MOTOARE ASINCRONE
ACTIONARI CU VITEZA REGLABILA
Actionari cu motoare asincrone de mica putere cu performante
economice si siguranta ridicate
G. VELICHI*, V. RADUT**
Motorul asincron polifazat a transat definitiv lupta dintre adeptii producerii si transportului energiei electrice în curent continuu si cei în curent alternativ.
Înainte de inventarea acestuia era foarte clar pentru toata lumea (poate doar cu exceptia lui Edison) ca producerea energiei electrice la locul sursei de
energie primara (cadere hidraulica sau mina de
carbuni) si transportul ei pe linii de înalta tensiune
este o solutia cea mai eficienta din punct de vedere
economic. Din pacate majoritatea aplicatiilor, la acea
data, necesitau curent continuu de joasa tensiune.
Motorul lui Tesla a rezolvat simultan doua probleme:
pe de o parte a permis conversia directa a energiei
electrice de curent alternativ în lucru mecanic, iar pe
de alta parte a permis realizarea unor convertoare
electromecanice, grup motor-generator, care sa
transforme energia de curent alternativ în energie de
curent continuu la parametrii de tensiune si curent
doriti.
De la bun început motorul asincron s-a impus
prin robustetea si simplitatea lui constructiva precum
si prin randamentul sau ridicat.
Motorul asincron reprezinta astazi principalul
element de conversie a energiei electrice în lucru
mecanic. În tarile industriale dezvoltate peste jumatate
din energia electrica produsa serveste la alimentarea
motoarelor electrice, cea mai mare parte pentru cele
asincrone. Pe de alta parte, progresele tehnice din
ultimii ani din domeniul elementelor de comutatie
statica de putere, a tehnicilor si sistemelor de
comanda au permis motorului asincron sa patrunda în
sectoare care anterior le erau închise: tractiunea
electrica, actionari cu gama larga de turatie, roboti
industriali, masini unelte, etc.
Pâna nu demult motorul asincron era destinat
alimentarii directe de la retea, functionarea sa
asigurând
o viteza mai mult sau mai putin
Din aceasta categorie fac parte actionari de pompe,
ventilatoare, instalatii de aer conditionat etc. Reglajul
debitului sau al presiunii se facea fie pe partea de
sarcina prin obturarea conductelor de iesire, fie pe
partea de alimentare prin alimentarea intermitenta a
motorului. Evident, astfel de solutii sunt ineficiente si
odata cu progresele realizate în dezvoltarea
convertoarelor de frecventa chiar si pentru motoare de
putere mica, a devenit posibil, nu numai din punct de
vedere tehnic dar si economic, o reglare simultana a
frecventei si tensiunii, si implicit o viteza modificabila
în limite relativ largi, îmbunatatind astfel eficienta
globala a sistemului.
Articolul de fata se ocupa de motoarele
uzuale de mica putere (sub 10 kW) care însa la nivel
global consuma peste un sfert din energia electrica
produsa în lume, dar a caror putere totala instalata
globala poate egala (datorita nesimultaneitatii în
exploatare) puterea tuturor centralelor electrice în
functiune.
Majoritatea
lucrarilor
actuale
privind
motoarele asincrone au drept obiectiv realizarea unor
performante dinamice cât mai ridicate ale acestora în
conditiile în care functionarea lor sa fie asigurata într-o
gama de viteza cât mai ridicata. Pe baza experientei
însa s-a constatat ca în marea majoritate a aplicatiilor
industriale, nu super-performantele dinamice sunt
cele mai apreciate ci performantele de regim
stationar, iar în ceea ce priveste domeniul de reglare
a vitezei, aceasta se face în limitele relativ reduse
Motoarele asupra caror ne concentram în
aceasta lucrare nu sunt destinate exclusiv aplicatiilor
de vârf, dinamica lor fiind mai putin importanta,
aspectele energetice fiind precumpanitoare. Mai mult
decât atât, chiar si capacitatea de reglare ultraprecisa
a turatiei lor nu este primordiala, deoarece marimea
finala urmarita de sistemul global nu este viteza
instantanee a masinii, ci marimi globale ca debitul,
presiunea sau temperatura. Deoarece motoarele
studiate functioneaza în multe cazuri alimentate prin
intermediul unor convertoare de frecventa, analiza
trebuie sa fie facuta asupra întregului ansamblu.
Astfel, randamentul energetic se refera la ansamblul
motor-convertor, factorul de putere nu se mai refera la
motor ci la redresorul ce alimenteaza invertorul
sistemului, armonicile de curent generate nu mai sunt
produse de masina ci de etajul de conversie curent
alternativ/curent continuu, fiabilitatea nu se mai refera
numai la masina ci si la convertizor pentru care
depasirea chiar pe timp foarte scurt a limitelor de
umiditate sau temperatura îi pot fi fatale.
Rezulta ca o analiza completa se poate face
numai tinând cont de interactiunea dintre partea
electromecanica (masina), partea electronica de
putere: (convertizorul c.a. - c.c. - c.a.), partea de
comanda si partea de utilizare (pompa, compresorul
etc.).
În functie de cerintele sarcinii, masina poate
functiona continuu sau intermitent astfel încât
parametrii de iesire ai instalatiei (pompe, ventilatoare
etc.) sa fie cei doriti. Utilizarea motoarelor alimentate
intermitent de la retea conduce la reducerea duratei
de viata a masinii si evident si a instalatiilor de
actionare. Astfel, un motor normal proiectat a
functiona continuu 20 de ani, în cazul utilizarii sale
într-o instalatie cu 6 porniri/opriri pe ora, îsi va
consuma "viata" normala în mai putin de un an.
Evident ca suprasolicitarile repetate electrice, termice
si mecanice reduc substantial viata masinii. Utilizarea
convertoarelor statice de frecventa permite nu numai
o continua reglare a vitezei masinii, ci reduce totodata
si aceste tipuri de solicitari, ceea ce evident asigura
reducerea cheltuielilor de exploatare. Totodata,
utilizarea acestor sisteme de frecventa variabila a
permis extinderea domeniului de utilizare a masinilor
asincrone si în domenii de aplicatii în care sunt
necesare viteze foarte mari. Pe baza cataloagelor
firmelor constructoare de masini de mica putere se
poate trasa un grafic cu limite superioare de viteza
functie de puterea lor nominala (Fig. 1).
n[rot/min]
puteri nominale [kW]
Fig. 1 Variatia vitezei maxime a motoarelor
asincrone
10kW
Asa cum am aratat anterior, în tarile
industriale dezvoltate, aproape aproximativ jumatate
din energia electrica produsa este consumata de catre
motoarele electrice, în buna parte din aceasta de
catre motoarele asincrone si ca atare randamentul
acestora este deosebit de important. Într-un studiu
recent al Departamentului Energiei din Statele Unite
se arata ca utilizarea de motoare asincrone de
eficienta ridicata comandate adecvat poate reduce
consumul lor de electricitate între 11% si 18%. Într-un
singur an un motor asincron poate consuma energie
electrica în valoare de 10 ori mai mare decât valoarea
sa de achizitie si din aceasta cauza o îmbunatatire a
eficientei lor si a sistemelor de comanda poate fi
amortizata într-un termen foarte scurt, în general între
an si doi. Un motor de randament ridicat "premium"
(cu încarcari electrice si magnetice mai scazute, deci
de dimensiuni mai ridicate) prezinta pierderi mai
coborâte cu 10÷40% (respectiv un randament crescut
cu 1-10%) si costa cu 15-30% mai mult decât un
motor standard. Identic, se poate demonstra ca din
punct de vedere economic pentru motoare pâna la
100 kW deteriorate, este mai economic înlocuirea lor
cu motoare noi decât sa fie rebobinate. Experienta
arata ca rebobinarea unui motor vechi reduce
randamentul acestuia cu 1-3% fata de performantele
initiale.
Problema motoarelor "economice" a aparut
dupa cresterea pretului petrolului din 1973 si este de
remarcat ca primii care si-au aratat interesul au fost
cercetatorii de la NASA (Frank Nola 1973). În anii
care au urmat, Statele Unite au obligat prin lege
comercializarea si utilizarea în exclusivitate a
motoarelor "energy efficient" EPACT (Federal Energy
Policy Act of 1992), performantele acestora fiind
definite prin standardele NEMA (National Electrical
Manufacturers) si CSA (Canadian Standard
Association) (vezi Fig. 2) .
Randament [%]
Sarcina [% din sarcina nominala]
motoare
premium
motoare
normale
(standard)
Fig. 2 Randamentul functie de sarcina al motoarelor
asincrone normale si de randament ridicat al
motoarelor de 7kW
De remarcat ca un motor normal prezinta un
randament maxim de 89%, în timp ce un "super"
motor de aceeasi putere poate atinge 93%. Se
observa, de asemenea, faptul ca pe masura ce
sarcina scade are loc o reducere a randamentului
acestora. Pierderile Joule în înfasurari scad pe
masura ce sarcina se micsoreaza, în timp ce
pierderile în fier ramân constante contribuind în buna
masura la reducerea randamentului.
tensiunea aplicata [V]
P
N
3/4 P
N
1/2 P
N
1/4 P
N
fara sarcina
Fig. 3 Efectul modificarii tensiunii asupra pierderilor
din motor pentru diverse sarcini
Aceasta observatie sugereaza ideea ca o
posibila reducere a pierderilor în fier se poate face
prin reducerea tensiunii de alimentare la sarcini sub
cea nominala.
Variatia pierderilor în masina functie de
tensiunea de alimentare si diverse sarcini este
prezentata în Fig. 3, remarcându-se faptul ca fiecarei
sarcini în parte îi corespunde o tensiune optima de
alimentare.
Evident, pe masura ce tensiunea scade si
fluxul din întrefier se reduce corespunzator, pentru a
se
asigura
producerea
aceluiasi
cuplu
electromagnetic este necesara o crestere a curentului
din masina. Drept urmare, sub o anumita valoare a
tensiunii, pierderile Joule din înfasurari încep sa
creasca mai repede decât scad pierderile în fier.
Economisirea de energie pe aceasta cale este
eficienta doar pentru sarcini reduse ale masinii si
evident este nula pentru sarcina nominala. Solutia
este interesanta pentru a fi utilizata în cazul masinilor
ce lucreaza cu ciclu intermitent, Fig. 4.
Procentul de timp de functionare
a masinii la sarcina nominala
1/4 sarcina
1/2 sarcina
3/4 sarcina
fara sarcina
Procentul de timp de functionare
a masinii la sarcina nominala
1/8 sarcina
1/4 sarcina
fara sarcina
Fig. 4 Puterea economisita functie de timpul în care masina functioneaza în sarcina nominala, iar restul de timp
la sarcina afisata a) motor monofazat b) motor trifazat
Un studiu recent al Institutului de Cercetari
pentru Energie Electrica din Statele Unite (EPRI)
arata ca peste 60% din motoarele asincrone din SUA
functioneaza în medie sub 60% din puterea lor
nominala. Pentru astfel de cazuri se recomanda
utilizarea unor variatoare de tensiune trifazate cu
tiristoare sau triace, Fig. 5. De exemplu, pentru
acelasi motor de 10kW care functioneaza cu sarcina
intermitenta mediata de 30%, economia de energie
este aproximativ de 500 USD pe an, iar controlerul se
amortizeaza în ceva mai mult de 12 luni.
Masina
asincrona
Fig. 5 Variator de tensiune cu tiristoare
montate în antiparalel
Functie de destinatie, motoarele asincrone
sunt utilizate atât în aplicatii în care prin specificatia
de lucru trebuie sa functioneze cu viteza variabila
comandata sau în aplicatii în care marimea urmarita
este iesirea ansamblului motor asincron - pompa,
ventilator etc., respectiv, debit, presiune sau
temperatura.
Daca în primul caz lucrurile sunt clare si
solutia este unica - utilizarea convertoarelor statice de
frecventa (CSF), în al doilea caz solutia depinde de
considerente economice si de ciclul de functionare al
instalatiilor. Pentru o instalatie de pompare care
functioneaza la sarcina nominala si viteza nominala,
care umple un rezervor de apa dupa care se opreste
si îsi reia ciclul dupa câteva minute sau ore, este
suficienta utilizarea unui motor cuplat direct la retea,
în timp ce pentru alta instalatie de acelasi tip dar la
care debitul este reglat în limite largi cu ajutorul unei
vane, o functionare cu viteza variabila a masinii de
antrenare pare deosebit de atractiva.
Alegerea unei astfel de solutii CSF este ca si
în cazul variatoarelor de tensiune dependenta de
ciclul sarcinii si a numarului de ore de functionare pe
an.
Comanda frecventei permite nu numai
reglarea vitezei motorului dar producerea totodata de
catre masina a unui cuplu nominal la pornire în
conditii de alimentare la curent nominal. Aceasta
caracteristica face posibila utilizarea în actionarile
alimentate de la convertoare de frecventa a unor
motoare cu rezistenta rotorica redusa, deci din clasa
"super" eficiente.
Trebuie sa se tina cont însa ca utilizarea unui
convertor de frecventa pe alimentare, prin pierderile
suplimentare pe care le introduce, conduce totodata si
S a r c i n a [ % d i n s a r c i n a n o m i n a l a ]
Randamentul convertorului
Randament sistem
(motor asincron cu viteza variabila
Randament motor
(condus de convertor)
Fig. 6 Randamentul motorului si a convertorului.
la reducerea randamentului
global de
exploatare a ansamblului, reducere de care trebuie sa
se tina seama în alegerea solutiei finale (Fig. 6).
În afara efectelor evident pozitive ale utilizarii
sistemelor cu viteza variabila, prezenta convertorului
static de frecventa (Fig. 7) conduce si la o serie de
dezavantaje care evident trebuiesc compensate.
Astfel, deoarece în majoritatea aplicatiilor industriale
invertorul este alimentat printr-un ansamblu redresor
necomandat / condensator de filtrare, datorita
armonicilor produse, factorul de putere al sistemului
nu depaseste în plina sarcina 0.75-0.80.
Pe lânga pierderi suplimentare în restul
instalatiilor sau la restul consumatorilor, în cazul în
care armonicile se nu se anihileaza local cu ajutorul
unor filtre active, este necesara o supradimensionare
a instalatiei de alimentare cu aproximativ 25%.
t
t
t
t
t
t
Masina
asincrona
Redresor necomandat
Invertor
D
D
D
D
D
D
Fig. 7 Grup redresor necomandat cu diode - invertor cu IGBT-uri
O a doua problema este cea a efectului
formei tensiunii asupra reducerii vietii de functionare a
masinii. Acest fenomen este amplificat în cazul în care
distanta dintre convertor si sarcina este peste 15-20
metri. Datorata faptului ca fiecare puls al tensiunii de
alimentare printr-un fenomen de reflexie, poate practic
dubla tensiunea la bornele masinii, se poate
suprasolicita izolatia pâna la o distrugere rapida. O
solutie este reprezentata fie de utilizarea unor cabluri
specifice cu pierderi în izolatie mai ridicate, fie prin
introducerea unor disipatori de energie la bornele
masinii.
O a treia problema în cazul functionarii
masinii la viteza variabila, este cea a atingerii
frecventelor mecanice de rezonanta. În astfel de
situatii sistemul de comanda nu trebuie sa permita
functionarea decât în regim tranzitoriu la aceste
viteze.
Existenta unui astfel de convertor si a unui
sistem de comanda performant permite reducerea
suplimentara a pierderilor din masina prin comanda
adecvata a fluxului magnetic din întrefier functie de
sarcina, astfel încât functionarea sa aiba loc nu la flux
normal (cum se realizeaza în mod curent) ci la
randament maxim. Modificarea simultana a frecventei
tensiunii de alimentare si sarcinii implica însa tehnici
de comanda mai sofisticate de tipul Fuzzy sau a
Retelelor Neurale.
O a patra problema legata de functionarea
eficienta a motoarelor asincrone este cea a
compensarii factorului de putere. Un factor redus de
putere este produs atât de curentul de magnetizare al
masinii cât si de convertoarele electronice aferente
(prin puterea reactiva si deformanta produsa sau
consumata). Un factor de putere scazut produs de o
sarcina inductiva poate fi compensat relativ simplu cu
ajutorul bateriilor de condensatoare, în timp ce un
factor de putere redus datorat curentului deformant
necesita pentru compensare filtre de armonici statice
sau active complicate si de pret de cost ridicat.
De remarcat ca desi multi fabricanti de
convertoare de frecventa afirma ca produsele lor
functioneaza la un factor de putere chiar mai bun de
0,95, în realitate, acesta este între 0,5 si 0,75
(probabil ca se face o confuzie voita între factorul de
putere si cos ϕ, ceea ce se poate explica prin faptul
ca puterea reactiva se masoara separat si 1kVARh se
plateste cu o zecime din pretul unui kWh, în timp ce
sub anumite limite de deformare a tensiunii si
curentului preluat de la retea, puterea deformanta nici
nu se masoara si nici nu se plateste înca).
Compensarea factorului de putere se poate
face global pentru toate motoarele consumatorului
prin baterii de condensatoare conectate la intrare, fie
la bornele fiecarui motor asincron în parte alimentat
direct de la retea. Prima solutie aplicabila evident în
exclusivitate în lipsa sarcinilor deformante, necesita
adesea si un control continuu a puterii reactive
produse (deoarece sarcina totala se poate modifica
functie de procesul tehnologic) cel mai adesea prin
simpla conectare sau deconectare a unui numar mai
mare sau mai mic de condensatoare.
A doua posibilitate este o distribuire a
compensarii puterii reactive prin legarea în
permanenta la bornele fiecarui motor asincron
(evident alimentate direct de la retea) a unei baterii de
condensatoare adecvat acordata.
Desi în timpul functionarii puterea reactiva se
"consuma" nu numai de inductivitatea de magnetizare
(fiind functie de tensiunea de alimentare) ci si pe
inductivitatile de scapari (ponderea acestei puteri este
însa mult mai scazuta si functie de sarcina), din
motive tehnice si economice compensarea se face
numai pentru prima categorie.
Curentul de magnetizare al unui motor
asincron poate varia destul de mult functie de putere,
de tip si de producator, de la 20% pâna la 60% din
curentul nominal si este de dorit ca acestea sa se
masoare înainte de a se lua orice masuri de
compensare. În general se recomanda sa se
compenseze nu mai mult de 80% din curentul de
magnetizare al motorului pentru a se evita fenomene
de rezonanta electrica a masinii. Daca motorul este
supracompensat, la deconectarea sursei de
alimentare masina se poate autoexcita. O data cu
scaderea vitezei prin frânare naturala, frecventa
tensiunilor si curentilor pot atinge frecventa naturala a
circuitului format de înfasurarile masinii si
condensatoarele de compensare. Drept urmare,
curentii ce iau nastere pot depasi curentii nominali si
se poate ajunge atât la distrugerea bateriei cât si a
masinii.
Evident situatia este complet diferita în cazul
alimentarii masinii de la echipamente electronice de
putere care produc curenti deformati si implicit
armonici de curent. Prezenta la borne a bateriilor de
condensatoare poate permite formarea de circuite
rezonante pe frecvente înalte care pot produce
supracurenti si supratensiuni si distrug atât instalatiile
locale cât si ale altor consumatori.
Situatia se poate remedia prin utilizarea fie a
unui filtru activ care sa compenseze toate armonicile
produse de consumator, fie înlocuirea redresorului
necomandat ce alimenteaza invertorul cu un redresor
PWM realizat cu IGBT-uri, care sa functioneze cu
factor de putere unitar, curentii absorbiti având
aceeasi forma sinusoidala ca tensiunea de alimentare
de la retea (Fig. 8).
Ultima solutie are în plus avantajul ca permite
si frânarea în regim de generator a motorului asincron
cu recuperarea energiei, dar evident conduce practic
la dublarea pretului convertorului ceea ce nu se
justifica
economic
pentru
toate
cazurile.
t
t
t
t
t
t
Masina
asincrona
d
d
d
d
d
d
Redresor comandat
Invertor
T
T
T
T
T
T
D
D
D
D
D
D
Fig. 8 Grup redresor PWM (cu IGBT-uri) - invertor PWM (cu IGBT-uri)
Motorul asincron este recunoscut ca un motor
fiabil, de constructie simpla si care adesea practic nu
necesita nici un fel de întretinere. Datorita faptului ca
aceste motoare pot actiona instalatii tehnologice la
care întreruperea neprogramata poate aduce pagube
însemnate, nivelul cerut de siguranta trebuie sa fie
mai ridicat decât în cazul general.
Dupa nivelul de siguranta impus procesului
tehnologic
utilizat,
motoarele
împreuna
cu
convertoarele aferente se pot împarti în trei categorii:
motoare esentiale - motoare care odata avariate
pot opri întregul proces tehnologic. În cazul cel
mai grav nici chiar înlocuirea motorului în cauza
nu este totdeauna suficienta pentru repornirea
instalatiei si perioada de întrerupere poate sa fie
mult mai mare pâna când se îndeplinesc toate
conditiile tehnologice(de exemplu, la o instalatie
de extrudere evacuarea materialului si curatarea
instalatiei).
motoare critice - motoare a caror avariere nu
opreste întregul proces tehnologic, deoarece pot fi
înlocuite (backup) de alte motoare care pot sa le
ia locul automat (de exemplu motoarele unor
pompe de racire).
motoare obisnuite - motoare a caror avariere
permite functionarea instalatiei pe un termen de
timp limitat chiar si în lipsa lor, timp în care
motorul sau convertizorul poate fi înlocuit sau
chiar reparat (de exemplu în cazul instalatiilor de
ventilatie).
Concluzii
Exista trei solutii care pot îmbunatati situatia,
evident în special pentru cazul motoarelor esentiale
sau critice:
utilizarea unor motoare si sisteme de comanda
supradimensionate;
folosirea unor sisteme de monitorizare si diagnoza
care sa permita luarea de masuri înainte ca avaria
sa aiba loc. Reducerea dramatica a preturilor
echipamentelor de calcul, a sistemelor de achizitie
si a traductoarelor cu iesire digitala precum si a
serviciilor de Internet fac aceasta solutie nu numai
atractiva dar si perfect realizabila din punct de
vedere tehnologic si economic.
utilizarea unor solutii de "autoreparare" în timpul
functionarii atât a sistemului de forta cât si cel de
comanda. Un exemplu este acela al alimentarii
motorului de la invertoare cu IGBT-uri la care
punctul slab îl reprezinta distrugerea unuia sau a
ambelor tranzistoare dintr-un brat. Cum aceasta
se materializeaza prin întreruperea curentului pe o
faza, ceea ce echivaleaza cu o functionare
monofazata, solutia este sa se realizeze automat
o alimentare prin doua faze plus nul, realizând o
legatura provizorie dintre punctul median al
bateriei de condensatoare si punctul neutru al
înfasurarii motorului. Printr-o comanda adecvata
are loc o transformare a sursei de tensiune
trifazata într-o sursa de curent bifazata care sa
asigure producerea unui sistem statoric de
solenatii echilibrat si simetric.
Bibliografie:
1. ***, AC Induction Motors, The McGraw-Hill Companies Inc, 2001; https://www.ladwp.com
2. A. Câmpeanu: "Masini electrice - probleme fundamentale, speciale si de functionare optimala", Scrisul Românesc,
3. A. Fransua, R. Magureanu: "Electrical machines and drive systems", Oxford Technical Press, 1984.
4. D. Kisch: "Sisteme de reglare automata a masinilor de curent alternativ", Editura ICPE, 1998.
5. P. Vas: "Sensorless Vector and Direct Torque Control", Oxford University Press, 1998.
6. C. Ilas, A. Bettini, L. Ferraris, G. Griva, F. Profumo: "Comparison of different schemes without shaft sensors for
field oriented control drives", Conf. Rec. IEEE IECON '94, pp. 1579-1589.
|
