Actionari electrice cu masini de curent continuu, utilizate in industria miniera

Actionari electrice cu masini de curent continuu, utilizate īn industria miniera

Energia necesara exploatarii minelor se foloseste pentru extragerea produsului minei respective si a materialului steril, pentru foraj, abataj, transport, pompare de apa, comprimare de aer si ventilatie.

Produsul minei trebuie ridicat la suprafata de la o anumita adāncime, care uneori depaseste 1000 m. Instalatia de extractie trebuie astfel proiectata, īncāt puterea absorbita sa varieze cāt mai putin si productivitatea sa fie cāt mai ridicata. Factorii care determina puterea sunt cuplul si viteza de extractie [2].

Viteza de extractie se alege pe baza timpului determinat de productie. Cuplul depinde de:

a)greutatea utila si constructia instalatiei;

b)acceleratia, respectiv īntārzierea elementelor īn miscare.

Prin constructie potrivita si prin aplicare de cabluri de egalizare trebuie cautat sa se obtina la arborele motorului un cuplu cāt se poate de constant.

Actionarea electrica trebuie sa fie astfel aleasa īncāt sa permita inversarea sensului de miscare, modificarea vitezei de extractie si oprirea precisa a coliviei de extractie la diferite orizonturi. Alimentarea cu energie electrica se face aproape exclusiv de la retele trifazate de 50 Hz.

Masinile de actionare cele mai utili 18518b16s zate sunt: motorul asincron trifazat si motorul de curent continuu cu excitatie independenta. Actionarea masinilor de extractie cu puterea pāna la 700 kW este rezervata aproape exclusiv motorului asincron; īn limitele 700 - 1000 kW trebuie comparate cele doua sisteme de actionare; de la 1000 kW īn sus se foloseste īn general actionarea prin motor de curent continuu. Motorul de curent continuu este alimentat prin convertoare statice cu tiristoare, care asigura o tensiune variabila pentru alimentarea motorului, deci asigura transportul la diferite viteze, frānarea si reversarea, siguranta īn exploatare si consum de energie relativ scazut.

Deoarece īn lucrare s-a adoptat solutia de actionare cu motoare de curent continuu cu excitatie separata, īn continuare se va face referire doar la aceste tipuri de actionari electrice.

2.1.Pornirea masinilor de curent continuu utilizate īn industria miniera

Īn timpul pornirii masinilor de curent continuu cu excitatie separata, la valori scazute ale vitezei Ω, tensiunea electromotoare indusa U_e fiind foarte mica, iar inductivitatea indusului L_A avānd si ea, de obicei valori foarte mici, din relatia tensiunilor din circuitul rotoric:

U_A = U_e + (R + R_A)I_A,

U_e = K W

se observa ca pentru curentul I_A se obtin valori mari daca R=0 si tensiunea de alimentare a circuitului rotoric U_A are valoarea nominala (U_A=U_AN), deoarece rezistenta īnfasurarii rotorice R_A este mica.

O valoare prea mare a curentului are urmatoarele efecte negative asupra masinii , care pot duce la avarii:

- distrugerea izolatiei īnfasurarilor masinilor si aparatelor de comanda si masura, datorita caldurii ce se degaja;

- comutatie necorespunzatoare, cu posibilitatea aparitiei focului circular;

- solicitarea mare a periilor;

- solicitarea lipiturilor la conductoarele īnfasurarilor;

- solicitarea conductoarelor de alimentare;

- apar cupluri mari, care pot duce la deteriorari mecanice .   

Ca urmare, se pune problema limitarii curentului de pornire la valori admisibile, care se stabilesc īn functie de durata pornirii.

Procedeele de pornire la actionarile cu masini de curent continuu cu excitatie separata sunt:

a)     pornire prin conectarea directa la retea;

b)     pornirea cu rezistente aditionale, intercalate īn circuitul indusului;

c)      pornirea prin variatia tensiunii de alimentare, fara rezistente suplimentare īn circuitul rotoric.

Deoarece motorul de curent continuu utilizat pentru actionarea electrica prezentata īn lucrare este alimentat printr-un redresor comandat cu tiristoare, īn continuare se vor face referiri doar la ultima metoda de pornire.

2.1.1.Pornirea prin variatia tensiunii de alimentare, fara rezistente suplimentare īn circuitul rotoric

Pornirea cu rezistente prezinta ca dezavantaj pierderi de energie īn rezistentele de pornire, care sunt parcurse de curentii de pornire. La actionarile de putere mare se mai adauga ca dezavantaj si gabaritul mare al reostatului de pornire.

Ca urmare, la numeroase actionari cu masini de curent continuu, pornirea se realizeaza prin cresterea tensiunii de alimentare de la o valoare redusa, care poate fi egala cu zero, pāna la tensiunea nominala. Īn acest scop se pot utiliza:

1.alimentarea printr-un convertor cu elemente statice care pot fi: redresoare comandate cu tiristoare sau variatoare de tensiune continua;

2.alimentarea īn trepte de tensiune, care se pot obtine, spre exemplu, prin conectarea īn serie sau paralel a mai multor masini sau elemente de baterii de acumulatoare.

Tensiunea U_A se poate modifica automat īn timp, astfel īncāt curentul I_A sa se mentina constant īn timpul pornirii, asigurāndu-se astfel un timp minim de pornire concomitent cu anularea consumului de energie electrica īn rezistentele de pornire parcurse de curentul principal.

Sistemele de actionare cu tensiune variabila sunt utilizate mai ales pentru modificarea vitezei.

Schema - bloc pentru cazul (1) este prezentata īn figura 2.1:

Fig.2.1.Schema-bloc de alimentare cu tensiune variabila a motorului de curent continuu cu excitatie separata

Īn fig.2.1 G₁ este un redresor comandat cu tiristoare si asigura tensiunea variabila prin comanda pe grila a tiristoarelor, cu unghiul a

Īn fig.2.2 sunt prezentate caracteristicile mecanice W=f(I_A), variatia cuplului M=f(I_A) si variatiile cuplului, vitezei si curentului īn timp.

Fig.2.2.Caracteristicile la pornirea prin cresterea tensiunii de alimentare

Pe portiunea AB din figura de mai sus se poate scrie:

M-M_R = J (2.1)

Rezulta: t = J;

stiind ca I = I_p = constant rezulta:

t = Ω => Ω = t, (2.2)

deci viteza variaza liniar īn timp.   

Īn punctul B se poate scrie ca:

Ω_B = t_B (2.3)

Pe portiunea BC se poate scrie o expresie a vitezei corespunzatoare unei variatii exponentiale:

Ω = Ω_R(1 - e) + Ω_B e (2.4)

Pentru t = ∞ Ω=Ω_R   

t = t_B Ω=Ω_B

Pe portiunea DE se poate scrie relatia pentru variatia cuplului, care este tot exponentiala:

M = M_R(1 - e) + M_i e (2.5)

si pentru:t = ∞ : M=M_R

t = 0 : M=M_i=M_D=constant.

2.2.Frānarea masinilor de curent continuu utilizate īn industria miniera

Masinile electrice pot functiona īn regim de motor sau īn regim de frāna, dupa cum produc miscarea sau se opun miscarii. La functionarea īn cele doua regimuri, sensul marimilor se reprezinta īn figura urmatoare:

Fig.2.3.Sensul marimilor electrice si mecanice īn regim motor a. si frāna b.

unde F este forta care produce cuplul M, iar v este viteza periferica a rotorului.

Sub aspectul caracteristicilor mecanice, functionarea poate sa aiba loc īn cele 4 cadrane : īn cadranele I si III īn regim de motor, iar īn cadranele II si IV īn regim de frāna.

Sub aspectul modului de desfasurare a fenomenelor la frānare, acestea se pot asocia la doua cazuri īntālnite frecvent īn practica:

- cazul mecanismului de ridicare (fig. 2.4.a)

- cazul mecanismului de translatie pentru un carucior sau un vehicul (fig. 2.4.b)

a. b.

Fig.2.4.Tipuri de mecanisme īntālnite īn practica

Metodele de frānare la actionarile cu masini de curent continuu cu excitatie separata sunt:

frānarea cu recuperare

frānarea īn contracurent

frānarea reostatica sau dinamica

Deoarece masinile de extractie miniera se īncadreaza īn cadrul mecanismelor de translatie, īn continuare se prezinta doar metodele utilizate pentru acestea.

2.2.1. Frānarea cu recuperare

Īn cazul mecanismului de ridicare frānarea cu recuperare īn regim stabilizat se realizeaza la coborārea greutatii. Īn acest scop, se inverseaza sensul tensiunii de alimentare U_A, deci si al vitezei Ω₀, ceea ce duce la coborārea greutatii. Rezulta ca viteza Ω si tensiunea electromotoare U_e īsi schimba sensul. Se observa ca īn regim de frānare |Ω| > |Ω₀| si expresia curentului devine:

I_A = > 0 (2.6)

deci rezulta ca functionarea se stabileste pe caracteristica 2 īn punctul A₄ (fig. 2.5).

Energia obtinuta de la greutatea īn coborāre se transmite īn retea de catre masina electrica, care functioneaza īn regim de generator. De aceea, aceasta metoda se numeste frānare cu recuperare. Dezavantajul acestei metode consta īn faptul ca aceasta nu se poate aplica decāt la viteze mai mici decāt Ω₀ , deci nu se poate opri mecanismul de lucru, ci numai se poate limita viteza acestuia.

Fig.2.5.Caracteristicile mecanice la frānarea cu recuperare

Domeniul de frānare se poate extinde prin alimentarea masinii de curent continuu printr-o sursa de tensiune variabila, modificāndu-se viteza de mers īn gol ideal (de ex. Ω₀ ), obtināndu-se caracteristica 3 si functionarea stabilizata īn punctul A₆. Astfel de caracteristici se pot obtine alimentānd masina electrica de actionare de la reteaua trifazata prin intermediul unui convertor static format din doua redresoare comandate cu tiristoare, G₁ si G₂ (fig.2.6). La functionarea īn regim de motor īn cadranul I, masina de actionare este alimentata prin redresorul G₁, iar G₂ este blocat sau lucreaza ca invertor fara curent. La functionarea īn regim de frānare cu recuperare, īn cadranul II, sensul curentului se schimba, deci masina electrica va da curent īn retea prin G₂ care va lucra ca invertor, iar G₁ va fi blocat sau va functiona ca redresor fara curent.

Fig.2.6. Schema de actionare pentru frānare recuperativa

2. 2.2.Frānarea reostatica sau dinamica

Se realizeaza prin deconectarea indusului de la retea si cuplarea lui pe o rezistenta de frānare (fig.2.7.a ).

Īn acest caz masina functioneaza īn regim de generator, transformānd energiile cinetice ale pieselor aflate īn miscare īn energie electrica ce se consuma pe rezistenta de frānare. Curentul din indus īsi schimba semnul si ecuatia caracteristicii mecanice devine:

U_A - KΩ = (R_A+R_f)I_A (2.7)

U_A = 0 = > Ω = - (2.8)

Fig. 2.7.a.Schema de frānare reostatica

b.Caracteristici la frānarea reostatica

Īn cazul mecanismului de ridicare, frānarea reostatica se aplica la coborārea greutatii, functionarea avānd loc īn cadranul IV, de exemplu īn punctul H.

Utilizānd o schema de frānare ca īn fig.2.8, limitele de variatie ale curentului la frānare se pot apropia foarte mult, astfel īncāt acesta sa ramāna aproape constant, sau sa varieze dupa o anumita lege.

Fig.2.8. Frānare reostatica folosind un contactor static CS

Contactorul static CS este de fapt un convertor static cu comutatie fortata si are rolul de a scurtcircuita intermitent, cu frecventa mare rezistenta de frānare R. Astfel, rezistenta R va fi ca o rezistenta variabila, care depinde de perioada de conductie t_f sau de blocare t_r a tiristorului principal al convertorului CS. Īn timpul t_f curentul creste exponential prin CS, iar īn timpul t_r curentul va scadea exponential prin rezistenta R.

Avantajul metodei consta īn faptul ca este simpla si efectul de frānare este mare pāna la viteze mici. Dezavantajul metodei consta īn pierderi īn rezistenta de frānare.

2.3.Modificarea vitezei actionarilor cu masini de curent continuu utilizate īn industria miniera

Relatia : (2.9)

evidentiaza posibilitatile īn practica pentru modificarea vitezei actionarilor electrice cu masini de curent continuu. Astfel exista urmatoarele metode:

a)     prin intercalarea de rezistente īn circuitul indusului;

b)     prin modificarea fluxului de excitatie Ф;

c)      prin modificarea tensiunii de alimentare U_A.

Deoarece īn aplicatia prezentata īn lucrare masina de curent continuu este alimentata printr-un redresor comandat cu tiristoare, īn continuare se prezinta doar ultima metoda.

2.3.1.Modificarea vitezei prin schimbarea tensiunii de alimentare U_A

Schimbarea tensiunii se face la bornele indusului īn vederea micsorarii vitezei, mentinānd excitatia constanta, deci metoda nu se aplica la masinile de curent continuu cu excitatie derivatie. Se stie ca viteza de mers īn gol ideal W si variatia vitezei DW au expresiile de mai jos:

Ω₀ = (2.10)

ΔΩ = (2.11)

Se observa ca prin micsorarea tensiunii U_A, scade viteza Ω₀ , iar ΔΩ ramāne constant. Caracteristicile mecanice sunt paralele cu caracteristica naturala, oferind cele mai bune posibilitati de modificare a vitezei īn limite largi si cu pierderi mici, uneori neglijabile, independent de cuplul M. Īn figura 2.9 se prezinta caracteristicile mecanice pentru diferite valori ale tensiunii U_A.

Fig.2.9. Caracteristicile masinii de curent continuu, la alimentare cu tensiune variabila

Caracteristicile sunt rigide, viteza depinde putin de sarcina, rezultānd o gama larga de modificare a vitezei, pāna la 1:0,02 . Metoda se aplica mult īn practica. Modificarea tensiunii se poate realiza cu sisteme statice cu elemente semiconductoare (tranzistoare, tiristoare) care pot fi alimentate īn curent alternativ sau īn curent continuu. Utilizarea acestor sisteme statice prezinta urmatoarele avantaje: randament ridicat, gabarit si fundatii mici, comanda si reglarea sunt rapide datorita lipsei pieselor īn miscare si inertiei reduse. Dezavantajele lor sunt: factor de putere mic la unghiuri de comanda mari ale elementelor semiconductoare, deformarea pronuntata a formelor de unda si sensibilitatea la suprasarcini.

Īn cazul alimentarii de la o retea de c.a., modificarea vitezei se realizeaza prin redresoare comandate. Schemele de redresare utilizate īn sistemele de actionari electrice pot fi: monofazate si trifazate.

Un exemplu de redresor monofazat complet comandat se da īn figura 2.10:

Fig.2.10. Redresor monofazat īn punte

Caracteristica de comanda, īn cazul neglijarii comutatiei, pentru redresoare cu m pulsuri, se calculeaza astfel:

(2.12)

unde: U_dm este valoarea medie a tensiunii redresate;

a - unghiul de comanda al tiristoarelor;

U_dm0 - tensiunea medie redresata la α = 0.

Aceasta schema se utilizeaza la actionari reversibile cu puteri P≤ 10KW.

Un exemplu de schema de redresare trifazata este puntea trifazata complet comandata reprezentata īn figura 2.11:

Fig.2.11.Punte trifazata complet comandata

Elementele din figura sunt: V₁, V₂, ......V₆ - tiristoare, T - transformator, L - bobina de netezire a pulsatiilor curentului redresat.

Caracteristica de comanda are aceeasi expresie ca si īn cazul de mai sus, evident īn cazul neglijarii fenomenului de suprapunere anodica, adica a comutatiei:

(2.13)

Schema de redresare trifazata este o schema universal aplicata, de la cātiva kW la MW.

Daca se reprezinta grafic caracteristica de comanda se obtine figura 2.12:

Fig.2.12. Caracteristica de comanda a unui redresor complet comandat

Sistemele statice cu caracteristica de comanda din figura 2.12 pot functiona atāt īn regim de redresor, pentru , cāt si īn regim de invertor, pentru , īn care U_dm/U_dm0<0. Practic, intervalul de functionare ca invertor se reduce cu rezerva de stingere b = 20˚ - 30˚ , deci α = 150˚ -160˚ maxim, pentru a asigura comutatia īn conditia existentei fenomenului de suprapunere anodica.

2.4.Modelul matematic al motorului de curent continuu

Analiza functionarii se face pe baza ecuatiilor deduse īn diverse situatii si ipoteze simplificatoare [3].

Fig.2.13.Schema de principiu a motorului de curent continuu

Astfel, pentru schema din fig.2.13 se considera urmatorul sistem de ecuatii:

(2.14)

īn constanta k, p este numarul de perechi de poli, N este numarul de conductoare si a numarul de cai de īnfasurare. Cuplul rezistent al sarcinii m_R poate fi descompus īn doua componente, una de frecare vāscoasa m_v = FΩ si cealalta un cuplu m_r independent de viteza.

Īn cazul motoarelor de curent continuu cu excitatie separata, utilizate la actionarea masinilor de extractie miniera, fluxul de excitatie Φ este constant, deci ecuatiile (2.14) se simplifica. Īn cazul regimului stationar, i_A si Ω sunt constante, se obtine ecuatia caracteristicii mecanice, īnlocuind expresia curentului:

(2.15)

(unde K=kΦ=const.) īn expresia cuplului: m=Ki_A.

Rezulta:

(2.16)

Coeficientul K_M, de amplificare tensiune-cuplu si F_e, de frecare vāscoasa electrica, caracterizeaza comportarea unui anumit motor. Liniaritatea caracteristicilor (2.16) este importanta pentru functionarea sistemului de pozitionare cu motor de curent continuu. Foarte importanta este valoarea minima a tensiunii de comanda u_m pentru care motorul se pune īn miscare īn gol. Pentru valori ale tensiunii mai mici decāt u_m motorul nu raspunde la aparitia unui semnal de comanda, cauzele fizice fiind frecari īn rulmenti, pozitie preferentiala a rotorului datorata nesimetriei electrice sau mecanice a masinii, etc. pentru motoare de calitate u_m < 3% din tensiunea maxima de comanda.

Īn regim dinamic, relatiile (2.14) pot fi trecute direct īn operational, tinānd cont ca īn general Ω(s) = sθ(s), unde θ este deplasarea unghiulara a rotorului .

(2.17)

unde s-a notat T_A=L_A/R_A este constanta de timp electromagnetica a circuitului rotoric, iar T_m=J/F este constanta electromecanica a motorului si sarcinii. Eliminānd curentul īn primele trei relatii (2.17) introducānd K_M, F_e si stiind ca F=F_e+F_m, (F_m -coeficientul de frecare vāscoasa mecanica) se poate scrie:

(2.18)

si īmpreuna cu ultima relatie din sistemul (2.17):

(2.19)

relatie ce permite reprezentarea functiei de transfer a motorului printr-o schema-bloc ca īn fig.2.14.

Fig.2.14.Schema bloc completa a motorului de curent continuu

Daca T_A«T_m se pot face unele simplificari īn relatia (2.19) si se obtine schema bloc simplificata din fig.2.15.

Fig.2.15.Schema bloc simplificata a servomotorului de curent continuu

Īn absenta cuplului static rezistent functia de transfer simplificata obtine forma:

(2.20)

ce arata ca motorul de curent continuu cu flux de excitatie constant se comporta dinamic ca un ansamblu de doua elemente: unul inertial aperiodic, cu constanta de timp T_m si un integrator. Acest model poate fi utilizat īn majoritatea cazurilor.