APLICAŢIILE MOTORULUI ASINCRON CA GENERATORLA O MICROHIDROCENTRALĂ

1. Generalităţi. Microhidrocentrala se compune din:- acumulare de apă- conductă de aducţiune- turbină- generator- echipamentul de măsură şi reţea în care se furnizează energia electrică- echipamentul de automatizare- sistem pentru reglarea debituluiPropunem ca generator un motor asincron care să funcţioneze în regim de generator. Avantajele acestui tip de generator sunt: posibilitatea procurării la costuri mai mici (uneori chiar şi prin recuperare din instalaţii dezafectate), stabilitate la variaţii ale sarcinii, nu necesită surse pentru excitaţie, etc. Turbina se alege în funcţie de acumularea de apă şi de debitul conductei de aducţiune. În aplicaţia pe care o prezint şi la care am efectuat punerea în funcţiune s-a folosit o turbină PELTON cu 70 de cupe, produsă la UCM Resiţa, alimentată prin cădere liberă de la un baraj situat la distanţa de circa 350m şi înălţimea de 70m. Turbina este cuplată la un generator asincron şi execută 750 rot/min. Automatizarea sistemului este realizată cu un automat programabil (PLC) modular Moeller, PS 416 şi software Sucosoft S40. Ca generator se foloseşte un motor asincron produs la Electromotor Timişoara având următoarele = 88%,ηcaracteristici: Pn = 30kw, cosφ = 0,79, n = 750rot/min (8poli).2. Regimurile de funcţionare ale motorului asincron. Motorul asincron este o maşină electrică de curent alternativ, cu câmp magnetic învârtitor, compus din stator şi rotor. Se numeşte asincron datorită faptului că turaţia rotorului este diferită de turaţia sincronă a câmpului magnetic învârtitor. Motorul asincron poate funcţiona stabil în trei regimuri: - de motor, maşina transformă puterea electrică primită de la reţea în putere mecanică cedată pe la arbore. - de generator, maşina transformă puterea mecanică primită pe la arbore în putere electrică. - de frână, maşina asincronă primeşte putere mecanică pe la arbore şi energie electrică de la reţea şi le transformă ireversibil în căldură.3. Funcţionarea motorului asincron ca generator. În cele ce urmeazăconsiderăm cunoscut funcţionarea maşinii asincrone în regim de motor. Se introduc notaţiile: - n1, viteza de rotaţie a câmpului magnetic învârtitor - n2, viteza unghiulară de rotaţie a rotorului- p, numărul perechilor de poli- s, alunecarea

s =(n1 - n2)/n1- M, cuplul electromagnetic- PCu, pierderile în bobinaj - PFe, pierderile în miezul magnetic- Pm, pierderi mecanicePentru a descrie funcţionarea motorului (maşinii) asincron ca generatorconsiderăm că este conectat la o reţea trifazată şi funcţionează în regim de motor. În acest caz 2 în sensul câmpului învvârtitor prodisΩrotorul se roteşte cu viteza unghiulară 1. Dacă motorul funcţioneazăΩde statorcare se roteşte cu viteza de sincronism în gol (fără sarcină) absoarbe de la reţea puterea activă necesară acoperirii pierderilor mecanice Pm, pierderilor în miezul statoric PFe, pierderilor în cupru PCu cât şi o puterea reactivă necesară magnetizării.Dacă cuplăm un motor electric exterior la rotorul maşinii asincrone care roteşte maşina 2Ωasincronă cu o viteză > 1 atunci alunecarea maşinii asincrone devineΩ negativă. Existând o viteză relativă între rotor şi câmpul magnetic învârtitor, în rotor se induc tensiuni electromotoare şi curenţi electrici. Asupra rotorului acţionează un cuplu electromagnetic M care are o valoare negativă:În acest regim maşina asincronă absoarbe de la motorul de antrenare o putere mecanică care acoperă pierderile mecanice, pierderile în înfăşurări cât şi pierderile în miezul magnetic. De la reţeaua de alimentare maşina absoarbe o putere reactivă pozitivă destul de importantă.

4. Conectarea generatorului asincron la o reţea trifazată de putere infinită. Am definit reţeaua trifazată ca fiind de putere infinită considerând că are un număr mare de generatoare conectate în paralel astfel încât orice variaţie de valoare finită de sarcină să nu afecteze variaţii ale mărimilor reţelei (tensiune, frecvenţă). Fluxul magnetic al maşinii asincrone care funcţionează în regim de generator şi este conectată în paralel la o reţea trifazată de putere infinită este dat de curentul de magnetizare absorbit de la reţea şi care are o valoare de (20 – 25)% din valoarea curentului nominal. Rezultă şi o putere de excitaţie necesară cam de aceeaşi valoare din puterea generatorului sincron. Asta înseamnă că pentru patru generatoare asincrone este nevoie de un generator sincron care să furnizeze această putere reactivă. Aceasta reprezintă principalul dezavantaj.Conectarea generatorului asincron la reţea se face relativ simplu: rotorul se aduce la turaţia apropiată de cea sincronă si de acelaşi sens cu viteza câmpului. 5. Funcţionarea generatorului asincron autoexcitat. Dacă generatorul asincron funcţionează izolat el trebuie sa fie autoexcitat. Aceasta se obţine prin aducerea rotorului la viteza de sincronism şi conectarea la bornele generatorului a unei baterii de condensatoare. Când rotorul este pus în mişcare de motorul primar, câmpul remanent devine câmp îmvârtitor de viteză n1 faţă de stator. Fluxul produs induce în fiecare înfăşurare a statorului o tensiune electromotoare indusă de frecvenţă f 1 = pn1 Aceată tensiune aplicată bateriilor de condensatoare produce /2 în urmă faţă deπîn statorul maşinii curentul Io1 defazat cu aproape tensiunea la borne U1. Astfel tensiunea la bornele maşinii creşte repede până la valoarea nominală.Avantajele generatorului asincron autoexcitat:- lucrează în regim stabil pentru sarcină activă cât şi pentru sarcină inductivă- frecventa poate fi variată prin modificare capacităţii bateriilor de condensatoare- tensiunea generatorului variază liniar cu frecvenţa- conectarea receptoarelor se poate face inainte sau după conectarea bateriilor de condesatoare.- ţinând seama de uşurinţa realizării bateriilor de condensatoare automate se poate spune ca soluţia cu generatoarele asincrone poate fi utilizata cu succes la aplicaţii economice

Am nevoie de ajutor. La actionari (materie de la facultate) ne-a dat sa proiectam o scheme de comandă reversibilă a unui motor asincron trifazat cu interblocare la comanda simultană în ambele sensuri.

Schema de mai sus evita scurtcircuitul care ar putea fi cauzat de actionarea motorului in ambele sensuri. Daca motorul este actionat intr-un sens, apasarea butonului de inversarea (Sr) nu fucntioneaza .

Problema e ca daca vrem sa schimbam sensul de functionare , trebuie mai intai oprit sensul in care functioneaza motorul si dupa sa actionam motorul in sesnul invers. Eu am de proiectat o schema in care schimbarea sensului de functionare sa opreasca automat sensul in care functioneaza motorul .

Mai pe scurt : momentan schema functioneaza asa : motor pornit ; apasam inversare , nu se intampla nimic; oprim sensul curent, apasam inversare => se inverseaza sensular trebui sa functioneze asa: motor pornit ; apasam inversare => sensul curent este oprit automat , iar motorul functioneza in sens invers iop95May 5 2008, 16:18

Cea mai simpla varianta ar fi ca cele 2 butoane de sens sa aiba cate un contact NC care sa deschida mai repede decat inchid cele NO; aceste contacte NC se vor inseria cu butoanele de oprire similar ca cele de protectie K1 si K2; adica NC de la S2 pe bratul SR si vice-versa.

em2006May 5 2008, 21:34QUOTE (iop95 @ May 5 2008, 16:18) ...cele 2 butoane de sens sa aiba cate un contact NC care sa deschida mai repede decat inchid cele NO; aceste contacte NC se vor inseria cu butoanele de oprire similar ca cele de protectie K1 si K2...

Daca face asa, va trebui sa renunte la interblocajul asigurat de catre contactele NC ale K1 si K2 inseriate cu bobinele contactoarelor, interblocarea fiind asigurata in acest caz doar de catre contactele NC ale butoanelor S1, S2.Desi simpla, in practica eu n-as alege aceasta solutie, decat poate, daca contactoarele ar fi de tipul cu interblocaj mecanic. Schema de care vorbim ar fi asa:

iop95May 5 2008, 21:48Da, este cam acelasi lucru; interblocajul realizat de catre contactele NC ale K1 si K2 ar fi bine sa ramana pentru siguranta suplimentara. em2006May 5 2008, 23:56QUOTE (iop95 @ May 5 2008, 21:48) ...interblocajul realizat de catre contactele NC ale K1 si K2 ar fi bine sa ramana pentru siguranta suplimentara.

Daca raman, ce se poate face e o varianta in care motorul e pornit doar in perioadele cand butoanele sunt apasate, deci fara automentinerea comenzilor, schema fiind asta:

[ naeTVMay 6 2008, 01:09Contactorii uzuali au 3 cleme( contacte) pentru curenti mari si 4 pentru curenti mici , folositi in circuitul de comanda.Pentru interblocare se folosesc contacti normal inchis-NI-iar pentru mentinerea comenzii se folosesc contacti normal deschis-ND-legati in paralel pe butoanele de pornire-sens.

Click to view attachment iop95May 6 2008, 09:50La aceasta varianta - schimbarea de sens se poate face numai dupa actionarea butonului STOP. Varianta de mai sus permite schimbarea de sens direct, prin actionarea unuia dintre butoanele de sens.

naeTVMay 6 2008, 10:06QUOTE (iop95 @ May 6 2008, 09:50) La aceasta varianta - schimbarea de sens se poate face numai dupa actionarea butonului STOP. Varianta de mai sus permite schimbarea de sens direct, prin actionarea unuia dintre butoanele de sens.

Da ,dar are mentinere,cealalta varianta functioneaza atita timp cit tii mina pe buton. naeTVMay 6 2008, 11:37Si in plus stii ce inseamna sa schimbi sensul de rotatie din mers? em2006May 6 2008, 16:52

QUOTE (naeTV @ May 6 2008, 11:06) Da ,dar are mentinere,cealalta varianta functioneaza atita timp cit tii mina pe buton.

QUOTE (naeTV @ May 6 2008, 12:37) Si in plus stii ce inseamna sa schimbi sensul de rotatie din mers?

Am precizat in postul #5 care insoteste schema in discutie, ca "motorul e pornit doar in perioadele cand butoanele sunt apasate, deci fara automentinerea comenzilor"

Am postat totusi aceasta schema intrucat consider ca se incadreaza in conditiile impuse in postul #1 de catre cel care a initiat discutia. Acestea sunt:-"o scheme de comanda reversibila a unui motor asincron trifazat cu interblocare la comanda simultana in ambele sensuri" si-"schimbarea sensului de functionare sa opreasca automat sensul in care functioneaza motorul", neprecizandu-se ca ar fi obligatorie automentinerea.Variantele propuse de iop95 in post#2 si de mine in post#3 si post#5 cauta sa respecte conditiile impuse de proiect.

Schema pe care o propui nu intruneste conditiile impuse de proiect, cu toate ca e mult mai corecta pentru inversari de sens,evitand suprasolicitarile motorului. De fapt asa se si procedeaza corect la actionarea motoarelor, fiecare comanda de inversare a sensului este precedata de comanda STOP, comanda pentru noul sens dandu-se dupa oprirea motorului, pentru a evita socurile.

Cred ca variantele propuse anterior ilustreaza cam tot ce s-ar putea face cu numai 2 contactoare. Marind numarul acestora, se pot imagina variante mult mai bune. O idee ar fi, de exemplu, introducerea unei temporizari intre cele 2 comenzi, respectand conditia existentei a numai 2 butoane, butonul STOP avand rol numai de "OPRIRE DE URGENTA".

iop95May 6 2008, 17:29QUOTE (naeTV @ May 6 2008, 11:37) Si in plus stii ce inseamna sa schimbi sensul de rotatie din mers?

Cred ca inseamna un regim mai putin placut pentru motor si poate chiar pt retea si alte aparate aflate intre. Dar daca e nevoie, cu placere se poate face si franare contracurent. Poate trebuie sa oprim ceva rapid. em2006May 6 2008, 21:09QUOTE (iop95 @ May 6 2008, 17:29) ...se poate face si franare contracurent. Poate trebuie sa oprim ceva rapid.

E un caz des intalnit in automatizarea instalatiilor de ridicat, cum sunt podurile rulante. Un exemplu tipic este ilustrat in desenul de mai jos, in care mai apar limitatoarele de cursa Lc1, Lc2, protectia cu releul termic Rth si, bineinteles, frana electrica.

iop95May 7 2008, 17:52La franarea contracurent se pot folosi rezistente intercalate intre motor si retea pentru limitarea curentului. Schema de mai sus sugereaza varianta de franare dinamica (fara recuperare) care presupune trecerea motorului in regim de generator prin decuplarea sa de la retea si conectarea pe o sarcina pasiva (de obicei o rezistenta). La motorul asincron trecerea in regim de generator e ceva mai pretentioasa si in principiu trebuie sa ramana conectat la retea (sursa) pentru a-i asigura autoexcitarea si trebuie ca viteza de rotatie sa fie peste viteza de sincronism (o solutie eleganta ar fi cu un VFD care-si "coboara" frecventa pentru a mentine n>ns). Rezistenta din schema ar trebui conectata doar cand se intra in regim de franare si nu permanent cu motorul - la retea. Consuma... em2006May 7 2008, 19:18QUOTE (iop95 @ May 7 2008, 17:52) ...Rezistenta din schema ar trebui conectata doar cand se intra in regim de franare si nu permanent cu motorul - la retea. Consuma...

Semnul conventional de mai sus nu vrea sa sugereze o rezistenta, ci o frana electromagnetica, in genul cuplajelor electromagnetice de la masinile unelte. Semnul apare in schemele din cartile tehnice ale podurilor rulante fabricate in tara (Timisoara, Satu Mare).

Un astfel de dispozitiv e compus dintr-un ansamblu de 3 electromagneti (bobine cu miez magnetic) care realizeaza franarea mecanica a motorului. Electric, cele 3 borne ale dispozitivului sunt conectate nemijlocit pe bornele motorului. In lipsa tensiunii pe motor, cei 3 electromagneti nu sunt nici ei alimentati si mentin arborele motorului blocat mecanic. In prezenta tensiunii pe motor, sunt alimentati si electromagnetii, care deblocheaza arborele, facand posibila miscarea. Exista, bineinteles, si posibilitatea de reglaj mecanic al dispozitivului. O astfel de frana e foarte eficienta si se foloseste pe scara larga la utilaje de ridicat, acolo unde e nevoie de franari rapide (electropalane, macarale). iop95May 8 2008, 11:32OK; am crezut ca e vorba de o retea de rezistente. Inteleg ca e o frana de siguranta, obligatorie in instalatiile de ridicat. Intra in functiune si la o faza lipsa sau doar la toate 3? Daca da, se blocheaza motorul - cine ii asigura

protectia? sau schimbam / recuplam sigurantele... naeTVMay 8 2008, 23:18

QUOTE (iop95 @ May 8 2008, 11:32) OK; am crezut ca e vorba de o retea de rezistente. Inteleg ca e o frana de siguranta, obligatorie in instalatiile de ridicat. Intra in functiune si la o faza lipsa sau doar la toate 3? Daca da, se blocheaza motorul - cine ii asigura

protectia? sau schimbam / recuplam sigurantele...

Protectia o realizeaza termicul Rth ( in schema data de em2006).Acestaar trebui sa comande un contactor de protectie pozitionat imediat dupa sigurante,dar era vorba de o schema de principiu.Altfel se poate lua o schema de pod rulant sau ascensor,cu toate dispozitivele de actionare si protectie.Si nu vad ca cel care a initiat subiectul sa mai fie interesat.

Alegerea metodei de frânareAlegerea metodei se face în funcţie de tipul constructiv al motorului, de performanţele tehnice cerute (limitarea vitezei, oprirea acţionării, oprirea şi reversarea de sens), respectiv în funcţie de aspectele economice.

În practică se utilizează una dintre următoarele metode:

• frânarea recuperativă, dacă se cere limitarea vitezei acţionării prin recuperarea energiei cinetice sau potenţiale a maşinii de lucru;

• frânarea contracurent, dacă se cere oprirea acţionării, reversarea sensului de rotaţie a motorului, iar motorul este cu rotorul bobinat;

• frânarea dinamică sau frânarea în regim de generator sincron, dacă motorul este cu rotorul în scurtcircuit şi nu se cere reversarea de sens din mişcare;

• frânarea prin alimentare nesimetrică, nu mai este utilizată ca atare, dar poate să apară în practică prin întreruperea accidentală a unei faze.

Frânarea recuperativăFrânarea recuperativă se obţine prin antrenarea rotorului maşinii electrice de către maşina de lucru la o viteză mai mare decât viteza de sincronism (fig.1.a.).

Această situaţie apare la maşinile de lucru care au acumulat energie potenţială sau cinetică în timpul procesului tehnologic (ex.:o garnitură de tren la coborârea unei pante în sensul de mers, un vehicul de transport din parcurile de distracţii pentru prefrânarea la apropierea de staţia de coborâre). De asemenea, apare uzual la reducerea vitezei unei acţionări cu motor asincron prin comutarea numărului de perechi de poli (fig.1.b) sau prin micşorarea tensiunii şi frecvenţei (fig.1.c).

Figura 1

a)

Parametrii care pot fi determinaţi:

a) valoarea la care este limitată viteza.

În acest scop se particularizează ecuaţia caracteristicii statice pentru punctul (–MS , ΩA). Rezultă:

b) energia recuperată la reducerea vitezei între două valori Ωinit , Ωfin .

În acest scop se calculează:

Energia recuperată:

Frânarea contracurentÎn cazul maşinilor de lucru care dezvoltă cuplu static pasiv, frânarea contracurent se obţine prin schimbarea ordinii de succesiune a fazelor şi introducerea unei rezistenţe suplimentare în circuitul rotoric.

Figura 2

Principiul de determinare a rezistenţei de frânare R2f constă în particularizarea caracteristicii statice de frânare pentru punctul de coordonate ( Ωinitial , Mf initial)

Rezistenţa de frânare poate fi determinată şi din condiţia ca acţionarea să se oprească într-un interval de timp impus. Pentru aceasta se calculează

unde:

Δt=tf impus

Δω=Ωinitial-Ωfin

Într-un caz particular când Ωfin=0:

Δω=Ωinitial.

Se consideră că Mfmed este media geometrică între cuplul iniţial şi cel final

Se adoptă |Mf(0)|>|Ms| sau |Mf(0)|>|Ms(0)|,

În funcţie de valoarea lui Mf (0) şi valoarea cuplului static, pot să intervină în funcţionare următoarele două cazuri:

1.Mf(0) < Ms(0) (caracteristica A). Punctul de funcţionare se obţine pentru viteza 0, rotorul fiind calat.

2.Mf(0) > Ms(0) (caracteristica B), punctul de funcţionare ajunge în cadranul III. În cazul cuplurilor statice active frânarea contracurent se obţine prin introducerea unei rezistenţe suplimentare în circuitul rotoric şi inversarea sensului de rotaţie sub acţiunea cuplului static.

Figura 3

Punctul B corespunde cazului în care greutatea G este menţinută în echilibru la viteza zero, iar punctual D corespunde cazului în care greutatea G este coborâtă cu o viteza mică - ΩS, impusă de procesul tehnologic.

Parametrii necunoscuţi sunt rezistenţele R2f1 şi R2f2.

Principiul de determinare este acelaşi - se particularizează ecuaţia caracteristicii statice pentru:

- punctul B:

Rezultă alunecarea critică:

respectiv rezistenţa:

- punctul D:

Rezultă:

Frânarea în regim de generator sincron fără recuperarea energieiAcest regim de frânare se obţine prin deconectarea statorului de la reţeaua trifazată şi alimentarea acestuia cu tensiune continuă.

Figura 4

Se poate demonstra că, în acest caz, ecuaţia caracteristicii mecanice are o formă asemănătoare formulei lui Kloss pentru regimul de motor:

unde

I1 – valoarea efectivă a curentului de fază statoric la funcţionarea în gol a motorului.

Alunecarea de frânare:

Dacă Ω = Ωinit = Ω0 rezultă sf init = -1, iar dacă Ω = Ωfin = 0 rezultă sf fin = 0

Curentul continuu cu care trebuie alimentat statorul se calculează din condiţia ca tensiunea magnetomotoare produsă de curentul continuu să fie egală cu tensiunea magnetomotoare produsă de curentul alternativ, ceea ce corespunde unei solicitări termice echivalente

În funcţie de schema de conectare a înfăşurărilor statorice rezultă diferite relaţii pentru calculul curentului continuu.

Figura 5

Tensiunea continuă

Uc = 2R1Ic

unde R1 rezistenţa unei faze statorice.

Tensiunea din secundarul transformatorului

unde p este numărul de semialternanţe redresate, iar raportul de transformare

În funcţie de aceşti parametrii se alege redresorul monofazat şi se dimensioneză transformatorul.