1

Lucrarea 4b

Reglajul turaţiei maşinii asincrone cu rotor în scurtcircuit

prin metoda U/f = constant în buclă deschisă utilizând un

invertor Siemens de tensiune

1. Generalități Progresele tehnologice în domeniul controlului vectorial nu au diminuat actualitatea

controlului scalar al maşinii de inducţie. În prezent aproape toţi producătorii de echipamente de acţionări electrice oferă produse care pe lângă modul de control vectorial pot funcţiona şi în mod de control scalar. Acestea se utilizează în aplicaţii în care se cere un

domeniu de reglaj redus al vitezei

⁄ şi o dinamică modestă, cum ar fi

pompe, ventilatoare ale echipamentelor de climatizare, etc. În această lucrare, pentru montajul experimental este utilizat un invertor Siemens din gama de produse SIMOVERT MASTERDRIVES MC. Această gamă se adresează acţionărilor electrice trifazate de viteză variabilă şi reprezintă o soluţie modulară complet digitală, pentru dezvoltarea oricăror aplicaţii din domeniul acţionărilor.

SIMOVERT MASTERDRIVES MC produs de firma Siemens este un invertor de frecvenţă pentru controlul de viteză şi cuplu al motoarelor electrice trifazate. Modelele diferite disponibile acoperă o gamă largă de puteri, de la 500 W la 200 kW pentru cuplu constant, şi respectiv 250 kW pentru cuplu variabil. Invertoarele sunt controlate cu ajutorul microcontrolerelor şi folosesc tehnologia IGBT. Acest lucru le face versatile şi de încredere pentru acţionările electrice. O metodă de modulaţie în lăţime a pulsului specială permite selectarea frecvenţei pulsurilor, metodă prin care se obţine o funcţionare a motorului în condiţii de stabilitate. De asemenea sistemul prezintă funcţii complexe de protecţii atât pentru invertor, cât şi pentru maşina electrică.

Prin prezenţa setărilor de fabrică, sistemul SIMOVERT MASTERDRIVES MC este adecvat pentru diferite aplicaţii cu viteză variabilă. De asemenea având o structură grupată a parametrilor, sistemul se poate adapta la aplicaţii ce prezintă cerinţe superioare. SIMOVERT MASTERDRIVES MC poate fi folosit atât în aplicaţii de sine stătătoare cât şi integrat în diverse sisteme de acţionări electrice sau automatizări.

Sistemul SIMOVERT MASTERDRIVES MC a fost proiectat special pentru acele aplicaţii în care răspunsul dinamic şi funcţionalitatea sistemului trebuie să fie mult mai stabile decât în cazul altor sisteme existente pe piaţă la momentul actual. Sistemul performant de control vectorial cu care lucrează SIMOVERT MASTERDRIVES MC asigură o funcţionalitate continuă, fără întreruperi ale motorului, chiar şi atunci când apar modificări bruşte ale sarcinii..

Domeniile în care este folosit sistemul SIMOVERT MASTERDRIVES MC sunt acţionări electrice integrate din: industria textilă pentru manipularea rolelor cu material, lifturi, industria mecanică, industria alimentară şi industria tutunului.

În această lucrare, invertorul SIMOVERT MASTERDRIVES MC este configurat pentru controlul în buclă deschisă de viteză utilizând principiul scalar U/f=const. Tensiunea continuă de intrare este obţinută de la un redresor trifazat cu diode, ieşirea acestuia fiind prevăzută cu condensator de capacitate mare pentru asigurarea caracterului sursă de tensiune a

2

convertorului static de frecvenţă obţinut prin alăturarea celor două convertoare. Pentru a asigura regimul de redresor a invertorului SIMOVERT MASTERDRIVES MC (în timpul regimului de frânare a maşinii de inducţie acţionate) circuitul intermediar de curent continuu este prevăzut cu un sistem de disipare a energiei de frânare compus dintr-un tranzistor şi o rezistenţă de frânare. Tranzistorul este comandat şi introduce în circuitul intermediar de curent continuu rezistenţa de frânare dacă tensiunea din circuit depăşeşte o valoare prestabilită. În acest mod sistemul de acţionare poate funcţiona în toate cele patru cadrane.

2. Consideraţii teoretice Controlul scalar tratează variabilele ca mărimi scalare. Variabilele de comandă şi de

reacţie sunt mărimi de curent continuu proporţionale cu valoarea efectivă a variabilelor respective. Nu ţine cont de poziţia relativă a fazorilor mărimilor electrice şi magnetice.

În ideea de a furniza cuplul maximum posibil raportat la curentul statoric – adică o folosire optimă a maşinii de acţionare – amplitudinea fluxului trebuie menţinută constantă, egală cu valoarea nominală. Această cerinţă poate fi îndeplinită prin modificarea în mod corespunzător a parametrilor sursei de alimentare a maşinii, adică a amplitudinii şi frecvenţei a tensiunii statorice de alimentare.

Deoarece fluxul şi cuplul nu sunt mărimi independente nu va exista un control decuplat, deci performanţele dinamice şi energetice nu pot fi optime. Optimizarea acestor structuri de reglare scalară este dificilă deoarece modelul are un caracter multivariabil, de ordin superior, neliniar şi dependent de parametrii maşinii. Răspunsul tranzitoriu lent şi problemele de stabilitate constituie principalul dezavantaj al structurilor de control scalar.

Conform formulei lui Kloss simplificate şi a relaţiei de dependenţă dintre frecvenţa de alimentare a statorului şi turaţia de sincronism, variaţia cuplului critic şi a alunecării critice în raport cu frecvenţa este dată de:

, (2.1)

unde, , sunt constante pentru o maşină dată.

Pentru a păstra capacitatea de supraîncărcare constantă pentru diferite cupluri rezistente, adică menţinerea cuplului critic (maxim) constant, se poate deduce relaţia:

(

)

(

)

(2.2)

Adică:

(

)

(

)

(2.3)

Conform Lucrării de laborator 4a, relaţia de calcul a amplitudinii tensiunii de

alimentare pentru menţinerea la valoarea nominală a fluxului statoric şi implicit a obţine un cuplu maxim este:

(2.4)

La variaţia frecvenţei de alimentare fără a se ţine seama de valoarea fluxului, cuplul

critic variază invers proporţional cu pătratul frecvenţei, figura 2.1(stanga). Păstrând fluxul în

3

jurul valorii nominale prin utilizarea relaţiei 2.4, pentru curentul absorbit se obţine la arbore cuplul maxim, vezi figura 2.1(dreapta).

Ω (rad/s)

M (Nm)MkN

Ω0N

0

fsN

1f f<s sN

2 1f <fs s

Mk1 Mk2

Ω01

Ω02

Ω (rad/s)

M (Nm)MkN

Ω0N

0

f , UsN sN

1

1

=U U

f f

s sN

s sN

Mk1 Mk2

Ω01

Ω02

U .sN const

2

2

=U U

f f

s sN

s sN

Fig. 2.1. Caracteristicile mecanice ale maşinii de inducţie la variaţia frecvenţei (stânga), respectiv

conform principiului V/Hz=constant (dreapta). Figura 2.2 reprezintă structura unui sistem de acţionare bazat pe principiul V/Hz =

constant, unde blocul „V/Hz constant” calculează din frecvenţa de referinţă impusă

pulsaţia şi amplitudinea

a tensiunii statorice, pe baza cărora blocul „Generator undă sinusoidală” generează sistemul trifazat de tensiuni, care „amplificate” de către blocul „Invertor PWM” vor fi aplicate motorului. Varianta de bază – cel mai simplu sistem de comandă a turaţiei motorului de inducţie - nu foloseşte reacţii şi tensiunea este calculată corespunzător relaţiei anterioare.

Referinţa de frecvenţă trebuie să aibă o viteză limitată de variaţie în timp. Creşterea frecvenţei să fie suficient de lentă, ca motorul să poată urmării frecvenţa, altfel motorul „se rupe” de frecvenţă şi „cade”, adică se opreşte. Acest lucru limitează performanţele dinamice ale metodei de reglare V/Hz constant. Suplimentarea structurii cu bucle de reacţie (reprezentate pe figură cu linii întrerupte) permite o reglare mai performantă.

Fig. 2.2. Configuraţia generală a unui sistem de acţionare scalară cu motor de inducţie bazat pe

principiul V/Hz constant. Abordarea simplă a comenzii conform descrierii de mai sus, dă rezultate bune în

apropierea frecvenţei nominale sau deasupra acesteia, atât în regim de motor, cât şi de generator. În schimb, în domeniul vitezelor mici căderile de tensiune pe rezistenţa şi

V/Hzconstant

Generatorundă

sinusoidală

InvertorPWM

Ref

sU

Ref

sfa

b

c

IMTG

s

r

Is

4

reactanţa de scăpări statorică devin comparabile cu tensiunea aplicată, cauzând subexcitarea motorului, deci descreşterea fluxului şi astfel reducerea cuplului maxim, care poate fi dezvoltat de motor la turaţia dată.

Efectul neglijării căderilor de tensiune din stator poate fi compensat prin diferite tehnici, dintre care menţionăm următoarele:

• Caracteristici de tensiune-frecvenţă preprogramate; • Compensare pe bază de formulă care ia în considerare numai parametri

circuitului statoric; • Compensare dependentă de sarcină mecanică prin curentul statoric. În general la frecvenţe mici toate metodele enumerate mai sus generează o tensiune

mai mare decât cea rezultată din relaţia 2.4. În primul caz, la frecvenţe mici se aplică o tensiune minimă (numită „voltage boost”), suficientă pentru a dezvolta cuplul necesar la frecvenţa minimă corespunzătoare aplicaţiei. Metoda a doua determină valoarea tensiunii în funcţie de frecvenţă cu o formulă obţinută pe baza schemei echivalente de regim staţionar a maşinii folosind parametri acesteia. Nici prima, nici a doua metodă nu ţine cont de sarcina de pe arborele motorului, adică de curentul absorbit de motor. În cazul al treilea determinarea tensiunii se face luând în calcul încărcarea motorului prin curentul statoric.

Metoda scalară de control a vitezei maşinii de inducţie bazată pe principiul U/f=ct. este una relativ simplă de implementat şi cu rezultate satisfăcătoare în multe aplicaţii practice.

3. Montajul experimental Legendă: REDRESOR – Redresor (230 V, 10 A). PUNTE REDRESOARE TRIFAZATĂ – Punte redresoare trifazată 3x230 V/15 A. INVERTOR SIEMENS - SIMOVERT MASTERDRIVES MC. RZ – Rezolver. – Ampermetru 0-20 A. – Ampermetru 0-1 A. – Ampermetru 0-20 A. – Voltmetru 0-250 Vcc. – Voltmetru 0-600 V~. – Frencvenţmetru, wattmetru, cosfimetru. – Reostat 29 .

– Comutator basculant. Date de catalog:

MCC – Motor de curent continuu MI – Motor de inducţie

turaţia de sincronism

5

PUNTE REDRESOARE

TRIFAZATĂ

REDRESOR

Ex

MCC

Aa

VaK1

MI

Vs

Rf

Ae

Re

INVERTOR SIEMENS

Rezistenţă de frânare

Fs

Calculator Personal +

Simovis

RZ

Fig. 3.1. Montajul experimental.

4. Mersul lucrării

1. Se realizează montajul din figura 3.1. 2. Se alimentează REDRESOR şi PUNTE REDRESOARE TRIFAZATĂ de la panourile de

comandă ( este deschis). Se verifică valoarea curentului de excitaţie pentru mcc, .

3. Se porneşte calculatorul şi se iniţializează programul Simovis. Se selectează prin dublu-click prima poziţie din lista de convertoare MasterDrives MC pentru a realiza conexiunea serial cu invertorul şi a vizualiza lista de parametri. Se identifica parametri ce reprezintă turaţia instantanee (r002) a motorului respectiv curentul statoric (r004).

4. În câmpul Setpoint se introduce frecvenţa de referinţă Se porneşte invertorul de la butonul de START (butonul verde în Simovis) conform figurii 3.2. Se completează tabelul pentru mersul în gol (cu se citesc s si ).

5. Se închide şi se fixează din diferite valori pentru curentul ,

minim 2 valori. Datele se trec în tabel. 6. Se repetă punctele 4 şi 5 pentru următoarele valori ale frecvenţei:40;

7. Atenţie!!! Sistemul se opreşte de la butonul roşu de STOP de pe carcasa

invertorului nu din Simovis. Abia după apăsarea butonului de pe carcasă se apasă şi butonul de oprire din Simovis.

8. Cu comutatorul deschis şi convertorul oprit se aplică o referinţă de frecvenţă de apoi se realizează o reversare prin setarea unei referinţe de şi se observă comportamentul acţionării la reversare de viteză.

6

9. Se repetă punctele 4 şi 5 pentru următoarele valori ale frecvenţei: 10. Sistemul se opreşte de la butonul roşu de pe carcasa invertorului nu din Simovis. 11. Se ridică următoarele caracteristici:

a. caracteristicile mecanice pentru b. caracteristicile şi pentru . c. caracteristica pentru un curent de sarcină

12. Relaţii de calcul:

,

, .

Fig. 3.2. Panoul de lucru Simovis.

Nr. crt.

[%] n [rpm]

[A] [V] [V] [A] [W] [W] Ω [rad/s]

[%]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

7