Modernizarea sistemelor de acionare electric

170 utilizarea convertoarelor statice in procesul de conversie a energiei1695. Modernizarea sistemelor de acionare electric~

5

Modernizarea sistemelor de ac|ionare electric~

5.1 Generalit`\i

Sistemele de ac\ionare electric` reprezint` o component` major` n procesul general de conversie a energiei, proces specific oric`rui sistem dinamic. Procesul general de ac\ionare este complex, fiind reprezentat prin ma]ina electric` care efectueaz` conversia electromecanic`, sistemul electronic de putere care permite controlul energiei electromagnetice transferat` ma]inii electrice ]i sistemul de conducere care, prin intermediul calculatorului de proces optimizeaz` func\ia obiectiv a ntregului sistem.

Ma]inile electrice sunt asociate utilajului mecanic ac\ionat ]i au o durat` de via\` relativ mare. n decursul duratei de exploatare a unei ma]ini electrice se pot succeda dou` sau chiar trei genera\ii de echipamente de electronic` de putere ]i de calculatoare de proces. Din acest motiv, n industria romneasc`, de exemplu, coexist` n prezent att sisteme clasice cu ma]ini asincrone sau sincrone cu alimentare direct` de la re\ea, sisteme de ac\ionare cu grup generator-motor ]i cu motoare de c.c. alimentate prin intermediul redresoarelor cu tiristoare, ct ]i sisteme de ac\ionare moderne cu alimentare la tensiune respectiv frecven\` variabil`, cu sau f`r` control vectorial.

Problema moderniz`rii echipamentelor de ac\ionare electric` are urm`toarele motiva\ii principale:

m`rirea productivit`\ii ]i mbun`t`\irea calit`\ii produselor;

reducerea consumurilor specifice de energie;

m`rirea siguran\ei n exploatare, reducerea costurilor de ntre\inere ]i repara\ii, precum ]i a pagubelor rezultate n urma opririlor datorit` deranjamentelor neprev`zute.

Echipamentele actuale de electronic` de putere au o fiabilitate remarcabil`, iar calculatoarele de proces asociate acestor echipamente permit controlul regimului de lucru al motorului, prevenirea ]i diagnosticarea defectelor, ]i n ultim` instan\` protec\ia integral` a ma]inii electrice.

Din punctul de vedere al siguran\ei n exploatare, un sistem robust de ac\ionare electric` asigur` cuplul impus la arborele sarcinii mecanice n orice situa\ie critic` care poate interveni n exploatare. Opririle admisibile sunt numai acelea programate o dat` la doi ani pentru revizie general`.

Deranjamentele unui sistem de ac\ionare pot s` intervin` n re\eaua electric` de alimentare, n sistemul electronic de putere, n ma]ina electric`, n utilajul mecanic ac\ionat ]i n calculatorul de proces. Robuste\ea unui sistem de ac\ionare se evalueaz` n func\ie de c`derea de tura\ie n timpul deranjamentului ]i de timpul de remediere a deranjamentului.

Un sistem de ac\ionare cu o robuste\e acceptabil` este acela care la un deranjament are o c`dere de tura\ie de 100 % dar revenirea (remedierea) nu dureaz` mai mult de 3 sec.

Un sistem de ac\ionare cu robuste\ea maxim` are o c`dere de tura\ie n timpul deranjamentului de numai 5 %, iar revenirea este mai mic` de 0.2 sec.

n acest capitol se vor analiza n special implica\iile ma]inii electrice ]i electronicii de putere n modernizarea unui sistem de ac\ionare electric`. Din punctul de vedere al siguran\ei n exploatare, chiar dac` n instala\ie exist` un motor robust ]i deosebit de fiabil, cauza cea mai probabil` de deranjament este solicitarea termic`. Suprasolicitarea termic` a motorului de ac\ionare poate interveni n urm`toarele condi\ii:

func\ionarea la cupluri mari ]i viteze reduse, cnd eficien\a r`cirii prin autoventila\ie scade cu p`tratul vitezei. Cuplul admisibil la diferite viteze se modific` n func\ie de tipul motorului ]i tipul convertizorului de frecven\` care alimenteaz` motorul. Din aceste motive func\ionarea la viteze variabile a motoarelor asincrone se face la parametrii diminua\i fa\` de cei nominali;

armonicile de ordin superior, tipice pentru convertizoarele statice de frecven\`, genereaz` suprasolicit`ri termice n cuprul ]i fierul ma]inii ]i din aceste motive rezult` o diminuare a parametrilor nominali.

Motoarele asincrone clasice proiectate pentru regimul sinusoidal, pot provoca deranjamente importante dac` se alimenteaz` prin intermediul convertizoarelor de frecven\`. Forma barelor motorului influen\eaz` nivelul pierderilor suplimentare n cupru, datorit` armonicilor de ordin superior generate de convertizoarele statice.

La proiectarea sau la modernizarea unui sistem de ac\ionare este foarte important s` se cunoasc` diagrama cuplului admisibil al motorului pentru diferite viteze, diagram` ridicat` la standul de ncercare al uzinei constructoare, prin ncercarea n sarcin` a motorului ]i monitorizarea atent` a temperaturii nf`]ur`rilor.

O cauz` de defectare a motoarelor electrice alimentate prin intermediul convertizoarelor statice care lucreaz` cu frecven\e mari de comuta\ie, o constituie desc`rc`rile par\iale n dielectricul izola\iei nf`]ur`rilor, desc`rc`ri care conduc la accentuarea fenomenului de mb`trnire a izola\iei ]i deci la scurtarea duratei de exploatare a motorului.

Din aceste motive modernizarea unei ac\ion`ri electrice cu men\inerea n exploatare a motorului existent constituie o problem` dificil` ]i necesit` oricum recalcularea puterii motorului.

Traductorul de vitez` sau de pozi\ie reprezint` de asemenea o surs` de defec\iuni n exploatare. Din acest motiv sistemele moderne de ac\ionare sunt realizate senzor less nlocuind valorile tura\iei ]i pozi\iei m`surate direct prin m`rimile estimate pe baza unui model matematic adaptiv ]i a m`rimilor electrice m`surate cu traductoare de precizie.

5.2 Ridicarea calit`\ii prin modernizarea sistemelor de ac\ionare electric`

Sistemele de ac\ionare moderne au atins performan\e greu de imaginat cu un deceniu n urm`. Aceste sisteme s-au dezvoltat cu precadere pe trei direc\ii principale:

ma]ini asincrone cu rotorul n scurtcircuit alimentate cu tensiuni ]i frecven\e variabile prin control vectorial;

ma]ini sincrone cu magne\i permanen\i denumite generic ma]ini de curent continuu f`r` perii (brush less);

ma]ini cu reluctan\` variabil` asociate cu comutator electronic.

Primele dou` sisteme ofer` r`spunsuri dinamice n cuplu de ordinul milisecundelor ]i precizia de reglaj pentru vitez` ]i pozi\ie de ordinul de m`rime al traductoarelor (pentru pozi\ie, de exemplu, precizia este de ordinul micronilor).

n aceste condi\ii este greu de spus, pentru unele aplica\ii care solu\ie de ac\ionare este mai performant`: electric` sau hidraulic`. {n acest scop se vor analiza doua aplica\ii aparent diferite dar practic identice din punctul de vedere al conducerii:

stabilizarea navelor la ruliu ]i tangaj prin intermediul ma]inii de crm`;

reglarea grosimii benzilor sub\iri din o\el.

n primul caz rezult` o calitate sporit` a naviga\iei din punctul de vedere al confortului ]i siguran\ei vie\ii pe mare, iar n al doilea caz se ob\ine o cre]tere a calit`\ii dimensionale a benzilor sub\iri. {n aplica\iile men\ionate se utilizeaz` [n prezent cu prec`dere sistemele hidraulice de ac\ionare. {n continuare se prezint` metodele de evaluare a performan\elor care se pot ob\ine dac` [n locul sistemelor hidraulice se utilizeaz` sisteme de ac\ionare electric` cu control vectorial.

5.2.1 Stabilizarea la ruliu a navelor maritime

Chiar n condi\iile unor valuri moderate, navele maritime sunt supuse oscila\iilor de ruliu ]i tangaj care produc dificult`\i n executarea unor manevre, spre exemplu aterizarea helicopterelor, ]i genereaz` disconfortul echipajului. Ruliul persistent al navelor comerciale poate determina deranjamente importante ]i reduce operativitatea navei. Din aceste motive navele moderne sunt prev`zute cu sisteme de stabilizare la ruliu ]i tangaj, reducndu-se la maximum aceste oscila\ii.

Exist` diferite metode navale de stabilizare, dintre care se va analiza sistemul de stabilizare prin intermediul mecanismului crmei navei. Conform acestei metode, prin intermediul servomecanismului crmei se compenseaz` efectele valurilor ]i vntului, aplicndu-se corec\ii de pozi\ie adecvate pentru crm` n condi\iile men\inerii cursului impus. Pentru ob\inerea unei stabiliz`ri eficiente la ruliu ]i tangaj se cere o vitez` de r`spuns ct mai mare pentru servomecanismul de pozi\ionare al crmei navei. {n domeniul naval, [n urm` cu un deceniu, pentru aceast` aplica\ie servomecanismele hidraulice de\ineau suprema\ia absolut`. n prezent sistemele electrice de ac\ionare cu r`spuns rapid n cuplu ofer` performan\e dinamice cel pu\in egale cu performan\ele servomecanismelor hidraulice (pulsa\ia de t`iere a buclei de pozi\ie de 15-20 rad/sec). M`rimile principale care caracterizeaz` mi]carea navei sunt:

cursul navei caracterizat prin unghiul ;

ruliul navei caracterizat prin unghiul ;

pozi\ia crmei determinat` de unghiul (fig.5.1);

vectorul perturba\iilor S introduse de vnt ]i valuri (fig.5.2);

cursul impus navei.

Func\ia de transfer pentru partea liniar` a servomecanismului crmei (elementul de execu\ie ]i bucla de pozi\ie aferent`) este:

EMBED Equation.2 .

Condi\ia principal` impus` servomecanismului este:

,

unde

este pulsa\ia proprie a navei n mi]carea de ruliu.

Limitarile specifice servomecanismelor introduc neliniarit`\i. Neliniarit`\ile servomecanismelor crmei ]i ale navei sunt compensate astfel: cnd amplitudinea mi]c`rilor crmei cre]te, factorul de amplificare al regulatorului scade progresiv ]i respectiv pentru amplitudini mici factorul de amplificare cre]te progresiv. Acest sistem are denumirea generic` AGC(Automatic Gaine Control).

M`rimile m`surate, conform fig.5.1, sunt:

cursul navei

unghiul de ruliu

;

unghiul crmei .

Pe baza acestor m`rimi se face estimarea nivelului perturba\iilor introduse asupra navei de c`tre valuri ]i vnt.Vectorul al m`rimilor filtrate ]i vectorul S al perturba\iilor introduse de valuri ]i vnt stau la baza realiz`rii regulatoarelor numerice pentru stabilizarea la ruliu

]i pentru men\inerea cursului

conform figurii 5.3.

Testarea ntregului sistem pe nav` este foarte costisitoare. Pentru reducerea costului ]i evitarea unor deranjamente n timpul probelor pe nav` se folose]te tehnica model`rii matematice n dou` variante:

Modelarea numeric` off-line;

Modelarea hibrid` on-line.

n primul caz se realizeaz` modelul complet al sistemului, integrndu-se ecua\iile acestui model. n al doilea caz servomecanismul crmei este realizat fizic prin intermediul unui motor asincron cu rotorul n scurtcircuit (fig.5.3) prev`zut cu sistemul de reglare a pozi\iei crmei.

Cuplul rezistent mr la arborele motorului de ac\ionare a crmei este generat prin intermediul unei ma]ini asincrone cu reglaj n cuplu care lucreaz` n regim de frana.

Modelul matematic al navei furnizeaz` n timp real m`rimea impus` a cuplului rezistent mr* ]i vectorul T= [, , , ] pe baza valorii reale a pozi\iei crmei ]i a perturba\iilor S . Modelul n timp real este cu att mai performant, cu ct cuplul rezistent generat la arborele servomecanismului crmei mr urm`re]te ct mai fidel cuplul rezistent mr* furnizat de c`tre modelul matematic al navei.

Cu ajutorul standului de ncerc`ri care se compune din motorul care ac\ioneaz` crma navei ]i din crma simulat` fizic prin intermediul unei frne cu viteza de r`spuns foarte mare se pot evalua performan\ele algoritmului numeric de stabilizare a navei la ruliu utiliznd modelul matematic al navei. n acest mod se reduce considerabil timpul de probe pe nava propriu-zis`. Pe standul de ncerc`ri se pot experimenta mai multe solu\ii de reglare, selectndu-se astfel solu\ia optim`. Aceast` nou` solu\ie, care consta in inlocuirea servomecanismului hidraulic printr-un sistem electric de actionare, este aplicabil` [n prezent gra\ie performan\elor realizate pe seama tehnicilor comenzii vectoriale ]i orientarii dupa cmp, tehnici implementate prin intermediul procesoarelor de semnal (DSP).

5.2.2 Reglarea numeric` a grosimii benzilor sub\iri din o\el n vederea ridic`rii calit`\ii acestora

Ob\inerea benzilor sub\iri din o\el prin intermediul procesului de laminare la rece la exigen\ele pie\ei actuale implic` condi\ii de calitate ridicate. Abaterile admisibile de la grosimea impus` pot atinge valori absolute de

, pentru grosimi de 0.015 mm. Ob\inerea acestor performan\e se face prin utilizarea celor mai moderne echipamente de pozi\ionare numeric`.

Diminuarea abaterilor ini\iale de grosime pn` cnd acestea se ncadreaz` n normele de calitate cerute, se realizeaz` prin aplicarea corec\iilor grosimii n procesele de laminare succesive. Aceste corec\ii se obtin prin modificarea sincronizat` a distan\ei dintre cilindrii de laminare, modific`ri care de obicei au valori de ordinul micronilor sau zecilor de microni. |innd seama c` vitezele de laminare ale benzii pot atinge valori de 200m/min, performan\ele dinamice impuse servomecanismului de reglare a distan\ei dintre cilindrii de laminare n vederea corect`rii abaterilor de grosime, sunt deosebit de ridicate.

Sistemele clasice de pozi\ionare a cilindrilor de laminare sunt cu motoare de c.c. cu colector electromecanic alimentate prin intermediul redresoarelor cu tiristoare sau n sistemul grup generator-motor. Performan\ele dinamice limitate ale acestor sisteme de ac\ionare a determinat ca, ncepnd din anii '80 marile companii din industria o\elului s` opereze modernizarea laminoarelor la rece prin nlocuirea sistemelor de pozi\ionare electric` prin sisteme hidraulice care puteau asigura toleran\ele cerute pe pia\` pentru grosimea laminatelor.

Datorit` costurilor ridicate, n industria romneasc` nu s-au nceput nc` astfel de moderniz`ri. Aceast` ntrziere ar putea s` fie benefic` deoarece n prezent sistemele electrice de pozi\ionare au evoluat enorm ]i deci este oportun s` se pun` problema moderniz`rii sistemelor de ac\ionare cu motoare de c.c. prin nlocuirea acestora cu motoare asincrone sau sincrone cu comand` vectorial`. n acest mod se poate evita nlocuirea ]uruburilor de presiune prin sisteme hidraulice costisitoare.

Implementarea direct` f`r` test`ri prealabile a noilor sisteme de pozi\ionare nu este acceptabil`. Tehnica actual` a model`rii hibride permite validarea noilor solu\ii. Prin aceast` tehnic` servomecanismul este testat practic n condi\ii identice cu cele reale, dar cu costuri mult mai reduse deoarece procesul real de laminare este simulat. n acest mod se pot predetermina performan\ele noului sistem. Sistemul de testare func\ioneaz` dup` cum urmeaz`:

Servomecanismul pentru pozi\ionarea cilindrilor de laminare prime]te dou` m`rimi impuse ( fig.5.4 )

- distan\a ini\ial` impus` dintre cilindrii conform programului de laminare;

EMBED Equation.2 - corec\iile acestei distan\e generate de algoritmul de conducere a procesului de laminare n sensul atenu`rii abaterilor de grosime ale benzii laminate.

Cuplul rezistent la arborele motorului servomecanismului de pozi\ionare trebuie s` reflecte ct mai fidel cuplul rezistent real la arborele mecanismului ]uruburilor de presiune prin intermediul c`ruia se deplaseaz` cilindrul superior de laminare ]i se realizeaz` astfel corec\iile de grosime ale benzii laminate.

Elementul de execu\ie care produce cuplul rezistent poate fi realizat n dou` variante:

cu frna nerecuperativ` care utilizeaz` pulberi magnetice;

cu ma]ina asincron` sau sincron` cu modula\ie fazorial` ]i comanda n cuplu, care func\ioneaz` n regim de generator.

Elementul de execu\ie trebuie s` fie foarte rapid n sensul c` mr (cuplul rezistent la arborele motorului servomecanismului de pozi\ionare) trebuie s` urm`reasc` ct mai fidel mr* (fig.5.4) generat prin intermediul unui model matematic M2.

O problem` important` a mecanismelor actuale cu ]uruburi de presiune o reprezint` jocul mecanic n transmisie. n prezent exist` solu\ii tehnice de atenuare sau chiar de anulare a acestor jocuri mecanice.

Un alt element important al simulatorului hibrid este regulatorul adaptiv cu predic\ie pentru grosime (AGC). Acest regulator produce la ie]ire corec\ia de pozi\ie

necesar` pentru compensarea abaterilor de grosime ale benzii la intrare . Aceste corec\ii sunt aplicate n sensul minimiz`rii erorii medii p`tratice

ale grosimii benzii rezultate la ie]ire, eroare calculat` pe por\iuni din banda pentru care se preleveaz` N m`sur`tori ale abaterilor

.

Deoarece aparatele pentru m`surarea abaterilor de grosime

la intrare, respectiv

la ie]ire sunt amplasate la distan\e de cca. 1m fa\` de axa cilindrilor de laminare, se face urm`rirea software a acestor abateri de grosime n func\ie de viteza de laminare, pana cand acestea ajung la cilindrii de laminare. n fig.5.4 s-a ilustrat aceast` urmarire prin intermediul registrului R de urm`rire a abaterilor m`surate n fa\a cajei.

Elementul esen\ial al sistemului de reglare a grosimii l reprezint` algoritmul de conducere a servomecanismului de pozi\ionare a cilindrilor de laminare. Acest algoritm care are denumirea generic` AGC (Automatic Gage Control) constituie patente ale unor firme cu tradi\ie n acest domeniu. Propriet`\ile elasto-plastice de material ale ruloului din o\el, caracterizate prin modulul de plasticitate m, se modific` n limite largi n timpul lamin`rii. De asemenea, deformarile elastice ale cajei in timpul laminarii, deformari caracterizate prin modulul de elasticitate M, influen\eaz` sensibil abaterile de grosime (h ale benzii.

Prin intermediul estimarii for\elor ]i tensiunilor din banda laminat`, sistemul de reglaj (AGC) sesizeaz` aceste modific`ri adoptnd corespunz`tor corec\iile aplicate servomecanismului de presiune.

n final, sistemul de testare descris con\ine modelele numerice M1 si M3 pentru determinarea abaterilor de grosime

, for\ei de laminare Fl, modulului de plasticitate al o\elului m (parametrii care depind de material) ]i modulului de elasticitate al cajei M(care depinde de forma constructiva a cajei).

Aceast` metod` de testare ofer` urm`toarele determin`ri:

estimarea abaterilor de grosime

n condi\iile utiliz`rii unui servomecanism cu motor de curent alternativ;

testarea n condi\ii reale a buclei de pozi\ie ]i determinarea performan\elor dinamice ale acesteia;

testarea regulatorului AGC n condi\iile utiliz`rii unor date prelevate din procesul real de laminare (]i

;

validarea modelului matematic al procesului de laminare, prin compararea for\elor de laminare estimate de c`tre model, cu cele m`surate n proces.

5.3 Exemple tipice de reducere a consumului energetic prin modernizarea ac\ion`rilor electrice

5.3.1 Sisteme de ac\ionare cu comanda [n vitez`

n prezent sunt numeroase aplica\ii industriale care utilizeaz` ac\ion`ri electrice la vitez` constant` sau cu varia\ie n trepte a vitezei. Aceste tipuri de ac\ion`ri sunt ieftine (din punctul de vedere al investi\iei), dar n marea lor majoritate sunt neeconomice n exploatare datorit` consumului energetic specific ridicat. Cele mai relevante exemple n acest sens provin din domeniul turboma]inilor: pompe, ventilatoare, turbocompresoare, etc. Tehnologiile moderne de fabrica\ie impun debite variabile de fluide, materii prime ]i materiale (c`rbune pentru alimentarea focarelor din centrale electrice, pulpa din fructe, legume, cereale sau f`ina pentru industria alimentar`, pasta de celuloz` pentru industria hrtiei, cimentului, etc.).

Metoda economic` de reglare a acestor debite implic` modificarea vitezei motoarelor de ac\ionare. Exemplul tipic n acest sens l constituie sta\iile de pompare pentru alimentarea cu ap` a localit`\ilor. Pentru asigurarea debitului maxim de ap` necesar la orele de vrf sunt utilizate cteva pompe n paralel. Deoarece debitul de ap` se modific` n limite largi, reglarea se face n trepte prin conectarea-deconectarea motoarelor de ac\ionare a pompelor sau continuu, prin utilizarea robinetelor de reglare R (fig.5.5)..

Aceast` metod` nu este cea mai economic` ]i produce deseori deranjamente n re\eaua de alimentare cu ap` datorit` suprapresiunilor, n perioadele cnd consumul de ap` este redus (n timpul nop\ii, de exemplu). Introducerea unui convertizor static de frecven\` u1 elimin` complet dezavanatjele men\ionate.

Sistemele de nc`lzire centralizat` a locuin\elor ofer` de asemenea posibilit`\i mari de reducere a consumului energetic, prin modernizarea ac\ion`rii electrice pentru pompele de ap` ]i de combustibil lichid .

n fig.5.6 s-a reprezentat schema de principiu a instala\iei de nc`lzire centralizat` care asigur` un confort sporit n locuin\e prin reglarea automat` a temperaturii. Puterea termic` Pth necesar` pentru nc`lzirea centralizat` a locuin\elor este propor\ional` cu debitul apei calde ]i diferen\a T1(T2 dintre temperatura apei calde ]i apei de recircula\ie:

unde:

k=1,13 kwh/(

C) la o temperatur` a apei calde de 85C.

Energia termic` pentru nc`lzirea locuin\elor se poate regla fie prin modificarea temperaturii T2 a apei de recircula\ie sau prin modificarea debitului apei calde regland viteza pompelor 2 sau 3 (fig.5.6).

Puterea unei pompe este :

[ kw ] (6.1)

unde

este densitatea apei n [kg/m3], Q este debitul volumic al apei calde n [dm3/s] H este n`l\imea de pompare n [m], iar este randamentul pompei.

Punctul static de func\ionare al pompei rezult` la intersec\ia caracteristicii pompei ]i a caracteristicii re\elei de transport. Modificarea debitului se ob\ine prin modificarea punctului static de func\ionare al pompei.

Se constat` c` n condi\iile rela\iei (6.1), puterea este propor\ional` cu produsul QH. Se vor analiza dou` cazuri: reglarea debitului prin intermediul unui robinet de reglaj la viteza constant` a motorului (fig.5.7a) ]i reglarea debitului prin modificarea vitezei motorului, robinetul fiind complet deschis (S=SN), fig.5.7b.

Economia maxim` de energie care rezulta prin utilizarea convertizorului static n locul robinetului de reglaj se ob\ine pentru debitul Q=Qmin, deoarece puterea P1 n al doilea caz este propor\ional` cu aria ha]urat` A1 (fig.5.7b), iar n primul caz cu aria ha]urat` A2 (fig.5.7a). Diagramele comparative ale puterii n func\ie de debit pentru cele dou` metode de reglare sunt ilustrate n fig.5.8.

n cazul sistemelor de nc`lzire centralizat` a locuin\elor aflate la distan\e mari ]i pe teren denivelat sau cu un num`r mare de etaje se ob\in economii de energie ]i pe seama sta\iilor de pompare suplimentare actionate de catre motoarele m3 ]i m4 (fig.5.9) care compenseaz` c`derile de presiune ale apei pe conductele de alimentare.

Un alt domeniu unde modernizarea sistemului de ac\ionare aduce economii importante la costurile energiei electrice se refer` la ventilatoarele pentru alimentarea cu aer ]i cu gaz a arz`toarelor cazanelor de abur ]i ap` cald` din energetic`, industria chimic`, alimentar`, a cuptoarelor pentru nc`lzirea lingourilor din o\el sau a bramelor n cuptoarele metalurgice, etc.

Randamentul cazanului depinde de modul n care se realizeaz` arderea gazelor ]i deci de raportul aer-gaz. Dac` debitul de aer de combustie este prea mic, arderea este incomplet`, iar dac` este prea mare, o parte din c`ldura produsa prin ardere se transfer` prin intermediul gazelor arse, n exterior.

Problema reglajului debitului de aer devine esen\ial` cnd cazanul func\ioneaz` att cu combustibil lichid, ct ]i cu combustibil solid (p`cur` sau c`rbune, de exemplu) sau cnd puterea caloric` a combustibilului se modific` n limite largi (c`rbuni inferiori) sau dac` sarcina cazanului este variabil`.

Modernizarea sistemului de ac\ionare const` n nlocuirea servomotorului robinetului de reglaj pentru debitul aerului de combustie si gazelor de evacuare , printr-un sistem de reglare a vitezei motoarelor de ac\ionare a ventilatoarelor. n acest mod debitul aerului de combustie se poate regla eficient n limite largi, cu importante economii la costurile energiei electrice consumate pentru alimentarea cu aer a arz`torului cazanului sau cuptorului.

5.3.2 Sisteme de ac\ionare electric` cu comand` n cuplu.

Sistemele de pozi\ionare, adeseori denumite servomecanisme, sunt deosebit de r`spndite n aplica\iile industriale.

Problemele de pozi\ionare se mpart n dou` categorii:

pozi\ionare la cot` fix`;

pozi\ionare la cot` mobil` (sisteme de urm`rire).

Sistemele clasice de pozi\ionare realizeaz` pozi\ia dorit` a mecanismului de lucru prin controlul vitezei ]i unghiului de rota\ie a arborelui motorului, cu limitarea cuplului maxim admisibil.

n acest scop se utilizeaz` dou` configura\ii pentru sistemul de reglare: n cascad` ]i cu predic\ie. Sistemul n cascad` are bucla de pozi\ie exterioar` ]i n ordine buclele interioare de vitez`, accelera\ie, curent (cuplu). n acest caz bucla de pozi\ie fiind exterioar`, viteza de r`spuns se reduce considerabil, conform criteriului modulului sau simetriei. La sistemele cu predic\ie (feedforward) se calculeaz` n prealabil profilul de vitez` necesar pentru ob\inerea pozi\iei dorite. n func\ie de acest profil, regulatorul cu predic\ie for\eaz` bucla de vitez` pentru a urm`ri ct mai fidel profilul de vitez` necesar.

Sistemele de pozi\ionare n cuplu pot avea o structur` variabil` a buclelor de reglare. n faza nti a pozi\ion`rii sistemul de reglare este n bucla de vitez`, viteza ]i accelera\ia impus` fiind maxime. Tot n aceast` faz` se calculeaz` ]i se urm`re]te distan\a necesar` pentru frnarea mecanismului, pn` la cota impus`. n momentul cnd mecanismul se afl` la distan\a precalculat` pentru frnarea pn` la cota impus`, ncepe faza a doua cnd sistemul de reglare este comutat de pe bucla de vitez` pe bucla de cuplu, care controleaz` cuplul de frnare necesar pentru oprirea la cota impus`.

La sistemele de pozi\ionare economia de energie electric` se poate ob\ine pe dou` c`i:

prin utilizarea unor sisteme de ac\ionare performante care s` permit` recuperarea energiei mecanice n timpul frn`rii;

prin optimizarea traiectoriei de pozi\ionare conform principiului minimului orientat spre indicatorul energetic al ac\ion`rii.

Echipamentele pentru ac\ionarea electric` cu ma]ina asincron` sau ma]ina sincron` oferite [n prezent pe pia\` sunt prev`zute cu posibilita\i de comanda [n vitez` sau [n cuplu. Exemple tipice de ac\ion`ri cu comanda [n cuplu sunt urm`toarele:

Sistemul de reglare a tensiunii din parama unei nave.

Sistemul de reglare a tensiunii din banda pentru industria hartiei sau laminoare de benzi.

Sistemul de reglare a pozitiei electrozilor din grafit pentru cuptoarele electrice cu arc, subiect care va face obiectul analizei care urmeaz`.

n continuare se va prezenta un studiu de caz privind modernizarea sistemului de pozi\ionare a electrozilor cuptoarelor electrice cu arc.

Cuptoarele electrice cu arc se utilizeaz` pentru topirea ]arjelor din fier vechi n scopul ob\inerii o\elului lichid. Productivitatea acestor cuptoare este de ordinul a 100t/h. Cuptorul are o cuv` din o\el, c`ptu]it` cu c`r`mid` refractar` n care se introduce ]arja rece format` din de]eurile metalice, coloanele suport electrod, grinda port electrod, electrozii ]i sistemul electric de alimentare ]i deplasare a electrozilor din grafit.

Topirea de]eurilor metalice se realizeaz` cu ajutorul puterii termice ob\inute prin intermediul arcului electric dintre electrozii din grafit ]i masa de metal.

Pozi\ia electrodului fa\` de masa metalic` a ]arjei determin` starea arcului electric ]i deci puterea transmis`. Cu aceast` ocazie trebuie s` men\ion`m unul dintre dezavantajele acestei metode. Datorit` varia\iilor rapide ale lungimii arcului electric se produc varia\ii importante ale puterii reactive ]i n consecin\`, apar varia\ii ale tensiunii la barele de alimentare (fig.5.11). Aceste varia\ii produc diferite efecte negative, dintre care men\ion`m: fluctua\ii ale luminescen\ei l`mpilor de iluminat care afecteaz` ochiul uman (fenomenul flicher). Din acest motiv este necesar` utilizarea unor compensatoare statice cu tiristoare.

Deplasarea electrodului ]i grinzii portelectrod se realizeaz` prin intermediul cablului ]i tamburului antrenat de motorul asincron prin intermediul cuplajului cu alunecare CA (fig.5.12a). Cuplul transmis Mc este reglat prin intermediul curentului de excita\ie iex al cuplajului electromagnetic.

Tensiunea n cablu T cnd ma]ina lucreaz` [n regim de motor rezult` din rela\ia:

unde Rt este raza tamburului, i raportul de transmisie iar este randamentul transmisiei. Ecua\ia de mi]care a electrodului este:

T(Mg = Ma

unde: - M este masa total` a suportului ]i electrodului, iar a este accelera\ia sistemului.

La ridicarea electrodului iex este relativ mare ]i T>Mg deci rezult` a>0. La coborre se mic]oreaz` iex rezultnd T