![]()
Fizica
Sisteme de reglare automata a viteziei masinii asincrone cu orientare dupa flux rotoric -Universitatea Tehnica "Gh. Asachi" Facultatea de Electrotehnica Specializarea : Tehnici avansate in curenti tari PROIECT Sisteme de reglare automata a viteziei masinii asincrone cu orientare dupa flux rotoric Cuprins: Cap.1 Principiul orientarii dupa campul electric al masinii. Cap.2 Masina asincrona bifazata. Parametri si caracteristici. Cap.3 Simularea pe calculator a principiului orientarii dupa campul rotoric Cap.4 Schema bloc a sistemului complat de reglarea turatiei utilizand principiul orientarii dupa camplul rotoric INTRODUCERE Acest proiect este structurat pe patru capitole, in care am studiat masina asincrona bifazata, functionand in regim de motor, la anumiti parametri de calcul. Modelarea motorului asincron se face cu ajutorul programului Pspice, dupa cunoasterea schemei echivalente a mototrului. Studiul motorului asincron bifazat se face cu ajutorul a 2 scheme echivalente, cate una pentru fiecare axa artogonala, una pentru axa d si alta pentru axa q. Se calculeaza mai intai cuplul nominal am masinii si viteza unghiulara la care acesta se obtine, apoi se calculeaza curentii prin infasurarea statorica, rotorica, respectiv curentul corespunzator inductantei de magnetizare. Se calculeaza pentru motor functionarea la gol cand cuplul rezistent la arbore al motorului este nul. Se face apoi simularea pe calculator a principiului orientarii dupa campul rotoric, apoi in ultima parte a proiectului rezulta schema bloc a sistemului complet de reglare a turatiei utilizand principiul orientarii dupa campul rotoric. Scopul acestei lucrari este de a realiza un servomotor asincron bifazat folosind un sistem de reglare automata. Notiunea de performanta a servomotorului in cazul de fata este legata de posibilitatea de a controla cat mai exact cuplul motorului asincron si implicit turatia sa. Se stie ca orice motor electric dezvolta intotdeauna in mod natural, un cuplu mecanic activ egal ca valoare cu cuplu rezistent existent la arborele sau. Cuplul mecanic activ este in fapt egal ca valoare cu cuplul electromagnetic produs de motor. Prin sistemul de reglare automata se incearca nu incalcarea principilui autoreglarii cuplului, ci scurtarea substantiala a intervalului de timp in care se produce aceasta autoreglare. La masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit nu apare explicit posibilitatea separarii celor doua marimi care produc cuplul: curentul rotoric si fluxul de magnetizare. Masina asincrona cu rotorul in scurtcircuit are o infasurare nealimentata, scurtcircuitata inaccesibila sistemului de reglare. Alimentarea are loc prin stator. Fluxul din intrefier este produs nu numai de curentul statoric, el se datoreste efectului comun al statorului si rotorului. Capitolul 1 Principiul orientarii dupa camp al masinii asincrone La motorul electric, indiferent de tipul tensiunii de alimentare sau de tipul constructiei, cuplul electromagnetic este rezultatul interactiunii fluxului magnetic de excitatie si curentul din indus. In cadrul motoarelor in costructie directa , (cum este si cel asupra caruia ne vom indrepta atentia in continuare), cuplul electromagnetic este dat de interactiunea fluxului magnetic de excitatie din infasurarea statorica sl curentul din infasurarea rotorica. In principiu, dupa tipul tensiunii de alimentare, exista doua mari categorii de servomotoare: servomotoare de curent continuu si servomotoare de curent altemativ (asincrone si sincrone). Expresia cuplului electromagnetic servomotoarele de c.c. este de forma:
Dintre toate tipurile de servomotoare existente, cale mai eficiente din punct de vedere at performantelor raman servomotoarele de curent continuu, insa ele nu sunt tocmai preferate din motive de fiabilitate. Performantele sunt insa bune si se obtin usor din punct de vedere practic exact din cauzele constructive care limiteaza fiabilitatea acestor motoare. Astfel, datorita contactelor alunecatoare se poate inteveni in
circuitul rotoric si regla curentul Expresia cuplului electromagnetic pentru motoarele asincrone este de forma:
In cazul servomotoarelor asincrone, exceptandu-se pe cele cu rotor
bobinat, lucrurile se situeaza la polul opus: datorita coliviei de veverita
curentul rotoric nu poate fi controlat in mod conventional din exterior (deci
dispare posibilitatea reglarii lul O metoda de calcul care sa indice legatura dintre curentul statoric si cele doua marimi care ne intereseaza sa porneste de la analogia intre masina asincrona si masina de curent continuu. La masina de curent continuu cu excitatie separata independenta marimilor care produc cuplul electromagnetic sa realizeaza artificial prin compensarea reactiei indusului cu ajutorul unei infasurari statorice. La masinile de curent alternativ nu mai este nevoie de interventie constructiva, ele fiind autocompensate in mod natural. Independenta marimilor ce produc cuplul masinii de curent alternativ poate fi evidentiata prin metoda de reglare cu orientare dupa camp. In continuare, toate calculele si ipotezele inaintate se fac considerand o masina asincrona bifazata in regim de motor. Analogia dintre masina de curent continuu si masina asincrona se porneste pentru inceput de la diagrama fazoriala a masinii asincrone cu rotor in scurtcircuit in anumite conditii simplificatoare. In cazut masinii cu flux de magnetizare constant, fazorul curentului rotoric este intotdeauna perpendicular pe fazorul fluxului de magnetizare. Dupa scrierea si explicitarea ecuatiilor de tensiuni rotorice si statorice la care se ataseaza relatiile fluxului si curentului de magnetizare se poate construi diagrama fazoriala simplificata a masinii asincrone cu rotor in scurtcircuit. Studiind comparativ masinile de c.c. si de c.a. din punct de vedere al dispunerii marimilor vectoriale flux si curent ce dau nastere cuplului se observa clar analogia intre cele aoua masini in regim de motor. Din punct de vedere fenomenologic, la masina asincrona, curentul rotoric apare datorita inductiei magnetice produse de cimpul magnetic al infasurarii statorice de pe axa q strabatuta de curentul statoric. Curentul rotoric rezultat in urma acestui fenomen este egal ca valoare dar de semn contrar cu curentul statoric corespunzator infasurarii de pe axa q. A doua componenta a curentui statoric se noteaza cu La construirea unui sistem de reglare automata in cadml caruia
procesul este motorul asincron principiul reglarii dupa Traductoarele de Sistemele de reglare automata cu
orientare dupa In cadrul motoarelor asincrone cu rotor bobinat exista doua variante constructive de scheme de reglare automata in functie de marimile masurate. Prima schema se bazeaza pe masurarea directa a campului magnetic din intrefier cu ajutorul traductoarelor precum si pe masurarea curentului statoric in a doua schema campul e deteminat indirect, prin calcul, dupa masurarea curentilor si tensiunilor statorice precum si a vitezei rotorui. A treia schema se refera la motoarele asincrone cu rotor bobinat, in cadrul careia campul este determinat prin masurarea curentilor statorici, rotorici si a vitezei de rotatie a rotorului. Aceasta ultima schema nu se incadreaza in sfera noastra de interes datorita faptului ca motorul asincron este un rotor bobinat, nu cu rotor in scurtcircuit. La prima metoda, marimile masurate sunt chiar cele de reglaj, astfel ca schema este mai putin sensibila la erorile datorate veriatiei parametrilor constructivi ai masinii. La a daua metoda insa, schema de reglare este puternic influentata de variatia rezistentei rotorice si a saturatiei intrefierului, dar nu mai prezinta problemele legate de masurarea corecta a fluxului cu traductoare. A treia schema prezinta avantajele ambelor scheme, insa nu poate fi folosita la moatoarele cu rotor in scurtcircuit. Reglarea bazata pe principiul orientarii dupa Cele mai des folosite scheme sunt cele care realizeaza orientarea dupa fluxul rotoric, deoarece marimile de reglare rezulta mai simplu. In acest caz, fluxul din intrefier masurat direct cu traductoarele se confunda cu fluxul rotoric; de aeeea, traductoarele se plaseaza in intrefierul motorului in timpul asamblarii acestuia. Masurarea fluxului magnetic cu ajutorul traductoarelor prin fenomenul inductiei se face greu si la frecvente foarte joase, fiind practic imposibila frecventa zero. Acest dezavantaj se poate elimina prin utilizarea unor elemente integratoare analogice care prelucreaza valorile masurate ale fazoriior spatiali tensiune si curent statoric. Schemele cu orientare dupe fluxul statoric necesita calcule mal laborioase pantru marimile de camanda si reglare, care daca nu sunt efectuate destul de rapid nu duc la o functionare judicioasa a sistemului de reglare automata. Capitolul 2 Studiul masinii asincrone bifazate Sa presupunem o masina asincrona bifazata functionand in regim de motor, cu urmatorii parametri:
Pentru a putea realiza modelarea motorului asincron folosind programu1 PSpice este necesar sa cunoastem schema echiventa a motorului in cauza. Deoarece studiem un motor asincon bifazat vom avea o schema echivalenta formata din doua scheme similare, cite una pentru fiecare axa ortogonala (una pentru axa d si una pentru axa q). Convenim de aici incolo sa notam cu indici de tipul 1, 2, , n marimile ce caracterizeaza scheme corespunzatoare axei d, iar cu indici de tipul 11, 12, . ,1n in marimile ce caracterizeaza scherma corespunzatoare axei q.
Dispunand de aceste date nominale, de schema electrica echivalenta si cu ajutorul programului de simulare (prezetat chiar la sfarsitul Capitolului 3) vom studia in PSpice comportarea motorului asincron bifazat si vom incerca sa obtinam o serie de parametri care ne intereseaza. 1)Pentru inceput, vom calcula cuplul nominal al masinii si viteza ungiulara la care acesta se obtine.
Putem exprima puterea nominala a masinii in functie de cuplul si viteza unghiulara a acesteia: Stim ca viteza unghiulara de sincronism a masinii (a rortorului) este data de relatia: Inlocuind in relatia precedenta,
obtinem : Folosind programul PSpice vom simula funtionarea masinii, introducand puterea nominala si cuplul corespunzator turatiei de sincronism, vom obtine in urma simularii, valoarea reala a vitezei unghiulare a masinii asincrone. (Evident, aceasta valoare trebuie sa rezulte mai mica decat cea corespunzatoare turntiei de sincronism). In urrma primei simulari, se obtine: In urrma celei de-a doua simulari, se obtine: In urrma celei de-a treia simulari,
se obtine : In urma continuarii
simularilor pentru valori descrescatoare ale lu 2)Curentii prin infasurarea statorica, rotorica, respectiv curentul corespunzator inductantei de magnetizare au valorile
Fluxul rotoric dupa axa d
are valoarea de 1.05 Wb, iar tensiunea la bornele inductantei de magnetizare este de 333.346 V, apoi de 310.1 V. Dafazajul intre fluxul magnetic rotoric Ne intereseaza insa determinarea defazajului intre tensiunea si curentul statoric, in scopul determinarii factorului de putere al motorului asincron. Evident, factorul de putere rezultat in urma simularii si a calculelor va avea o valoare mai mare decat cea a motorului real, din cauza idealizarii masinii in cadrul simularii. Din simulare rezulta:
Calculam valoarea defazajului: => Deci, factorul de putere este : cos 3)Functionarea in gol Viteza unghiulara in gol, cuplul rezistent la arborele motorului este nul, deci Viteza unghiulara corespunzatoare este Procedand analog, vom determina defazajul intre tensiunea si curentul statoric, in scopul determinarii factorului de putere. Se obtine :
In urma unor simulari succesive pentru valori crescatoare ale
vitezei unghiulare 18.972 20.451 20.449 22.125 22.125 24.035 24.035 28.583 28.583 Se observa ca incepand de la valori mai mari de 60 rad/s ale vitezei unghiulare, cuplurile electromagnetice maxim si minim devin egale ca valoare si totodata crescatoare. Cuplul maxim sa obtine pentru Capitolul 3 Simularea pe calculator a principiului orientarii dupa cimpul rotoric Dupa cum s-a explicat mai pe larg in Cap. 1, masina asincrona in regim de motor (servomotor) poste fi comandata doar plin intermediul curentului statoric. Curentul statoric In cadrul schemei bloc a sistemului complet de reglare a turatei, partea cea mai importanta o ocupa schema bloc a orientarii dupa campul rotoric, prezentata in Fig. 1.
Fig. 1. Schema bloc a orientarii dupa campul rotoric Schema bloc ce ilustreaza principiul orientarii dupa campul
rotoric are ca marimi de intrare intr-o prima faza cei doi curenti
Unghiul este evaluat cu ajutorul informatiei continute de valorile
fluxuriior In cadrul blocului D(- Cele doua valori numerice 'dorite' ale curentilor sunt marimi de intrare pentru un bloc (nenotat pe schema pnncipala) care este de fapt o sursa de curent Ea peate fi un convertor static de frecventa alimentat cu tensiune trifazata sau, ca in cazul de fata, un circuit mult mai simplu alimentat cu tensiune continua (Fig. 5). In Fig. 4 se prezinta schema bloc a sursei de curent utilizata in cadrul simularii pe calculator.
Fig. 4
Fig. 5 Este evident faptul ca tipul de sursa de curent propus in Fig. 5
este mai simplu de realizat din punct de vedere practic (in plus nu necesita
retea trifazata de tensiune) si mai ieftin ca pret. Tot evident este insa si
faptul ca aceasta sursa nu poate realiza curentul de forma sinusoidala pe care
il necesita motorul asincron. Modul de functioare al sursei relzulta in operarea
corespunzatoare (inchideri si deschideri succesive) ale calor doua
intrerupatoare Totusi, in practica, aceasta caracteristica a curentului nu deranjeaza deoarece din cauza inertiei rotorul nu poate urmari micile 'abateri' ale curentului de la forma sinusoidala. Este clar totodata ca daca intrerupatoarele sunt comandate mai riguros, cu atat si abarerile de la sinusoida se vor incadra intre limite mai reduse. In Fig. 6 avem caracteristica i(t) pentru o asemenea sursa de curent. Cu rosu - forma de unda a curentului care se obtine, iar cu albastru forma sinusoidala ideala. Curentul
Cu ajutorul sistemului descris de schema bloc de mai sus, exista in
sfarsit posibilitatea de a controla riguros cuplul electromagnetic si turatia
(viteza unghiulara) a rotorului motorului asincron. Se mai impune o
observatie: curentul In cadrul programuiui de simulare realizat in PSpice, calculul fluxului electromagnetic si a marimilor mecanice nu poate fi facut automat, si de aceea se recurge la crearea unor circuite electrice elementare auxiliare cu surse de tensiune comandate (si/sau surse de curent) care sa ofere drept rezultat marimile amintite mai sus.
[D(
Eflr 7 0 Value =
Ecos 8 0 Value = Ecos 9 0 Value =
Gisd 0 1 Value = Gisq 0 11 Value = La finalul acestui capitol, dupa prezentarea schemei circuitului echivalent (in Capitolul 2), a modului de calcul a marimilor care ne intereseaza (ilustrat mai sus) si a rezultatelor obtinute in urma simularii (tot in Capitolul 2), vom prezenta programul camplet realizat in PSpice cu ajutorul caruia s-au obtinut rezultatele: modelul ortogonal al mat .param Rs=5.5 .param Lss=29.9m .param Lm=0.41m .param Lsr=28.2m .param Rr=4.7 .param J=50m .param Fa=5.4m .param W=0 * parametrii axei d * Rsd 1 2 Lssd 2 3 IC = 0 Lmd 3 0 IC = 0 Rrd 5 4 Lsrd 4 3 IC = 0 Ed 0 5 value = * parametrii axei q * Rsq 11 12 Lssq 12 13 IC = 0 Lmq 13 0 IC = 0 Rrq 15 14 Lsrq 14 13 IC = 0 Eq 15 0 value = * marimi mecanice * Gme 0 21 value = Gmr 21 0 0 Cj 21 0 0 IC =0 Ra 21 0 0 surse de alimentare in tensiune * Erd 1 0 value = Esd 11 0 value = * calcul flux * Eflrd 6 0 value = Eflrq 16 0 value= R6 6 0 1 R16 16 0 1 Eflr 30 0 value = R30 30 0 1 *Analiza axe flux * Esin 31 0 value = Ecos 32 0 value = Vp 33 0 pml (0 1 1m 0 ) R31 31 0 1 R32 32 0 1 R33 33 0 1 *Comparator cu histerezis * Ged 0 41 value = Geq 0 42 value = R41 41 0 R42 42 0 C41 41 0 C42 42 0 Esgrd 43 0 value = Esgnq 44 0 value = R43 43 0 R44 44 0 C43 43 0 C44 44 0 Gisdi 0 51 value = Gisdi 0 52 value = R 51 51 0 1 R 52 52 0 1 * rotire axe alimentare * Gind 0 1 value = Ginq 0 11 value = VIR 61 0 2,17 VIA 62 0 PVVL (0 0 0,1 0 0 11 10 ) R 34 34 0 1 R35 35 0 1 .PROBE .Tran 0 0,5 0 0,1 m VIC .END Capitolul 4 Schema bloc a sistemului complet de reglare a turatiei utilizand principiul orientarii dupa campul rotoric Dupa cum s-a indicat inca de la primul capitol, scopul acestui studiu a fost realizarea unui dispozitiv prin care sa se controleze cu mare precizie turatia si cuplul unui motor asincron bifazat, reusind transformarea acestuia intr-un servomotor asincron. Ca in cazul majoritatii sistemelor sau proceselor cu aplicatii practice, este nevoie ca procesul in cauza (in cazul de fata motorul asincron) sa fie controlat prin intermediul unui sistem de reglare automata. Schema de principiu a unui sistem de reglare automata se prezinta sub forma celei din Fig. 7, cu o singura bucla de reactie neagativa (si cu x respectiv y marimea de intrare respectiv de iesire).
Schema bloc a sistemului complet de reglare a turatiei (Fig. 8) este construita tot pe principiul ilustat mai sus, dar este ceva mai complexa. In cadrul schemei complete sa regaseste schema bloc a orientarii dupa campul rotoric, prezentata in Capitolul 3 in Fig. 1. Schema bloc completa o include pe aceasta dar mai contine inca cateva elemente noi in comparatie cu schema de principiu din Fig. 7. Inprimul rand, exista doua circuite de reactie negativa (si in
consecinta doua regulatoare), precum si trei traductoare; dintre acestea, doua
traductoare sunt de acelasi tip (traductoare de camp), dar al treilea este traductor de turatie care furnizeaza informatii cu pivire
la viteza unghiulara
Aceasta schema transforma motorul asincron bifazat obisnuit intr-un servomotor. Dupa alimentarea cu tensiune electrica si introducerea marimilor de utlizare sistemul este gata de utilizare ,oferind performantele specifice unui servomotor si fiabilitatea unui motor asincron, ambele la un pret rezonabil.
|