mainii de lucru acionate;

- singura mrime prin care se poate interveni pt meninerea constant a fluxului este tensiunea

statoric.

43

Schema echivalent a unei faze a motorului asincron

- pentru motor cu rotor n scurtcircuit tensiunea rotoric

ur=0

Ecuaia de tensiune statoric a motorului asincron (n complex):

d

d

s

s s s s su R i jt

Rs Xs=Ls Rr /sXr=Lr

Xm=LmsU

sI rI

rU

s

mI

Xs=(Lm+Ls) Xr=(Lm+Lr)

44

d0

ds

t

Se neglijeaz rezistena statoric, Rs=0:

s s su j

2s s s s sU f

1 1const.

2 2s sN

s

s sN

U U

f f

Dac se menine fluxul constant:

Exprimat n forma scalar (n modul):

de unde rezult

Pentru o frecven fs dat, tensiunea se va calcula cu

.ss sNsN

fU U

f

45

fsfsN0

Us

UsN

Us0

UsN

Diagrama de

comand la U/f=ct. n bucl deschis a

mainii de inducie.

.ss sNsN

fU U

f

a) metoda de baz, necompensat:

b) Compensare cu tensiune constanta

a) Funcii de comand

0 0sN

s s s s n s

sN

UU U f U K f

f

c) Compensare cu tensiune variabil

46

0 0sN

s s s s n s

sN

UU U f U K f

f

- la frecvene mici neglijarea rezistenei introduce erori, care se compenseaz prin adugarea unui termen constant (compensare cu tensiune constant)

Us0=RsIsN - relaia de calcul a tensiunii pentru o frecven dat devine

- Dezavantajul const n faptul c, caracteristica nu mai trece prin punctul nominal de funcionare.

- Revenirea n punctul noinal se poate realiza dac aplicm urmtoarea funcie de comand:

47

Configuraia general a unui sistem de acionare scalar cu motor de inducie bazat pe principiul

V/Hz constant.

Ref

sf - frecvena statoric impus

CalcultensiuneU/f=ct

Generatortrifazatde und

sinusoidal

Ref

sfRef

sf

UsConvertorstatic defrecven

Reea3~

Motorasincron

a

Refu

b

Refu

c

Refu

- este o metod de control indirect al fluxului (meninerea fluxului la valoare constant se face prin intermediul tensiunii statorice, fluxul nu este identificat sau msurat) este un procedeu n bucl deschis feed-forward, folosit fr senzori mecanici

48

Avantaje:

- simplu de implementat;

- funcioneaz n bucl deschis, nu este nevoie de acordarea regulatoarelor;

- reglare de turaie fr pierderi;

- metoda este aplicabil i la motor sincron (datorit construciei similare a statorului);

- combinnd metoda de baz cu metode de compensare a alunecrii i a cderilor de tensiune pe rezisten statoric se obine o plaj de reglaj de turaie 1 : 50;

- se preteaz la acionri cu dinamic redus. (pompe, ventilaie etc.)

49

Dezavantaje:

- la turaii mici capacitatea de cuplu scade (datorit cderilor de tensiune comparabile cu tensiunea de alimentare);

- dinamica acionrii este slab;

- n timpul regimurilor tranzitorii aferente schimbrilor de cuplu rezistent sau de turaie prescris mrimile electrice au variaii mari, necesitnd o supradimensionare a componentelor;

- frecvena prescris determin turaia de sincronism, nu turaia rotorului care alunec fa de aceasta

- n anumite condiii prezint probleme de stabilitate.

50

mbuntiri:

- compensarea cderilor de tensiune pe rezistena statoric (compensare simpl sau dependent de curent, compensare vectorial);

- compensarea alunecrii;

- cu aceste compensri domeniul de reglaj al turaiei poate fi extins la 1: 50.