Sari la conținut


Consideraţii privind alegerea motoarelor electrice alimentate prin intermediul convertizoarelor statice de frecvenţă



Publicat de prog , 08 martie 2014 · 3.215 Vizualizari
* * * * * 1 voturi
Problema alegerii motorului electric apare fie în cadrul proiectului unui obiectiv nou, fie în cadrul modernizării unui obiectiv existent care funcţionează cu costuri ridicate. În primul caz se poate utiliza informaţia furnizată de către proiectele existente ale unor obiective similare iar în cazul al doilea se poate apela la datele experimentale care se pot preleva din instalaţia existentă.

Alegerea motorului electric de acţionare presupune:
• stabilirea tipului acţionării (în curent continuu sau alternativ);
• nivelului tebnsiunii de alimentare (joasă tensiune sau înaltă tensiune);
• forma constructivă (construcţie normală, construcţie închisă pentru zonele umede, construcţie metalurgică, navală, antiexplozivă, cu autoventilaţie sau cu ventilaţie forţată, etc.);
• serviciul real de funcţionare al motorului şi raportarea acestui serviciu la serviciul tip standardizat;
• puterea nominală a motorului corespunzătoare serviciului tip determinat;
• alegerea convertizorului static asociat motorului;
• alegerea aparatajului de comutaţie şi de protecţie pentru motor şi convertizor în funcţie de puterea de scurtcircuit la barele de alimentare;
• alegerea traductoarelor şi adaptarea structurii sistemului de reglare pentru curent (cuplu), flux, viteză (acceleraţie) şi poziţie (unghi);
• stabilirea interfeţei om – maşină şi a comunicaţiei cu sistemul ierarhic superior.

Echipamentele actuale pentru sistemele de acţionare electrică sunt larg integrate în sensul că este suficient să se stabilească opţiunile şi structura sistemului de reglare, să se calibreze informaţia primită de la tradcutoare ţinând cont de parametrii motorului ales, buclele de reglare interioare fiind autoacordate la punerea în funcţiune a sistemului de actionare. De obicei buclele exterioare sunt preluate de către calculatorul ierarhic superior şi funcţionează conform algoritmului orientat pe aplicaţia concretă. Echipamentul unui sistem de acţionare electrică face parte, în cadrul aplicaţiilor industriale moderne din sistemul general de conducere ierarhizată. Buclele interioare ale acţionării (bucla de curent sau de cuplu şi bucla de viteză) sunt situate la nivelul zero în cadrul sistemului ierarhizat. Funcţiile speciale ale acţionării cum ar fi urmărirea unei traiectorii, interblocajele cu celelalte mecanisme din cadrul fluxului tehnologic sunt preluate de către calculatorul de proces situat la nivelul unu al ierarhizării. În sfârşit funcţiile de întocmire a programului de fabricaţie şi optimizarea acestuia sunt situate pe nivelul doi al ierarhizării.

Revenind la problema alegerii puterii motorului de acţionare aceasta este aparent o problemă simplă dar cu implicaţii economice mari. Problema se pune în general astfel: să se detrmine puterea nominală a motorului care pentru un program de fabricaţie respectiv de productivitate dat, să nu se depăşească capacitatea termică a motorului. Din această condiţie generală rezultă tendinţa supradimensionării astfel încât motorul să funcţioneze deseori cu mult sub capacitatea termică. În acest caz apar consumuri specifice mari de energie electrică pe seama randamentului scăzult al conversiei energiei în domenii de puteri mici.

Ţinând cont că durata de exploatare a unui motor electric depăşeşte 30 ani, costurile energetice integrate pe această durată depăşesc cu mult costul iniţial al investiţiei la achiziţionarea motorului.
Capacitatea termică a motorului este corelată cu sistemul de răcire care poate să fie prin autoventilaţie, cu ventilaţie forţată cu aer de răcire la temperatura ambiantă, respectiv cu aer de răcire la temperatură joasă, obţinută prin intermediul unei instalaţii frigorifice. Cu cât sistemul de răcire este mai eficient, cu atât puterea nominală a motorului creşte.

Se poate imagina următoarea soluţie tehnică de utilizare raţională a unui motor electric din cadrul unui flux tehnologic de fabricaţie: în regim de productivitate redusă motorul funcţionează autoventilat, la productivitate medie se pune în funcţiune ventilaţia forţată iar în regim de productivitate maximă se pune în funcţiune instalaţia frigorifică pentru mărirea eficienţei sistemului de ventilaţie forţată a motorului de acţionare. În acest mod se poate menţine randamentul conversiei la un nivel înalt pentru o gamă largă a regimurilor de funcţionare, economiile provenind din faptul că motorul funcţionând în această manieră are puterea nominală de catalog şi gabaritul mult diminuate.

Sistemele de acţionare electrică cu m.a. alimentate cu tensiuni şi frecvenţe variabile permit obţinerea unor regimuri de funcţionare într-o gamă largă de viteze şi din acest punct de vedere sunt similare motoarelor de c.c. alimentate prin intermediul redresoarelor comandate, exceptând faptul că vitezele maxime ale m.a. sunt cu mult superioare faţă de maşinile de c.c. În raport cu reţeaua electrică de alimentare cele două tipuri de acţionări se comportă complet diferit. Convertizorul static de frecvenţă fiind conectat la reţea prin intermediul unui redresor necomandat este practic un receptor cu factor de putere unitar. Din acest motiv este uşor de arătat că pe măsură ce viteza acţionării scade se micşorează şi curentul I absorbit din reţea dacă cuplul se menţine constant. Puterea activă în aceste condiţii este:

P= 3UI

unde tensiunea U a reţelei se presupune că este constantă. Puterea activă la bornele motorului, neglijând pierderile din stator se poate aproxima cu puterea electromagnetică

3UI = k*M*omega1

unde constanta k ţine cont de parametrii transformatorului de alimentare a convertizorului şi ai circuitului intermediar. La sistemele de acţionare cu U şi Fi variabili, chiar şi în regim dinamic alunecarea este mică, deci Omega1 = Omega. Rezultă în final:
Imagine atașată
Deci pentru M şi U constante, rezultă I/Omega = constant, unde Omega este viteza unghiulara.
În cazul unei acţionări în c.c. cu redresor comandat, pentru cuplu M constant, curentul absorbit din reţea este de asemenea constant, deoarece factorul de putere este variabil. Pe măsură ce viteza scade creşte unghiul  de comandă pe grilă şi scade factorul de putere, deoarece cos  cos cuplul fiind mereu egal cu M=KI indiferent de mărimea vitezei .
În figura 1 s-au reprezentat diagramele curenţilor I absorbiţi din reţeaua de alimentare pentru cele două tipuri de acenţilor I absorbiţi din reţeaua de alimentare pentru cele două tipuri de acţionări analizate în cazul funcţionării la cuplul nominal constant.

Imagine atașată

şi respectiv maşinii de c.c. în regimuri de viteză variabilă la cuplu constant.
Prin această analiză s-a scos în evidenţă avantajul major al consumatorilor care funcţionează cu factor de putere mare: diminuarea pierderilor în cuprul cablurilor de alimentare şi deci mărirea capacităţii de transport a energiei în reţeaua de alimentare fără utilizarea unor instalaţii de compensare a factorului de putere. Deci din acest punct de vedere la alegerea unui motor de acţionare trebuie să se opteze pentru acţionarea în curent alternativ.
Motorul asincron cu rotorul în scurt – circuit este cel mai ieftin motor de acţionare. Acest motor are dimensiunile standardizate la nivelul normelor Comitetului Electrotehnic Internaţional (CEI) conform figurii urmatoare:

Imagine atașată

Această standardizare are avantaje economice importante deoarece aprovizionarea se poate faca din orice parte a globului (de exemplu un motor asincron naval poate să fie înlocuit în orice port important de pe glob) iar stocul de motoare de rezervă poate fi menţinut la minimum.

Imagine atașată

Cunoaşterea diagramei de sarcină, permite calcularea duratei de acţionare:

Imagine atașată

unde tk sun timpii de funcţionare din cadrul ciclului cu perioada Tc.
Cunoaşterea duratei de acţionare DA% şi perioadei Tc a ciclului, permite determinarea serviciului tip pentru motorul electric. În catalogul pentru motoarele electrice puteruile nominale sunt raportate la serviciul tip şi la durata DA de acţionare.
Încadrarea în serviciul de funcţionare tip se poate face în această etapă după următoarele criterii:
  • Serviciul continuu S1 dacă DA>60% şi Tc>>10 minute;
  • Serviciul de scurtă durată S2 dacă DA<10% şi Tc<90 minute;
  • Serviciile intermitent periodice S3, S4, S5 dacă 10%<DA<60% şi Tc£10 minute.
In funcţie de valoarea factorului de inerţie:

FI=( Jmotor+Jsarcină ) / Jmotor

unde Jmotor este momentul de inerţie al motorului respectiv Jsarcină momentul de inerţie al sarcinii raportat la arborele motorului, se adoptă serviciul S3 dacă FI £ 2, S4 dacă FI > 2 iar frânarea se face prin mijloace mecanice, S5 dacă FI > 2 iar frânarea se face electric regimul maşinii electrice fiind în acest caz de frână propriu – zisă sau de generator.
  • Serviciul neîntrerupt cu sarcină intermitent periodică S6 dacă 10%<DA<60% şi Tc£10 minute iar funcţionarea este neîntreruptă (fără timpi de pauză).
  • Serviciul S7 neîntrerupt cu frânări electrice şi S8 neîntrerupt cu modificări în trepte a vitezei, dacă Tc£10 minute.
Determinarea puterii motorului de acţionare se face în mai multe etape, după următorul algoritm

1) Se adoptă viteza nominală a motorului. Astfel se poate determina raportul de transmisie i necesar. Cunoscând raportul i de transmisie se poate efectua raportarea cuplurilor statice la arborele motorului. Un raport de transmisie mare conduce la un reductor cu multe trepte şi deci de gabarit mare, în schimb permite alegerea unuio motor cu turaţie nominală mare şi deci de gabarit mic. Aceasta este o problemă care depinde şi de natura utilajului acţionat.
Există însă alt aspect care depinde de domeniul necesar de viteze şi de capacitatea motorului de a asigura cuplul de sarcină impus în acest domeniu.

2) Se calculează cuplurile de sarcină raportate la arborele motorului. Pentru aceasta este necesară valoarea raportului de transmisie:

Imagine atașată

unde Wmot se adoptă conform celor arătate iar Wsar, viteza la arborele sarcinii, este impusă prin tema de proiectare.
În cazul unui mecanism pentru ridicarea unei sarcini Q[N] care utilizează un mecanism cu tambur având raza Rt[m], cuplul de sarcină raportat la arborele motorului pentru operaţiunea de ridicare este:

Imagine atașată

In mişcarea de coborâre. Între randamentele transmisiei la ridicare şi la coborâre există relaţia:

Imagine atașată

3) Se calculează cuplul mediu echivalent pătratic conform relaţiei generale:

Imagine atașată

Deoarece diagrama cuplului static m raportat la arborele motorului se poate liniariza pe porţiuni, integrala se poate calcula simplificat prin însumare. De exemplu în cazul diagramei din figura 3 rezultă:

Imagine atașată

4) Se calculează puterea echivalentă corespunzătoare cuplului mediu echivalent pătratic. În acest caz existtă două situaţii distincte: acţionarea lucrează cu viteze de regim staţionar constante şi respectiv cu diferite trepte de viteze în regim staţionar sau cu viteze continuu variabile (sisteme de urmărire).
Puterea echivalentă este:

Imagine atașată

Se raportează puterea echivalentă obţinută pentru durata de acţionare DA% corespunzătoare diagramei cuplurilor statice, la puterea corespunzătoare celei mai apropiate durate de acţionare standardizată (15%, 25%, 40%, 60%). De exemplu, dacă DA=31%, puterea echivalentă pentru durata standard de 25% este:

Imagine atașată

5) Se alege puterea nominală a motorului din catalog, corespunzător duratei de acţionare, serviciului tip stabilit şi vitezei adoptate, în aşa fel încât:

Imagine atașată

6) Calculul cuplurilor dinamice. Puterea nominală astfel determinată ne permite să aflăm valoarea momentului de inerţie al motorului de acţionare Jmot. Raportând momentul de inerţie al transmisiei şi maşinii de lucru, la arborele motorului electric se obţine valoarea momentului de inerţie total J. Se poat calcula apoi momentele dinamice

Imagine atașată

La accelerare:

Imagine atașată

Însumând momentele statice şi dinamice rezultă diagrame completă a cuplurilor:

Imagine atașată

In diagrama din figura de mai sus:

Imagine atașată

Aceată etapă de calcul este deosebit de importantă pentru mecanismele moderne cu geometrie variabilă, pentru care momentul total de inerţie este variabil atât în trimpul mişcării cât şi la mersul în gol în raport cu mersul în sarcină sau la ridicare faţă de coborâre.

7) Verificarea motorului ales. În prima etapă de calcul s-au neglijat solicitările suplimentare ale motorului electric în perioadele de pornire şi de frânare cu recuperare electrică. Din acest motiv se va recalcula cuplul respectiv puterea medie echivalentă pătratică ţinându-se cont şi de momentele dinamice. Se compară noua valoare a puterii echivalente cu puterea nominală a motorului. Dacă puterea nominală este mai mică decât puterea echivalentă se măreşte puterea nominală refăcându-se întregul calcul.
O altă verificare importantă constă în compararea valorii cuplului maxim din diagrama completă ( Mf2 din figura 5) cu valoarea maximă admisibilă a cuplului motorului în condiţiile unei tensiuni de alimentare diminuate cu 10%. Pentru motoarele asincrone:
Imagine atașată
iar pentru motoarele de curent continuu şi sincrone:
Imagine atașată
unde "landa" este raportul dintre cuplul maxim corespunzător tensiunii nominale şi cuplul nominal dat în catalogul de motoare.

8) Corelarea capacităţii de suprasarcină de scurtă durată a motorului electric şi a convertizorului static de frecvenţă asociat motorului.
În timpul suprasolicitărilor de scurtă durată pierderile majorate prin efectul Joule sunt practic acumulate în cuprul înfăşurărilor motorului şi în radiatoarele elementelor semiconductoare. Elementele semiconductoare sunt mult mai sensibile la suprasolicitările de scurtă durată decât motorul de acţionare, deoarece capacitatea termică a motorului este mult mai mare, masa de cupru şi fier a motorului fiind cu mult superioară masei radiatoarelor elementelor semiconductoare. Ca şi motoarele electrice, convertizoarele statice de frecvenţă se construiesc în execuţie normală şi în execuţie pentru regimuri grele de exploatare. Suprasarcina tipică pentru execuţia normală este 1,1 MN câte un minut la un ciclu cu perioada de 10 minute (fig. urmatoare. curba b). Pentru execuţia grea se admite suprasarcina de 2 MN timp de 2 sec cu o perioadă de 15 sec (fig. urmatoare. curba d).
Imagine atașată

Aceste curbe pentru solicitările admisibile sunt determinate experimental pe standul de încercări al uzinei constructoare. Curbele din fig. 6 sunt ridicate pentru motorul asincron autoventilat din serie IEC – 34 asociat cu convertizorul AC600 al firmei ABB.

O metodă mai exactă de verificare a motorului de acţionare este metoda pierderilor medii. Pentru aplicarea acestei metode este necesară expresia randamentului motorului în funcţie de puterea la arbore şi de viteză. Pornind de la diagramele puterii şi vitezei se calculează prin liniarizare pe porţiuni diagrama pierderilor şi apoi pierderile medii. Motorul se consideră bine ales dacă pierderile medii calculate nu depăşeşte pierderile nominale. Această metodă de verificare nu garantează faptul că încălzirea maximă temporară înfăşurărilor nu depăşeşte încălzirea admisibilă conform clasei de izolaţie. Depăşirea în mod ciclic a încălzirii admisibile chiar cu câteva grade Celsius conduce la scurtarea considerabilă a duratei de exploatare a motorului elecric. Metoda pierderilor medii garantează numai faptul că temperatura medie nu depăşeşte temperatura admisibilă. În consecinţă o verificare riguroasă se realizează dacă se obţine diagrama de variaţie a încălzirii maşinii după un număr finit de cicluri de funcţionare. Această diagramă realizează cu ajutorul modelului termic al motorului şi pierderilor estimate prin intermediul unor programe de calcul numeric. Pentru motoarele alimentate cu tensiune şi frecvenţă variabile trebuie să se estimeze şi pierderile suplimentare datorită abaterilor mărimilor electrice şi magnetice de la forma sinusoidală.
Aceste dificultăţi au făcut ca firmele constructoare să ofere diagramele cuplului admisibil ridicate experimental ca bază pentru verificarea puterii motorului de acţionare. În exemplele următoare se arată cum se pot utiliza aceste diagrame pentru verificarea motorului electric.

EXEMPLU:

Să se determine puterea motorului de acţionare pentru o maşină de lucru care funcţionează în regim continuu la un cuplu de sarcină constant Ms=20Nm şi viteza variabilă în domeniul 600 ... 1900 r.p.m. Motorul trebuie să asigure cuplul de pornire Mp=30Nm tensiunea nominală de alimentare fiind 380V.
Motorul cu p=2 (n1=1500 r.p.m.) asigură cuplul maxim în domeniul de viteze impus. Pentru determinarea puterii se vor utiliza diagramele din ultima figura. Astfel, pentru mmin=600 r.p.m. motorul asigură cuplul M=0,89 MN. Pentru M=Ms=20Nm rezultă:
Imagine atașată
Pentru n=nmax=1900 r.p.m. din diagrama a rezultă că motorul asigură cuplul M=0,8 MN, rezultând:
Imagine atașată

Daca sunt intrebari, va rog!



Poză
ola_nicolas
mar 14 2014 10:24
Nu este o intrebare, ci o observatie. Atasamentul imagine cu dimensiunile motoarelor asincrone dupa norma europeana, cred ca ar fi trebuit insotit de un tabel cu valorile acelor dimensiuni, in functie de putere, turatia la arbore si poate si alti parametri nominali ai motoarelor. Altminteri acea figura in context, nu este necesara.
emil.matei.ro Cel mai cuprinzator director romanesc