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

Actionari electrice cu masini de curent continuu, utilizate în 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 adâncime, care uneori depaseste 1000 m. Instalatia de extractie trebuie astfel proiectata, încât puterea absorbita sa varieze cât mai putin si productivitatea sa fie cât 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 întârzierea elementelor în miscare.

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

Actionarea electrica trebuie sa fie astfel aleasa încât 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 pâna la 700 kW este rezervata aproape exclusiv motorului asincron; în limitele 700 - 1000 kW trebuie comparate cele doua sisteme de actionare; de la 1000 kW în sus se foloseste în 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, frânarea si reversarea, siguranta în exploatare si consum de energie relativ scazut.

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

2.1.Pornirea masinilor de curent continuu utilizate în industria miniera

În 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 având 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 înfasurarii rotorice R_A este mica.

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

- distrugerea izolatiei înfasurarilor 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 înfasurarilor;

- 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 în 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 în circuitul indusului;

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

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

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

Pornirea cu rezistente prezinta ca dezavantaj pierderi de energie în 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, pâna la tensiunea nominala. În 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 în trepte de tensiune, care se pot obtine, spre exemplu, prin conectarea în serie sau paralel a mai multor masini sau elemente de baterii de acumulatoare.

Tensiunea U_A se poate modifica automat în timp, astfel încât curentul I_A sa se mentina constant în timpul pornirii, asigurându-se astfel un timp minim de pornire concomitent cu anularea consumului de energie electrica în 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 în figura 2.1:

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

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

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

În 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.Frânarea masinilor de curent continuu utilizate în industria miniera

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

Fig.2.3.Sensul marimilor electrice si mecanice în regim motor a. si frâna 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 în cele 4 cadrane : în cadranele I si III în regim de motor, iar în cadranele II si IV în regim de frâna.

Sub aspectul modului de desfasurare a fenomenelor la frânare, acestea se pot asocia la doua cazuri întâlnite frecvent în 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 întâlnite în practica

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

frânarea cu recuperare

frânarea în contracurent

frânarea reostatica sau dinamica

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

2.2.1. Frânarea cu recuperare

În cazul mecanismului de ridicare frânarea cu recuperare în regim stabilizat se realizeaza la coborârea greutatii. În acest scop, se inverseaza sensul tensiunii de alimentare U_A, deci si al vitezei Ω₀, ceea ce duce la coborârea greutatii. Rezulta ca viteza Ω si tensiunea electromotoare U_e îsi schimba sensul. Se observa ca în regim de frânare |Ω| > |Ω₀| si expresia curentului devine:

I_A = > 0 (2.6)

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

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

Fig.2.5.Caracteristicile mecanice la frânarea cu recuperare

Domeniul de frânare se poate extinde prin alimentarea masinii de curent continuu printr-o sursa de tensiune variabila, modificându-se viteza de mers în gol ideal (de ex. Ω₀ ), obtinându-se caracteristica 3 si functionarea stabilizata în punctul A₆. Astfel de caracteristici se pot obtine alimentând 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 în regim de motor în cadranul I, masina de actionare este alimentata prin redresorul G₁, iar G₂ este blocat sau lucreaza ca invertor fara curent. La functionarea în regim de frânare cu recuperare, în cadranul II, sensul curentului se schimba, deci masina electrica va da curent în 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 frânare recuperativa

2. 2.2.Frânarea reostatica sau dinamica

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

În acest caz masina functioneaza în regim de generator, transformând energiile cinetice ale pieselor aflate în miscare în energie electrica ce se consuma pe rezistenta de frânare. Curentul din indus îsi 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 frânare reostatica

b.Caracteristici la frânarea reostatica

În cazul mecanismului de ridicare, frânarea reostatica se aplica la coborârea greutatii, functionarea având loc în cadranul IV, de exemplu în punctul H.

Utilizând o schema de frânare ca în fig.2.8, limitele de variatie ale curentului la frânare se pot apropia foarte mult, astfel încât acesta sa ramâna aproape constant, sau sa varieze dupa o anumita lege.

Fig.2.8. Frânare 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 frânare 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. În timpul t_f curentul creste exponential prin CS, iar în timpul t_r curentul va scadea exponential prin rezistenta R.

Avantajul metodei consta în faptul ca este simpla si efectul de frânare este mare pâna la viteze mici. Dezavantajul metodei consta în pierderi în rezistenta de frânare.

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

Relatia : (2.9)

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

a)     prin intercalarea de rezistente în circuitul indusului;

b)     prin modificarea fluxului de excitatie Ф;

c)      prin modificarea tensiunii de alimentare U_A.

Deoarece în aplicatia prezentata în lucrare masina de curent continuu este alimentata printr-un redresor comandat cu tiristoare, în 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 în vederea micsorarii vitezei, mentinând excitatia constanta, deci metoda nu se aplica la masinile de curent continuu cu excitatie derivatie. Se stie ca viteza de mers în 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 ramâne constant. Caracteristicile mecanice sunt paralele cu caracteristica naturala, oferind cele mai bune posibilitati de modificare a vitezei în limite largi si cu pierderi mici, uneori neglijabile, independent de cuplul M. În 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, rezultând o gama larga de modificare a vitezei, pâna la 1:0,02 . Metoda se aplica mult în practica. Modificarea tensiunii se poate realiza cu sisteme statice cu elemente semiconductoare (tranzistoare, tiristoare) care pot fi alimentate în curent alternativ sau în curent continuu. Utilizarea acestor sisteme statice prezinta urmatoarele avantaje: randament ridicat, gabarit si fundatii mici, comanda si reglarea sunt rapide datorita lipsei pieselor în 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.

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

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

Fig.2.10. Redresor monofazat în punte

Caracteristica de comanda, în 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 în 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 în cazul de mai sus, evident în cazul neglijarii fenomenului de suprapunere anodica, adica a comutatiei:

(2.13)

Schema de redresare trifazata este o schema universal aplicata, de la câtiva 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 atât în regim de redresor, pentru , cât si în regim de invertor, pentru , în 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 în conditia existentei fenomenului de suprapunere anodica.

2.4.Modelul matematic al motorului de curent continuu

Analiza functionarii se face pe baza ecuatiilor deduse în 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)

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

În 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. În cazul regimului stationar, i_A si Ω sunt constante, se obtine ecuatia caracteristicii mecanice, înlocuind expresia curentului:

(2.15)

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

Rezulta:

(2.16)

Coeficientul K_M, de amplificare tensiune-cuplu si F_e, de frecare vâscoasa 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 în miscare în gol. Pentru valori ale tensiunii mai mici decât u_m motorul nu raspunde la aparitia unui semnal de comanda, cauzele fizice fiind frecari în 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.

În regim dinamic, relatiile (2.14) pot fi trecute direct în operational, tinând cont ca în 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. Eliminând curentul în primele trei relatii (2.17) introducând K_M, F_e si stiind ca F=F_e+F_m, (F_m -coeficientul de frecare vâscoasa mecanica) se poate scrie:

(2.18)

si împreuna cu ultima relatie din sistemul (2.17):

(2.19)

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

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

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

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

În 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 în majoritatea cazurilor.