imbunatatirea eficientei energetice a motoarelor monofazate

Upload: sara-potter

Post on 31-Oct-2015

89 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

  • Investete n oameni!FONDUL SOCIAL EUROPEANProgramul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatereDomeniul major de intervenie 1.5 Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetriiTitlul proiectului: Investiie n dezvoltare durabil prin burse doctorale (INED)Numrul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

    Universitatea Transilvania din Braovcoala Doctoral Interdisciplinar

    Centrul de cercetare: Sisteme pentru Controlul Proceselor

    Ing. Mihai-Radu M.D. MERA

    Optimizarea funcionrii motoarelor electricede mic putere

    Run improvement of fractional horsepowerelectric motors

    Conductor tiinific

    Prof. univ. dr. ing. Radu CMPEANU

    BRAOV, 2012

  • 4MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETARII, TINERETULUI ISPORTULUI

    UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVBRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

    RECTORAT

    D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

    COMPONENAComisiei de doctorat

    Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din BraovNr. 5521 din 31.10.2012

    PREEDINTE: Conf. univ. dr. ing. Carmen GERIGANDecan Fac. de Inginerie Electric i tiina CalculatoarelorUniversitatea Transilvania din Braov

    CONDUCTOR TIINIFIC: Prof. univ. dr. ing. Radu CMPEANUUniversitatea Transilvania din Braov

    REFERENI: Prof. univ. dr. ing. Radu MUNTEANUUniversitatea Tehnic din Cluj-Napoca

    Prof. univ. dr. ing. Vasile IANCUUniversitatea Tehnic din Cluj-Napoca

    Prof. univ. dr. ing. Ion VLADUniversitatea din Craiova

    Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 8 Decembrie 2012, ora 11.00, salaNI1.

    Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitein timp util, pe adresa: [email protected]

    Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat.

    V mulumim.

  • 5CUPRINS

    Pag.

    tez

    Pag.

    rezumat

    INTRODUCERE 5 91. MOTOARE MONOFAZATE 11 10

    1.1 Scurt clasificare cantitativ a motoarelor electrice de mic putere 11 10

    1.2 Scurt descriere a motoarelor monofazate 14 11

    1.2.1 Motoare asincrone monofazate cu o singur nfurare 14 11

    1.2.2 Motoare asincrone monofazate n configuraii variate 17 11

    1.2.3 Motoare asincrone monofazate cu poli ecranai 21 12

    1.2.4 Motoare monofazate speciale 23 131.3 Principiul de funcionare al motoarelor asincrone monofazate 26 13

    1.4 Concluzii 29 132. METODE DE MBUNTIRE A EFICIENEI ENERGETICE A

    MOTOARELOR MONOFAZATE ASINCRONE 30 142.1 Metode de cretere a eficienei energetice a motoarelor asincrone

    monofazate care funcioneaz la frecven fix 32 142.1.1 mbuntirea randamentului prin controlul tensiunii de alimentare 32 142.1.2 mbuntirea randamentului utiliznd condensatorul controlat

    electronic36 15

    2.2 Alte metode de cretere a eficienei energetice a motoarelor electrice

    monofazate51 18

    2.3 Concluzii 55 193. MODELUL MATEMATIC I SIMULAREA PE CALCULATOR A

    FUNCIONRII MOTORULUI MONOFAZAT ASINCRON 56 193.1 Modelul matematic general al mainilor de curent alternativ fr colector 56 193.2 Simularea funcionrii n regim dinamic a motorului monofazat asincron 69 223.3 Concluzii 74 23

    4. STAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA MOTOARELORELECTRICE DE MIC PUTERE

    75 23

    4.1 Dinamometru pentru testarea motoarelor electrice de mic putere 76 244.1.1 Dinamometru cu histerezis 77 24

    4.1.2 Sistemul de fixare a motoarelor electrice de mic putere 78 24

    4.1.3 Unitatea de control 79 244.2 Sistemul de achiziie a datelor 80 25

    4.2.1 Placa cu traductoare 80 25

  • 64.2.2 Placa de conexiune 81 264.2.3 Placa de achiziie a datelor 82 26

    4.3 Circuitul de pornire/oprire din calculator a motoarelor electrice de mic

    putere 84 264.4 Comunicaia cu calculatorul i mediul de programare 87 27

    4.4.1 Iniializarea unitii de control 88 284.4.2 Achiziia datelor n regim staionar 89 284.4.3 Achiziia datelor n regim dinamic 92 294.4.4 Program pentru simularea regimului de funcionare al motorului 96 31

    4.5 Baza de date 97 314.6 Concluzii 98 31

    5. REZULTATE EXPERIMENTALE 99 315.1 Descrierea motorului monofazat asincron 100 325.2 ncercri experimentale cu motorul monofazat i condensatoare de valori

    fixe 101 32

    5.3 Descrierea condensatorului electronic 108 355.3.1 Circuitul de for 109 355.3.2 Circuitul de comand 111 365.3.3 Sistemul de achiziii de date 112 375.3.4 Funcionarea motorului monofazat asincron cu condensator electronic 113 37

    5.4 ncercri cu condensator electronic n regim dinamic 117 405.4 Concluzii 130 41

    6. CONCLUZII FINALE SI CONTRIBUII ORIGINALE 133 41

    BIBLIOGRAFIE 140 42Anexa 1, Programul pe calculator pentru simularea funcionrii motorul

    monofazat asincron141 -

    Anexa 2, Comenzi specifice comunicaiei dintre calculator i unitatea de

    control142 -

    Anexa 3, Descrierea motorului monofazat asincron 150 -Rezumat 151 43Curriculum Vitae 152 44

  • 7CONTENTPg.

    thesys

    Pg.

    summary

    INTRODUCTION 5 91. SINGLE PHASE MOTORS 11 10

    1.1 Brief quantitative classification of low power electric motors .................................11 10

    1.2 Brief description of single phase motors 14 111.2.1 Single phase induction motors with one winding 14 111.2.2 Various consifugrations single phase induction motors 17 111.2.3 Shaded pole single phase induction motors 21 121.2.4 Special construction single phase motors 23 13

    1.3 Operation principle of single phase motors 26 131.4 Conclusions 29 13

    2. ENERGY EFFICIENCY IMPROVEMENT METHODS FOR SINGLEPHASE INDUCTION MOTORS 30 14

    2.1 Methods for increasing the energy efficiency of single phase inductionmotors operated at fixed frequency 32 14

    2.1.1 Efficiency improvement by controlling the voltage 32 142.1.2 Efficiency improvement using electronic controlled capacitor 36 15

    2.2 Other methods for increasing the energy efficiency of single phaseinduction motors 51 182.3 Conclusions 55 19

    3. MATEMATICAL MODEL AND COMPUTER SIMMULATION OF ASINGLE PHASE INDUCTION MOTOR 56 19

    3.1 General mathematical model of AC machines without collector 56 193.2 Dynamic simmulation od a single phase induction motor 69 223.3 Conclusions 74 23

    4. EXPERIMENTAL TEST BENCH FOR FRACTIONALHORSEPOWER MOTORS 75 23

    4.1 Low power motor testing dynamometer 76 244.1.1 Hysterezis dynamometer 77 244.1.2 Motor fixtures system 78 244.1.3 Control unit 79 24

    4.2 Data acquisition system 80 254.2.1 Transducers board 80 254.2.2 Connection board 81 26

  • 84.2.3 Data acquisition board 82 264.3 Start/Stop computer controlled circuit 84 264.4 Ccomputer communication and programming language 87 27

    4.4.1 Control unit initialisation 88 284.4.2 Steady state data acquisition 89 284.4.3 Dinamyc data acquistion 92 294.4.4 Motor run regime simmulation 96 31

    4.5 Data base 97 314.6 Conclusions 98 31

    5. EXPERIMENTAL RESULTS 99 315.1 Single phase induction motor description 100 325.2 Experimental measurements with fixed values capacitors 101 325.3 Electronically swtched capacitor description 108 35

    5.3.1 Power circuit 109 355.3.2 Control circuit 111 365.3.3 Data acquisition system 112 375.3.4 Single phase induction motor run with switched capacitor 113 37

    5.4 Dinamic regime 117 405.4 Conclusions 130 41

    6. FINAL CONCLUSIONS AND ORIGINAL CONTRIBUTIONS 133 41REFERENCES 140 42

    Appendix 1, Computer program for single phase motor simulation 141 -Appendix 2, Specific controls for the brake system 142 -Appendix 3, Single phase induction motor description 150 -Summary 151 43Curriculum Vitae 152 44

  • 9INTRODUCERESe estimeaz c numrul motoarelor electrice de mic putere, utilizate la nivel mondial,

    este de aproximativ 2 miliarde de uniti i reprezint 90% din numrul total al motoarelorelectrice. O mic parte din aceste motoare este folosit n industrie, ponderea majoritar aaplicaiilor n care sunt ncorporate aparine sectorului serviciilor sau domestic. Astfel, acestemotoare sunt motoare monofazate, iar un procent dominant este reprezentat de motoarelemonofazate cu condensator datorit avantajelor pe care le prezint: cuplu mare la pornire, factorde putere ridicat, zgomot redus n timpul funcionrii i un randament crescut comparativ cu altemotoare monofazate.

    n general aceste motoare sunt folosite n echipamente cu regimuri intermitente defuncionare caracterizate de porniri i opriri dese. De asemenea, s-a observat o uoarsupradimensionare a motoarelor comparativ cu puterea aplicaiei ceea ce conduce la funcionareasub parametri nominali i implicit scderea randamentului. Astfel, dinamica cercetrilor ndomeniul motoarelor electrice a cunoscut o mare amploare n ultimele decenii, urmrindu-se nspecial creterea eficienei energetice n regimuri de funcionare diferite de cele nominale.

    S-a dorit eficientizarea motoarelor care funcioneaz la turaie variabil, alimentate prininvertor. Folosirea acestor sisteme electronice a crescut odat cu dezvoltarea dispozitivelorsemiconductoare n anii 1990 i reducerea costurilor de producie. Dezavantajul este c acesteinvertoare oblig motorul s funcioneze la parametri diferii de cei nominali, iar astfel crescpierderile. Folosirea convertoarelor electronice de putere pentru alimentarea motoarelormonofazate, combinat cu sarcini neliniare, a generat o cretere semnificativ a polurii cuarmonici joase a reelei de alimentare, factor de putere sczut i valori mari ale curentului depornire ce determin cderi de tensiune.

    Cazurile n care motoarele monofazate sunt folosite n aplicaii cu turaie variabil nupredomin, n general aceste motoare funcioneaz la o singur turaie sau sunt n configuraiispeciale ce permit funcionarea la mai multe turaii stabilite.

    Modificarea circuitului magnetic, electric sau de ventilaie nu reprezint soluia optimchiar dac implic o cretere maxim a eficienei energetice. Preul crescut al materialelor debun calitate, comparativ cu cel al motoarelor de mic putere care n general au un cost sczut,determin ca aceast metod s nu fie posibil din punct de vedere economic. De asemenea, estenecesar reconstrucia unor serii foarte mari de motoare electrice.

    Astfel, creterea randametului motoarelor monofazate care funcioneaz la turaie fix seface prin reducerea puterii absorbite de la reea fr a scdea puterea mecanic. O metod clasicde mbuntire a eficienei energetice este controlul tensiunii statorice dar creterearandamentului este limitat i performanele motorului nu se mbuntesc vizibil.

    Alternativa a fost gsirea unor metode care permit variaia, n limite largi i bine definite,capacitii nseriate cu nfurarea auxiliar i au reprezentat un pas important pentrueficientizarea motoarelor monofazate cu condensator. O astfel de metod, respectiv acondensatorului controlat electronic, a fost iniial dezvoltat pentru implementarea efectelorinductive n circuitele electronice [11], iar la nceputul anilor 1990 a fost folosit pentru creterearandamentului motoarelor monofazate asincrone. Rezultatele obinute au fost nesatisfctoare,datorit formei distorsionate a curentului [35], [36] sau necesitii unor condensatoare de curentcontinuu de valori mari [33], [34] dar s-a observat o cretere a eficienei energetice.

    n anul 2000 acelai principiu a fost folosit pentru variaia impedanei rotorice a unuimotor trifazat asincron i deci, creterea randamentului [55], [56]. Un circuit de for derivat din[33], [34], alturi de dispozitive electronice recente au eliminat dezavantajele metodeloranterioare.

    Astfel, lucrarea i propune s prezinte rezultatele obinute cu un motor monofazatasincron, condensatorul electronic n varianta [55], [56] adaptat pentru acest motor iimplementat cu dispozitive electronice de ultim generaie i circuite de comand specializate.

    Datorit subiectului propus lucrarea se ncadreaz n direcia de cercetare principalEnergie, sisteme i tehnologii energetice durabile-securitatea energetic, iar ca tem principal:creterea eficienei energetice pe ntregul lan energetic, cu accent deosebit pe reducereapierderilor de energie n cldirile publice, rezideniale i la consumatorii industriali.

  • 10

    CAPITOLUL 1MOTOARE MONOFAZATE

    1.1 Scurt clasificare cantitativ a motoarelor electrice de mic putereMotoarele electrice au aplicaii largi n domenii ca industrie, servicii publice sau maini

    i aparate de uz casnic i antreneaz o gam variat de echipamente ce includ ventilatoare,pompe, compresoare i maini unelte. Statisticile indic un consum al motoarelor electrice deaproximativ 70% din energia total consumat de industrie, respectiv 46% din totalul energieiproduse.

    Motoarele electrice de mic putere , sub 0,75 kW, nsumeaz aproximativ 90% dintotalul de motoare dar consumul este relativ mic, de doar 10%. [21]. Acestea sunt n generalmotoare asincrone monofazate i cu poli ecranai, folosite n sisteme electrice de mic putere,echipamente electrocasnice, pompe i ventilatoare. Sunt fabricate n serii mari i particularizatepentru aparatele n care sunt ncorporate.

    n [53] este realizat o clasificare a consumului energetic al motoarelor din totalulconsumului de energie. Maximul consumului, n ordine descresctoare, este reprezentat deCanada, Statele Unite ale Americii, Uniunea European, Turcia, cu procente de 80, 75, 65,respectiv 65%, iar minimul consumului, de Australia, Iordania cu 40, respectiv 31%.

    De Almeida [8] prezint un raport al Uniunii Europene ce clasific consumul energetic.Documentul prezint un consum al echipamentelor ce conin motoare electrice de 69% nindustrie, respectiv 38% n domeniul serviciilor. Studiul a fost fcut n ri ca Portugalia, Frana,Marea Britanie i Italia, iar apoi extrapolat pentru ntreaga Uniune European.

    n Fig. 1.1 a) i b) se prezint procentual consumurile n funcie de echipamentele ceconin motoare electrice din sectorul industrial i al serviciilor. Datele obinute sunt caracterizatede puterea motorului i tipul sarcinii. Echipamentele ca pompe, ventilatoare sau compresoarereprezint 62% din consumul industrial, respectiv 83% din cel al serviciilor. De asemenea,pentru a determina consumul energetic studiul a fost analizat n fiecare sector n funcie denumrul orelor de funcionare, puterea nominal, nivelul de ncrcare, numrul motoarelor itipul acestora.

    a) b)Fig. 1.1. Clasificare procentual a consumului european n funcie de:

    a) sectorul industrial; b) sectorul serviciilor.A fost stabilit dependena numrului de ore de funcionare raportat la puterea

    motorului. n industrie motoarele cu puteri nominale mici, de pn la 0,75 kW au un numr anualmic de ore de funcionare, aproximativ 2.000, iar cele cu puteri mari de peste 500 kW ajung la unnumr de ore de funcionare apropiat de 8.000.

    n domeniul serviciilor numrul orelor de funcionare pentru motoarele de pn la0,75 kW se apropie de 2.500 i scade spre 1.000 pentru motoarele mai mari de 500 kW. O altobservaie important este o uoar supradimensionare a motorului comparativ cu putereanecesar aplicaiei. Aceasta nseamn o funcionare sub parametri nominali care duce la oscdere a eficienei energetice.

  • 11

    1.2 Scurt descriere a motoarelor monofazateSe prezint n continuare o scurt clasificare calitativ a principalelor tipuri de motoare

    monofazate. Majoritatea motoarelor asincrone monofazate sunt motoare cu dou nfurrinesimetrice. Caracterizarea monofazat se refer la numrul de faze ale tensiunii de alimentarei nu la numrul de nfurri ale motorului. Prin construcie la aceste motoare se asigurartificial un cmp magnetic nvrtitor, deci un cuplu util. Cele dou nfurri sunt mult diferite,ca numr de spire, parametri electrici sau aezare n crestturile statorice, n general se urmreteo plasare decalat cu 90 electrice a celor dou nfurri. Acestea nu ocup toate crestturile idin acest motiv greutatea specific pe faz este mult mai mare dect la motoarele trifazate [2]. nceea ce privete construcia rotorului, acesta este clasic, n colivie. Motoarele monofazate,urmrind [5] i [16], se pot clasifica n:

    Motoare asincrone monofazate cu o singur nfurare care nu au cuplu de pornire; Motoare asincrone monofazate n configuraii variate, construite pentru a avea cuplu de

    pornire; Motoare asincrone monofazate cu poli ecranai; Motoare speciale ce pot funciona ca motoare monofazate:

    Motoare cu histerezis; Motoare monofazate sincrone cu reluctan comutat; Motoare universale cu colector.

    1.2.1 Motoare asincrone monofazate cu o singur nfurareAcest tip de motoare este studiat doar din punct de vedere teoretic, practic ele nu se

    construiesc. Nu pot fi amintite avantaje, existnd doar dezavantaje: Cuplul util n timpul funcionrii este sczut; Factor de putere sczut i zgomot ridicat; Pentru a putea porni trebuie antrenate din exterior.

    1.2.2 Motoare asincrone monofazate n configuraii variateAceste motoare sunt clasificate n funcie de metodele folosite pentru a asigura cuplu la

    pornire, iar denumirea acestora se face utiliznd acest criteriu. Selectarea motorului asincronmonofazat pentru o anumit acionare electric se bazeaz pe valorile cuplului necesar pornirii ifuncionrii, limitelor impuse curentului absorbit de la reea sau particularitilor regimului defuncionare. Costul acestor tipuri de motoare crete odat cu performanele i randamentul, iarpentru a minimiza preul sunt alese variantele de motoare ce ndeplinesc criteriilele minime aleputerii i eficienei energetice necesare aplicaiei. n cazul echipamentelor care necesit motoarediverse este posibil i chiar se urmrete construcia unui motor electric care s ndeplineasc oparte important din necesitile aplicaiei, corespunztor unui pre minim. Costul de producieeste un factor important n cazul motoarelor monofazate, avnd n vedere numrul foarte mare demotoare produse.

    Un prim tip de motor care are o construcie ce asigur cuplu de pornire este cel cu dounfurri, principal respectiv auxiliar pentru pornire, ultima fiind nseriat cu un comutatorcentrifugal sau releu. nfurrile sunt nesimetrice, cea auxiliar avnd o rezisten mai marecomparativ cu nfurarea principal, respectiv o reactan mai mic. Astfel, curentul prinnfurarea auxiliar are o valoare efectiv, mai mic, comparativ cu valoarea din nfurareaprincipal i este defazat nainte cu un unghi de 20-30. Echipamentele obinuite n care segsesc aceste maini electrice sunt: ventilatoare, suflante, pompe centrifugale, echipamente debirou, la puteri nominale ntre 50 i 400W. La aceste puteri, au un pre de producie minim.

    Ca avantaje se pot aminti: Pre minim de cost; Cuplu relativ mare la pornire;

    Dezavantejele acestor motoare sunt: Factor de putere i randament sczut n timpul funcionrii; Valoare mare a curentului absorbit.

  • 12

    A doua categorie important de motoare asincrone monofazate o reprezint cele cucondensator. n funcie de valoarea condensatorului nseriat cu faza auxiliar se urmrete ooptimizare a procesului de pornire, funcionare sau o combinaie a celor dou. Conectareacondensatorului n serie cu nfurarea auxiliar implic creterea factorului de putere, defazarean timp a curentului din nfurarea auxiliar cu 90 naintea celui din nfurarea principal,reducerea zgomotului i obinera unui randament maxim.

    Aceast clas de motoare cuprinde: motoare asincrone cu condensator pentru pornire, cudou condensatoare sau motoare cu condensator conectat permanent.

    1.2.3 Motoare asincrone monofazate cu poli ecranaiConstructiv, motoarele cu poli ecranai sunt caracterizate printr-o mare diversitate.

    Acestea pot avea statorul cu poli apareni, cu nfurarea concentrat sau cu poli necai, cunfurarea repartizat n crestturi. Construcia cu poli apareni domin i este utilizat pentru oplaj de puteri de la fraciuni de watt pn la 200 W [54].

    n Tabelul 1.1 sunt prezentate sumar caracteristicile motoarelor monofazate descriseanterior, avantajele i dezavantajele tipurilor de motoare amintite.

    TABEL 1.1: Sumar al caracreristicilor motoarelor monofazate asincrone.

    Tip MotorCu dou

    nfurri icomutator

    Cucondensator

    pornire

    Cu condensatorconectat

    permanent

    Cu doucondensatoare:

    pornire ifuncionare

    Cu poliecranai

    Domeniu puterenominal [CP] 1/6-1 1/4-2 1/100-1 3/4-3 1/1000-1/4

    Randament 50-60% 50-60% 55-65% 80-100% 20-40%Factor de

    putere 0,6-0,7 0,6-0,7 0,8-1 0,8-1 0,5-0,6

    Cuplu pornire(procent din

    cuplu maxim)100% Pn la 300% 50-80% Pn la 300% 40-50%

    Aplicaii tipicePorniri dese itimpi lungi defuncionare;

    Cuplu mare lapornire, curent

    mare absorbit lapornire

    Folosit nacionrile cu

    turaie variabil

    Echipamente cucuplu mare la

    pornire, eficiencrescut n timpul

    funcionrii.

    Ventilatoarede micputere;Echipamente

    cu turaievariabil;

    Avantaje1. Cuplupornire mediu;2. Randamentmediu.

    1. Cuplu lapornire mare.2. Valoare mica curentuluiabsorbit lapornire.

    1. Poate fi folositn controlulturaiei;2. Eficiencrescut nfuncionare;3. Zgomot redus.

    1. Cuplu mare lapornire;2. Valoare mic acurentului absorbitla pornire;3. Variaii mari alegabaritului;4. Randamentcrescut nfuncionare.

    1. Pre sczutde producie;2. Poate fifolosit ncontrolulturaiei.

    Dezavantaje

    1. Valoaremare acurentuluiabsorbit;2. Nu poate fifolosit ncontrolulturaiei.

    1. Pre superiormotorului cu 2nfurri;2. Nu poate fifolosit ncontrolulturaiei.

    1. Cuplu sczutla pornire;2. Variaii mariale turaiei cucuplul.

    1. Pre ridicatproducie;2. Nu poate fifolosit n controlulturaiei;

    1. Randamentsczut;2. Cuplu laporniresczut.

  • 13

    1.2.4 Motoare monofazate specialen aceast categorie intr motoarele cu histerezis, motoarele sincrone cu reluctan sau

    motoarele universale de curent alternativ cu colector. Motoarele cu histerezis asigur cupluconstant, de valoare mic, pe toat plaja de turaie i o funcionare silenioas.

    Motoarele cu colector sunt folosite n echipamente care necesit greutate redus ituraii mari, de la 1500 la 15.000 rpm: aspiratoare, echipamente de buctrie i unelte portabile.Controlul cuplului i al turaiei n curent alternativ se face prin folosirea unui triac.

    Avantajul semnificativ al acestor motoare este cea mai mare valoare a raportuluicuplu-pre, iar ca dezavantaje au o durat de via scurt i zgomot ridicat.

    1.3 Pricipiul de funcionare al motoarelor asincrone monofazatePentru un motor asincron cu dou nfurri care sunt nesimetrice, avnd un numr

    diferit de spire i amplitudini diferite, alimentnd motorul cu un set de tensiuni alternative nfaz:

    tIi

    tIi

    bb

    aa

    cos2

    cos2

    (1.15)

    expresia tensiunii magnetice din ntrefier este:

    tI

    tIw

    ttIw

    tf

    bbb

    aa

    cos2

    cos2

    22

    cos2

    1cos

    22

    2)(

    (1.16)

    i recombinnd termenii se ajunge la:

    t

    IwIwt

    IwIwtf bbaabbaa cos

    2cos

    222)( (1.17)

    n acest caz exist dou cmpuri magnetice nvrtitoare, primul de valoare mic i serotete n sens orar, iar al doilea de valoare comparativ mai mare ce se rotete n senstrigonometric, ambele avnd aceeai vitez de rotaie. Eficiena acestor motoare monofazateasincrone este sczut comparativ cu motoarele bifazate simetrice i se datoreaz prezenteicmpului magnetic nvrtitor invers.

    Motoarele asincrone monofazate produc cmp magnetic nvrtitor bazndu-se penesimetria nfurrilor. Dac raportul curenilor prin cele dou nfurri este egal cu valoareadin (1.18), atunci cmpul magnetic invers este eliminat.

    ba

    ba I

    w

    wI (1.18)

    1.4 ConcluziiNumrul motoarelor electrice de puteri mici, sub 0,75 kW, estimat la nivel mondial este

    de aproximativ 2 miliarde uniti. Procentul acestor motoare aflate n funciune n industrie estesczut, marea majoritate este ncorporat n echipamentele din domeniului serviciilor care au cabeneficiar consumatorul final: echipamente electrocasnice, sisteme de aer condiionat, sisteme deventilaie, pompe etc.

    O mare parte din motoarele de mic putere sunt motoare monofazate asincrone, iarmotoarele cu condensator domin aceast categorie, datorit cuplului mare de pornire, eficieneiridicate n funcionare, factorului de putere crescut, zgomotului redus i posibilitii de reglare aturaiei prin folosirea invertoarelor. De asemenea, variind valoarea condensatorului nseriat cufaza auxiliar se poate obine eficien maxim, pentru regim nominal sau o valoareintermadiar.

    n lucrarea de fa se prezint o metod de mbuntire a randamentului pentru motoaremonofazate asincrone cu condensator conectat permanent. Studiul metodelor de cretere aeficienei energetice s-a fcut pentru acest tip de motoare i este prezentat n continuare.

  • 14

    CAPITOLUL 2METODE DE MBUNTIRE A EFICIENEI ENERGETICE A MOTOARELORMONOFAZATE ASINCRONE

    n capitolul anterior s-a artat c numrul motoarelor electrice de mic putere, de pnla 0,75 kW, se apropie de 90% din numrul total de motoare electrice utilizate la nivel mondial.Un procent semnificativ din aceste motoare electrice este reprezentat de motoarele asincronemonofazate. Datorit construciei robuste, preului sczut i simplitii alimentrii sunt folosite nmajoritatea echipamentelor casnice n care acionarea se face la turaii fixe. Eficiena energeticsczut, comparat cu a motoarelor asincrone trifazate i numrul foarte mare al motoareloraflate n funciune, a determinat ca muli cercettori s i ndrepte atenia spre acestea i gsireametodelor optime de mbuntire a eficienei energetice.

    Primele articole aprute n domeniul motoarelor asincrone monofazate dateaz de lanceputul secolului 20. Branson [6], Karapetoff [23], Lamme [30], Perkins [50] sunt cteva numeale cercettorilor care s-au ocupat de studiul motoarelor monofazate. Cercetrile efectuate ndomeniu sunt principiale, se explic funcionarea unui motor asincron monofazat folosind teoriadublului cmp magnetic nvrtitor sau a cmpurilor perpendiculare. De asemenea, se pune accentpe determinarea locului geometric al curenilor motorului asincron monofazat i folosireametodelor grafico-analitice - diagrama cercului, pentru a caracteriza funcionarea motoruluimonofazat de puteri mici, sub 300W [27]. Cercettorii neleg c algebra i trigonometriaelementar nu sunt suficiente pentru a explica procesele din motorul electric folosind cele douteorii.

    Kimball [26] studiaz vibraiile din motoarele asincrone monfazate, iar Hansen [18]extinde teoria dublului cmp magnetic nvrtitor i o aplic motoarelor speciale cu comutator.Veinott [62] prezint o metod de calcul a performanelor motoarelor asincrone care permiteaconstructorilor predeterminarea caracteristicilor mecanice ntr-un timp scurt. Odat cumicorarea volumului motoarelor electrice se observ o diferen semnificativ ntre valorileteoretice calculate i cele determinate experimental datorit creterii densitii fluxului dincircuitul magnetic al motorului i implicit saturarea pronunat a acestuia. De asemenea, ncercetrile ulterioare Veinott prezint izolarea pierderilor din motorul asincron monofazat [63],iar datorit folosirii preponderente a motoarelor monofazate n regimuri intermintente se ncepedeterminarea experimental a caracteristicilor dinamice [29]. Modelul matematic n axeperpendiculare, care pleac de la teoria cmpurilor ortogonale i prezint funcionarea motoruluin regim dinamic sau staionar, este prezentat de Krause [28]. Din acest moment existnd unmodel dinamic al mainii, studiile sunt ndreptate spre modelarea matematic ce permite redareafenomenelor fizice din main ct mai fidel. Astfel, n modele sunt incluse armonicile tensiuniimagnetice din ntrefier, pierderile din circuitul magnetic i electric, saturaia motorului electric.Creterea numrului de motoare a fcut ca atenia s fie ndreaptat spre metodele deeficientizare a funcionrii acestor motoare i a posibilitilor de control pentru motoarelemonofazate asincrone.

    Din categoria motoarelor monofazate asincrone cele cu condensator sunt n generalfolosite pentru acionarea echipamentelor. Motivul pentru care s-au impus este evident,reprezint cea mai bun soluie pentru obinerea artificial a unui cmp magnetic nvrtitor,apropiat de form circular, cu o surs de alimentare monofazat. Alte avantaje, parial amintite,sunt: cuplu mare la pornire, eficien energetic crescut n timpul funcionrii, factor de putereapropiat de unitate i zgomot redus n timpul funcionrii. Sunt prezentate n continuareprincipalele metode de cretere a eficienei energetice a motoarelor cu condensator n cazulfuncionrii la turaie fix i variabil.

    2.1 Metode de cretere a eficienei energetice a motoarelor asincrone monofazatecare funcioneaz la frecven fix

    2.1.1 mbuntirea randamentului prin controlul tensiunii de alimentareMetoda tradiional a controlului turaiei motoarelor monfazate asincrone fr a

    modifica frecvena tensiunii de alimentare este conectarea n serie cu motorul unei rezistene

  • 15

    variabile. Pierderile pe rezisten sunt semnificative, astfel metoda variaiei tensiunii dealimentare cu dispozitive semiconductoare reprezint o alternativ superioar din punct devedere a eficienei energetice dar i un compromis din punct de vedere al polurii cu armonici.

    n Fig. 2.1 se prezint cele dou metode de control a tensiunii de alimentare folosind undispozitiv semiconductor comandabil. Pot s existe dou variante de conectarea a ventilului. Oprim, cea din Fig. 2.1 a), dispozitivul este conectat ntre sursa de tensiune i motor, astfeltransferul de putere este oprit pentru ambele nfurri. n cea de-a doua variant, Fig. 2.1 b),dispozitivul este conectat n serie cu nfurarea principal.

    Fig. 2.1. Control tensiune alimentare: a) controlul tensiunii de alimentare;b) controlul tensiunii pe nfurarea principal.

    Ventilul electronic, n figur fiind reprezentat un triac, este bidirecional n curent itensiune, deci poate suporta tensiuni de blocare de ambele polariti. Conducia curentului seface n ambele sensuri. Poate fi o celul bidirecional cu tranzistoare bipolare i diode, un triacsau dou tiristoare poziionate n antiparalel. Datorit cderilor de tensiune mai mici n conduciese aleg, n general, ultimele dou variante.

    O comparaie ntre cele dou variante de control al tensiunii de alimentare, Fig. 2.1 a) ib) este fcut de Sundareswaran n [57], [58]. Varianta n care dispozitivul semiconductor esteplasat n serie cu nfurarea principal se consider optimizat, iar motivele sunt detaliate ncontinuare.

    n cazul n care triacul este conectat ntre sursa de alimentare i motor fluxul de puterespre motor va fi ntrerupt pentru ambele nfurri. De asemenea, va exista un regim tranzitoriudeterminat de o circulaie a curentului prin cele dou nfurri dup stingerea dispozitivuluisemiconductor. Dac ventilul se conecteaz n varianta optimizat, este ntrerupt curentul doarprin nfurarea principal. Curentul nfurrii secundare va avea forma sinusoidal, astfelconinutul de armonici este semnificativ redus i se obine o cretere a eficienei energetice. Deasemenea, dispozitivul semiconductor se va bloca natural la trecera prin zero a curentului i nuapar n circuit supratensiuni determinate de comutaia forat a sarcinilor inductive.

    2.1.2 mbuntirea randamentului utiliznd condensatorul controlat electronicPrincipiul condensatorului controlat electronic a fost iniial dezvoltat pentru

    implementarea filtrelor n circuitele integrate. Divan [11] a folosit acest principiu la reducereaefectelor inductive. De asemenea, n [1] se prezint condensatorul electronic folosit pentrugenerarea unui efect rezistiv, dificil de implementat n silicon.

    Au fost dezvoltate dou metode pentru motoare monofazate: una introdus de Liu [35],[36] i Muljadi [46] i alta a lui Lettenmaier [33], [34] prin care capacitatea este variat folosinddispozitive electronice de putere, iar sistemul este denumit n continuare condensator controlatelectronic. O a treia metod, propus de Suciu n [56], se bazeaz pe principiul condensatoruluielectronic folosit pentru a varia impedana rotoric a unui motor trifazat asincron cu rotorbobinat.

    n Fig. 2.2 se prezint schematic motorul monofazat asincron cu condensator controlatelectronic n varianta Liu-Muljadi. Motorul monofazat asincron are construcia clasic cucondensator conectat permanent. n paralel cu condensatorul din nfurarea auxiliar este plasat

  • 16

    un comutator electronic comandabil bidirecional n curent. Cnd comutatorul este deschiscurentul trece prin condensator. Ventilul este nchis n momentul n care tensiunea pecondensator ajunge la valoarea zero, astfel se realizeaz o comutaie la tensiune zero (ZVS), cupierderi minime. Comutatorul este deschis dup un interval de timp, fie acesta . Valoareaefectiv a capacittii echivalente poate fi modificat dac amplitudinea fundamentalei tensiuniipe comutator este variat independent de fundamentala curentului prin ventil. Scurtcircuitndperiodic condensatorul tensiunea pe acesta pare s fie mai mic dect n cazul far scurtcircuitareperiodic. Astfel, capacitatea echivalent pare s fie mai mare dect valoarea nominal. Teoretic,dac timpul n care comutatorul este nchis se apropie de radiani, capacitatea echivalenttinde spre infinit.

    Fig. 2.2. Principiul motorului monofazat asincron cu condensator controlat electronic:metoda Liu-Muljadi.

    Conform [35], [36] valoarea capacitii echivalente este:

    dCCe

    1

    1 (2.1)unde td / , iar T este timpul total n care ventilul conduce i este blocat, deci o alternan atensiunii de alimentare.

    Un dezavantaj semnificativ este forma distorsionat a curentului. De asemenea, aa cuma fost amintit, variaia parametrilor mainii n funcie de turaie, deci variaia timpului dencrcare i descrcare al condensatorului difer pentru acelai unghi de comand.

    Lettenmaier n [33] i [34] propune o metod de nlocuire a comutatorului centrifugal cedeconecteaz condensatorul de pornire printr-un sistem electronic comutabil.

    n Fig. 2.3 este prezentat schematic motorul monofazat asincron i puntea n comutaie.

    Fig. 2.3. Condensator controlat electronic:metoda condensatorului de curent continuu [33], [34].

    Metoda prezint motorul monofazat asincron cu o capacitate variabil continuu.Variaia permanent a condensatorului este obinut cu o punte H n care este comutat uncondensator de curent continuu. Condensatorul se ncarc de la sursa de tensiune alternativ amotorului, iar controlul se face prin modularea n lime a impulsurilor.

    Valoarea capacitii echivalente este conform [33], [34]:

    P

    aux

    e UI

    C

    (2.4)

  • 17

    Autorul demonstreaz c aceast capacitate echivalent variaz odat cu defazajul dintreUP i US pentru orice regim de funcionare al motorului electric. Creterea defazajului impliccreterea capacitii echivalente.

    Avantajele care se pot extrage din metoda propus de Lettenmaier sunt: sistemul poate fi folosit cu succes pentru nlocuirea comutatorului centrifugal n cazul

    motoarelor electrice asincrone cu dou condensatoare, fiind posibil variaia n limitelargi a capacitii echivalente; sistemul poate fi aplicat i motoarelor cu un singurcondensator;

    se poate reduce semnificativ preul de cost al motoarelor monofazate asincrone, fiindnecesar un numr mai mic de spire pentru nfurarea auxiliar comparativ cu un motorclasic cu condensator.Ca dezavantaje se pot aminti:

    necesitatea folosirii unui condensator de curent continuu, de valori relativ mari; schema de comand relativ complex; i cel mai important, forma distorsionat, nesinusoidal, a curentului nfurrii

    auxiliare i a cuplului electromagnetic.Plecnd de la metoda dezvoltat de Lettenmaier, Suciu n [55] propune o nou metod

    pentru controlul defazajului ntr-un circuit RL folosind condensatorul electronic. Autorulplaseaz n centrul unei puni H un condensator de curent alternativ. Tranzistoarele suntcomutate la o frecven superioar frecvenei tensiunii de alimentare folosind tehnica modulaiein lime a impulsurilor (PWM).

    n Fig. 2.4 se prezint schema electric a circitului RL cu condensator electronic.Fiecare comutator din cele patru permite i comand trecerea curentului n ambele sensuri,corespunztor alternanei pozitive sau negative a tensiunii de alimentare. Cele dou grupuri decomutatoare (S1 i S4), respectiv (S2 i S3) vor fi comandate pe rnd.

    Grupul 1 este nchis pe intervalul 1t , grupul 2 deschis, respectiv grupul 2 nchis peintervalul 2t i 1t deschis. Perioada comutaiei tranzistoarele este constant, respectiv suma celordoi timpi de comutaie, dar se poate modifica timpul pentru fiecare grup cnd este deschis saunchis.

    Fig. 2.4. Punte H cu condansator electronicntr-un circuit RL serie conform metodei Suciu.

    Pentru intervalul de timp 1t circuitul se comport ca unul RLC serie i se pot scrie urmtoareleecuaii:

    dttiC

    tu

    tudt

    tdiLtRitu

    C

    C

    )(1)(

    )()()()((2.6)

    Poziionarea invers a condensatorului pe durata intervalului 2t determin urmtoareleecuaii:

    dttiC

    tu

    tudt

    tdiLtRitu

    C

    C

    )(1)(

    )()()()((2.7)

  • 18

    Folosind metode de mediere prezentate n [59] i [66] se poate scrie:~

    ~

    ~~

    )12( CuddtidLiRu (2.8)

    ~~ )12( idt

    Cd

    uC (2.9)nlocuind (2.9) n (2.8) se ajunge la:

    dtiC

    ddt

    idLiRu~

    2~

    ~~ )12( (2.10)

    Aplicnd transofrmata Laplace ecuaiei 2.10 se ajunge la:

    )()12()()()(2

    sIsC

    dssLIsRIsU (2.11)

    Relaia ntre capacitatea echivalent i factorul de umplere, prezentat i n [55] este:C

    dCe 2)12(

    1

    (2.12)unde C este capacitatea fizic din centrul punii H.

    n [7] se prezint rezultate experimentale ale funcionrii unui circuit serie RL cucondensator electronic folosind metoda Suciu. Forma curentului este apropiat de ceasinusoidal, distorsiunile sunt minime, generate de comutaia condensatorului.

    Astfel, avantejele metodei prezentate anterior sunt: form nedistorsionat a curentului, comparativ cu metoda Liu-Muljadi sau Lettenmaier; simplitatea comenzii, aceasta fiind PWM cu un factor de umplere ntre 0,5 i 1;

    Dezavantajele sunt: variaia simultan a amplitudinii curentului odat cu defazajul; pierderi superioare n conducie comparativ cu celelalte dou metode datorate

    conduciei simultane a patru dispozitive, adic dou celule; circuit de comand relativ complex: exist patru grupuri independente ce comand

    celulele bidirecionale i este necesar izolarea galvanic a acestora.Comparnd metoda propus de Suciu cu cele dezvoltate pentru motoare asincrone

    monofazate se poate afirma c este superioar acestora. n acest caz peirderile generate dearmonicile curentului sunt eliminate. Dezavantajul reprezentat de pierderile n conducie poate firedus prin utilizarea unor dispozitive electronice de ultim generaie. De asemenea,complexitatea circuitului de comand se poate reduce prin folosirea unor circuite integratespecializate.

    2.2 Alte metode de cretere a eficienei energetice a motoarelor electricemonofazate

    n [19] se prezint un studiu comparativ ntre eficiena energetic a motoarelormonofazate cu condensator, costurile de producie i valoarea condensatorului nseriat cunfurarea auxiliar. Pentru nfurri care nu sunt identice cmpul magnetic circular nu aparecnd eficiena energetic este maxim ci la o valoare a condensatorului superioar celeicorespunztoare randamentului maxim. Variaia curenilor prin nfurri va determina variaiadensitii de curent. O valoare apropiat a densitii prin cele dou nfurri determin scdereapierderilor n cupru i deci o cretere a randamentului. Eficiena maxim se atinge cnd celedou densiti sunt egale.

    Ilango n [22] propune o metod de cretere a eficienei energetice a unui motormonofazat asincron folosind un transformator electronic i reprezint o alternativ la controlultensiunii de alimentare cu tiristoare.

    O serie de autori i ndreapt atenia spre proiectarea motoarelor electrice cefuncioneaz la turaii multiple [15], [44], [51]. Popescu [51] face o analiz folosind metodaelementului finit unui motor n configuraie special, cu dou nfurri, iar Fei [15] ncearc s

  • 19

    reduc pierderile motoarelor cu nfurri multiple datorate inductanelor de scpri din capetelede bobin.

    2.3 Concluziin acest capitol au fost prezentate principalele metode de cretere a eficienei energetice

    a motoarelor monofazate asincrone cu condensator. n general, alimentarea motoarelormono/bifazate prin invertor se face atunci cnd se dorete funcionarea motorului la turaievariabil cu performane maxime. Aceast metod asigur randament ridicat, elimin sistemelede producere artificial a cmpului nvrtitor dar polueaz cu armonici reeaua i crete preulacionrii.

    n cazul n care motorul poate funciona la turaii multiple sau nu este necesar turaiavariabil sunt folosite metodele clasice de cretere a eficienei energetice: controlul tensiunii dealimentare, condensatorul electronic sau mbuntirea circuitului electric, magnetic sau deventilaie. Ultima metod este cea mai bun, dar implic costuri mari datorate reconstrucieimotoarelor existente i nu este practic pentru motoarele de puteri fraciuni de kW. Astfelmetodele rmase reprezint soluii optime. Dintre acestea condensatorul electronic pare s fiemetoda optim datorit polurii reduse cu armonici a reelei, preului relativ sczut aldispozitivelor electronice i posibilitii de a obine randament maxim la puncte de funcionarevariate dup o lege simpl de comand.

    CAPITOLUL 3MODELUL MATEMATIC I SIMULAREA FUNCIONRII MOTORULUIMONOFAZAT ASINCRON

    3.1 Modelul matematic general al mainilor de curent alternativ fr colectorn [47] se prezint modelul general al mainilor de curent alterativ fr colector

    particularizat pentru un motor electric sincron. Acest model poate fi folosit pentru studiulfuncionrii oricrui motor de curent alternativ fr colector. Modelul poate fi adaptat pentru unmotor monofazat asincron cu condensator permanent. Pentru nceput se pornete de la un motorbifazat, bipolar, denumit main echivalent. Orice motor de curent alternativ poate fi redus laaceast main echivalent. Se fac urmtoarele ipoteze simplificatoare:

    Statorul i rotorul sunt bifazate i bipolare, decalate cu 90 electrice; Rotorul este echilibrat, respectiv statorul este dezechilibrat, adic parametrii R i L au

    valori diferite pentru cele dou nfurri statorice; Pot fi mai multe nfurri, dar axele acestora sunt decalate cu 90 electrice; Parametrii motorului sunt independeni de mrimile electrice sau magnetice, deci se

    consider un motor electric fr saturaie; Se ia n calcul doar armonica fundamental de timp i spaiu a induciei din ntrefier; Pe fiecare ax exist un ntrefier echivalent, diferit.

    Un reper n care axele de referin 1 i 4 sunt fixe n raport cu axele bobinelorstatorice, iar axele de referin rotorice 2 i 3 sunt solidare cu axele 1 i 4 se numete sistem dereferin cvasiholonom.

    n Fig. 3.2 se indic axele de referin ale unui motor electric fr colector ntr-un repercvasiholonom la o poziie rotoric oarecare.

    ntr-un astfel de reper axele bobinelor statorice sunt invariabile n timp fa de axele dereferin statorice, iar axele bobinelor rotorice 2, 3 variaz fa de axele de referin rotorice 2,repectiv 3. Exprimate n reper holonom la o poziie rotoric oarecare cele patru tensiunimagnetice sunt:

    xFxi

    pkw

    xf w

    coscos

    2)( 11111 (3.3)

    'cos'cos

    2)'( 22222 xFxipkw

    xf w

    (3.4)

  • 20

    2'cos

    2'cos

    2)'( 33333

    xFxi

    pkw

    xf w (3.5)

    2cos

    2cos

    2)( 44444

    xFxi

    pkw

    xf w (3.6)unde p reprezint numrul de perechi de poli, este pasul polar, w i wk sunt numrul despire, respectiv factorul de nfurare al celor patru bobine, iar axa de referin a rmas ceaconsiderat anterior, axa 1.

    Fig. 3.2. Motor bifazat n reper cvasiholonom la o poziie rotoric oarecare.Se scriu expresiile tensiunilor n reper cvasiholonom i ale fluxurilor fasciculare ale

    nfurrilor. Expresiile acestora sunt:

    2

    233

    1

    0

    2

    2221

    1

    01

    cossinsincos

    sinsincoscoscos

    dxxFxFl

    dxxFxFxFl

    i

    i

    (3.13)

    0 334

    0

    0 2244

    04

    cossinsincos

    sinsincoscossin

    dxxFxFl

    dxxFxFxFl

    i

    i

    (3.17)

    sincossinsin2

    sincoscoscos2

    32

    244

    0

    32

    211

    02

    FFFl

    FFFl

    i

    i

    (3.24)

    dxxFxFxFl

    dxxFxFxFl

    i

    i

    sincossinsinsin

    sincoscoscoscos

    4324

    0

    3211

    03

    (3.23)

    Integrnd, dup cteva operaii matematice simple se ajunge la:

    sincos2 3211

    01 FFFli (3.16)

  • 21

    sincos2 2344

    04 FFFli (3.20)

    sincossinsin2

    sincoscoscos2

    32

    244

    0

    32

    211

    02

    FFFl

    FFFl

    i

    i

    (3.23)

    coscoscossin2

    sincossinsin2

    42

    324

    0

    2321

    1

    03

    FFFl

    FFFl

    i

    i

    (3.27)

    Avnd n vedere expresiile tensiunilor magnetice, fluxurile nlnuite de nfurrile 1, 2, 3 i 4se pot scrie:

    sin4cos44 32221

    02

    222

    1

    01

    112

    1

    01 ip

    kwlipkwli

    pkwl WiWiWi (3.28)

    Similar, expresia fluxului nfurrii 4 este:

    sin4cos44 32224

    02

    222

    4

    04

    442

    4

    04 ip

    kwlipkwli

    pkwl wiwiwi (3.29)

    Se noteaz inductanele proprii i mutuale astfel:

    pkwlL

    pkwlL

    wi

    wi

    222

    1

    012

    112

    1

    011

    4

    4

    pkwlL

    pkwlL

    wi

    wi

    222

    4

    042

    442

    4

    044

    4

    4

    (3.30)

    n urma substituiei inductanelor proprii i mutuale n ecuaiile fluxurilor se ajunge la: sincos 3112121111 iLiLiL

    (3.31)

    cossin 3422424444 iLiLiL

    cossinsinsinsincoscoscos

    3422

    242444

    3122

    2121112

    iLiLiLiLiLiL

    2

    342242444

    23122121113

    coscossinsinsincossinsin

    iLiLiLiLiLiL

    Se noteaz sincos 32'2 iii (3.32) cossin 32'3 iii

    Se dorete s se nlocuiasc nfurrile rotorice ce se nvrt odat cu rotorul prin nitenfurri fictive, fixe n raport cu statorul i avnd aceleai axe cu nfurrile statorice fr sse modifice transferul de putere la borne ori cuplul. Pentru a avea acelai cuplu este necesar cainducia magnetic din ntrefier produs de nfurrile fictive s aib aceeai valoare cu induciaprodus de nfurrile reale. Se urmrete acest lucru pentru a nlocui expresiile fluxurilorproduse de nfurrile rotorice cu variaii ale fluxurilor statorice, iar n ecuaiile de tensiune sexiste doar combinaii ale acestora.

    Se vor calcula expresiile tensiunilor:

    cossinsincos

    32'3

    32'2

    uuu

    uuu

    (3.42)

  • 22

    Se scrie n continuare ecuaia cuplului electromagnetic i ecuaia de micare, iar astfel sedetermin un sistem de ase ecuaii cu ase necunoscute ce caracterizeaz funcionarea motoruluiasincron n regim dinamic:

    rMMdtd

    pJ

    Miipdtd

    dtd

    dtdiL

    dtdiLiRu

    dtd

    dtd

    dtdiL

    dtdiLiRu

    dtd

    dtdiLiRu

    dtd

    dtdiLiRu

    2

    21441

    14

    '22'3

    3'33'3

    41

    '33'2

    2'22'2

    444444

    111111

    )(

    (3.50)

    unde p este numrul de perechi de poli, J reprezint momentul de inerie rotoric, M estecuplul electromagnetic, respectiv rM cuplul rezistent la axul motorului.

    Ecuaiile sunt particularizate pentru un motor asincron monofazat cu condensatorconectat permanent. Aceasta implica tensiuni rotorice egale cu zero i introducereacondensatorului n serie cu faza auxiliar:

    dtiCiRu C 4441 (3.51)

    3.2 Simularea funcionrii n regim dinamic a motorului monofazat asincronParametrii motorului monofazat asincron au fost estimai n [9] i [10]. Cu aceti

    parametri a fost simulat funcionarea motorului monofazat asincron cu condensator. ncontinuare se prezint curbele reprezentative pentru motor pentru configuraia cu 2 poli.

    Fig. 3.1. Curentul prin nfurarea principala i auxiliar.

    Fig. 3.2. Curentul prin nfurrile rotorice.

  • 23

    Fig. 3.3. Variaia vitezei i a cuplului electromagnetic.

    Fig. 3.4. Caracteristica mecanic.3.3 Concluziin acest capitol a fost prezentat un model matematic general al motoarelor electrice de

    curent alternativ fr colector. Acest model a fost particularizat pentru un motor monofazatasincron cu condensator conectat permanent. Au fost determinai parametrii electrici aimotorului i simulat funcionarea n regim dinamic. Rezultatele obinute n urma ncercrilorexperimentale vor confirma acurateea modelului.

    CAPOTOLUL IVSTAND EXPERIMENTAL PENTRU TESTAREA MOTOARELOR ELECTRICE DEMIC PUTERE

    Pentru obinerea curbelor reprezentative ale motoarelor de mic putere s-a urmritconstrucia unui stand experimental controlat din calculator cu ajutorul cruia sunt determinate nregim dinamic sau staionar mrimile electrice-de intrare, reprezentate prin cureni i tensiuni,respectiv mecanice-de ieire, reprezentate prin cuplu i turaie, ale motoarelor supuse testelor.Prelucrarea i afiarea mrimilor se poate face n timp real sau ulterior, n modul off-line, cuprograme dedicate de calcul.

    Standul este compus din cinci sisteme distincte: Frna pentru testarea motoarelor de mic putere; Sistemul de achiziie a datelor; Circuitul de pornire/oprire din calculator a motoarelor de mic putere; Comunicaia cu calculatorul i mediul de programare pentru controlul standului; Baz de date pentru stocarea datelor.

    n Fig. 4.1 se indic schema bloc a standului experimental, n acest caz fiind prezentatmontajul experimental pentru testarea motoarelor monofazate asincrone cu condensator conectatpermanent. Curbele determinate n regim dinamic i n timp real sunt obinute prin achiziiarepetat i prelucrarea datelor de intrare i ieire. Timpii necesari pentru citirea eantioanelor ideterminarea valorilor efective din formele de und ntre achiziii succesive sunt de ordinulzecilor de milisecunde, astfel este necesar ca asupra datelor s se efectueze un numr minim deoperaii. Acesta este motivul pentru este folosit un numr mai mare de traductoare de curentdect cel minim necesar. Curentul absorbit de motorul electric, msurat de traductorul TC1, poatefi compus din suma celorlali doi dar timpul necesar efecturii operaiei de determinare a formeide und i a valorii efective crete. Diferenele ntre valorile efective obinute prin prelucrarea pecalculator a formelor de und ale curentului absorbit i celui rezultat din suma curenilor prinnfurarea principala i cea auxiliar sunt mici, apropiate de 1%. De asemenea, s-a doritsurprinderea regimurilor tranzitorii ale curentului determinat de comutaia condensatoruluielectronic i reducerea operaiilor de conectare sau deconectare a unui traductor.

  • 24

    Alturi de traductoarele de tensiune i curent multimetre digitale au fost conectate ncircuit pentru vizualizarea n timp real a valorilor efective ale mrimilor electrice i comparareaacestora cu valorile obinute n urma prelucrrii formelor de und pe calculator.

    Fig. 4.1. Schema bloc a standului experimental.4.1 Dinamometru pentru testarea motoarelor electrice de mic putereCele trei categorii de dinamometre fabricate de Magtrol sunt: dinamometre cu

    histerezis, cureni turbionari i pulberi.

    4.1.1 Dinamometru cu histerezisFrna cu histerezis folosit la acest stand este modelul HD-705-8NA. Este construit

    special pentru testarea motoarelor electrice de mic putere, pn la 300W n regim continuu sau1400W n regim intermitent.

    Cuplul rezistent se obine fr frecare i este independent de vitez. Cele trei elementeale frnei care genereaz cuplu sunt: rotorul sub form de pahar, care este fabricat dintr-unmaterial special, respectiv statorul cu poli apareni i nfurarea de excitaie. Datorit rotoruluin construcie special momentul de inerie al acestor frne este mic. Un alt avantaj reprezintposibilitatea impunerii unui cuplu rezistent ct i a unei turaii fixe din unitatea de control.

    4.1.2 Sistemul de fixare a motoarelor de mic puterePermite conectarea motoarelor cu dimensiuni variate, de puteri mici, la dinamometrul

    cu histerezis. Sistemul a fost construit special pentru fixarea motorului supus testelor, un motorn construcie special cu o carcas cilindric.

    Sistemul de fixare are patru grade de libertate, oferind posibilitatea de reglare amotorului dup cele trei axe rectangulare i rotirea n plan orizontal. Cuplajul dintre axulmotorului i cel al frnei este unul flexibil care permite eliminarea vibraiilor datoratenealinierilor unghiulare sau paralele, astfel erorile de msur produse de vibraiile standului sunteliminate.

    4.1.3 Unitatea de controlEste o unitate programabil de vitez ce poate fi folosit manual sau programat din

    calculator. Caracteristicile importante ale unitii programabile sunt descrise n [69] i se prezintn continuare:

    Este implementat un sistem de alarme pentru mrimile mecanice, de temperatur sau alefluxurilor de aer sau ap; n cazul senzorului de temperatur, depirea valorilormaxime alese duce la imposibilitatea folosirii dinamometrului;

    Comunicaia cu calculatorul se face prin interfeele RS-232 sau IEEE-488, ultima fiindnumit i GPIB (General Porpose Interface Bus); pot fi achiziionate 120 eantioane pe

  • 25

    secund ale cuplului i turaiei n cazul interfeei GPIB, respectiv 60 pentru comunicaiaserial;

    Ieiri analogice n tensiune pentru cuplu i turaie; Afiarea valorilor cuplului, turaiei, puterii mecanice i valorilor P, I, D ale regulatorului

    pe un ecran LCD; Regulator PID n bucl nchis ce permite controlul dinamometrului prin traductorul de

    cuplu; Controlul frnei se face prin reglarea valorii curentului cu care este alimentatnfurarea de excitaie;

    Surs intern de tensiune continu stabilizat pentru frnele cu histerezis; Filtru digital pentru eliminarea zgomotelor din semnalul cuplului.

    4.2 Sistemul de achiziie a datelorPentru obinerea mrimilor de intrare ale motorului supus testelor, respectiv formele de

    und ale curenilor i tensiunilor, a fost necesar folosirea unui sistem de achiziie de date.Deoarece placa de achiziie suport intrri analogice doar n tensiune, de valori mici (maxim10V), a fost necesar folosirea unei placi cu traductoare pentru aducerea nivelelor de tensiune nlimitele acceptate i conversia curenilor n valori de tensiune. De asemenea, construciancapsulat a plcii de achiziie a necesitat folosirea unei plci intermediare, de conexiune, careface legtura ntre placa cu traductoare i cea de achiziie. Astfel, sistemul complet de achiziieeste compus din trei plci distincte: placa cu traductoare, placa de conexiuni i placa de achiziiea datelor.

    4.2.1 Placa cu traductoareEste o plac construit n laboratorul de electronic. Aceasta conine patru traductoare

    de tensiune i patru de curent alimentate de la un circuit izolat i stabilizat de curent continuu.Traductoarele sunt fabricate de firma LEM, iar funcionarea acestora se bazeaz pe efectul Hall.Ofer separare galvanic ntre circuitul primar (de putere) i cel secundar (de semnal).

    Traductoarele de tensiune sunt de tipul LV-25P, iar n Fig. 4. se prezint schema electricce detaliaz modul de conectare al acestora. Rezistenele 31 RR au rolul de a limita curentul deintrare al traductorului la o valoare apropiat de cea nominal de 10mA, pentru tensiuni de 400V,respectiv 230V. Ieirea acestor traductoare de tensiune este similar unui generator de curent,astfel se va msura cderea de tensiune pe o rezisten 4R plasat ntre ieire i mas. Raportulde transformare pentru aceste traductoare este de 1/100. Productorul garanteaz funcionarealiniar, o deriv termic mic, timp de rspuns relativ mare de 40s i o eroare a traductoarelorsub 1%. Acest timp de rspuns relativ mare va determina imposibilitatea achiziiei formelor deund ale tensiunii specifice regimurilor tranzitorii ale condensatorului electronic. Observaia vafi detaliat n capitolul 5, Rezultate experimentale.

    Fig. 4.2. Schema electric explicativ privindmodul de conectare a traductoarelor de tensiune.

    n Fig. 4.2 se prezint schema electric ce descrie modul de conectare a traductoarelor decurent, acestea fiind de tipul HY5-P. Ca i n cazul celor de tensiune exist o separare galvanicntre circuitul de for i cel de semnal. Eroarea maxim a acestor traductoare este de 2%. Au untimp de rspuns mic, de 5s, o funcionare liniar i deriv termic mic. Ieirile sunt n tensiune,astfel nefiind necesare elemente pasive de circuit ca i n cazul traductoarelor de tensiune. Ieirileacestor traductoare sunt legate la conectori BNC, iar cabluri coaxiale ecranate fac legtura ntre

  • 26

    placa cu traductoare i placa de conexiune descris n continuare. Ieirile ambelor traductoaresunt flotante.

    Fig. 4.3. Schema electric explicativ privind modul de funcionare al traductoarelor de curent.

    4.2.2 Placa de conexiuneEste produs de firma National Instruments, avnd seria SCC-68, reprezint o

    modalitate uoar de conectare a intrrilor sau ieirilor unei plci de achiziie ncapsulat. Esteconstruit special pentru plcile cu 68 pini. Conectarea cablurilor de semnal la aceast plac seface prin terminale cu urub. Placa conine filtre pentru eliminzarea zgomotelor. Terminalelesunt numerotate i alegerea acestora se face n funcie de modul de achiziie: diferential, cu masaca referin.

    4.2.3 Placa de achiziie a datelorEste fabricat de National Instruments-NI i are seria NI USB-6251 Mass Termination.

    Este o plac de vitez optimizat pentru msurtori de precizie la rate mari de eantionare.Aceasta are o rezoluie de 16 bii care poate citi 1,25 Ms pe secund pentru un singur canal,respectiv 1 Ms pe secund pentru mai multe canale. Are 16 intrri analogice ce pot fi folosite lamsurtori cu masa ca referin i 8 la msurtori difereniale, la un nivel maxim de tensiune de+/- 10 V. De asemenea, dispune de 2 ieiri analogice n tensiune i 24 ieiri sau intrri digitale.Se alimenteaz de la o surs de tensiune continu extern, stabilizat. Placa este ncapsulat, iarcomunicaia cu calculatorul se face prin interfaa USB. Productorul ofer alturi de placa fizici drivere un soft dezvoltat care controleaz placa, numit Measurement and AutomationExprorer-Max. Folosind acest soft utilizatorul are posibilitatea de a parametriza achiziia de datei de a realiza achiziii simple fr programe specializate. Softurile produse de NI i dezvoltatepentru achiziia datelor sunt LabWindows/CVI i Labview.

    4.3 Circuitul de pornire/oprire din calculator a motoarelor electrice de mic puterePentru a simula un regim de funcionare specific motoarelor supuse testelor a fost

    construit un circuit relativ simplu pentru pornirea i oprirea motorului din calculator. Scopulprincipal al simulrii funcionrii motoarelor este determinarea eficienei energetice totale aacestora, fiind supuse testelor n regim dinamice specific pornirii sau n regim static. A fostnecesar s se in cont de trei limitri. Prima se refer la construcia special a unui motor supustestelor care are trei posibiliti de funcionare: la turaie mare ntr-un singur sens i la turaiemic n ambele sensuri. A doua limitare se refer la modul de achiziie a datelor: indiferent desensul i turaia la care funcioneaz motorul, traductorul de tensiune sau curent s msoareaceeai mrime electric pentru a nu se modifica ordinea n care sunt achiziionate. Ultimalimitare se datoreaz plcii de achiziie. A fost necesar folosirea ieirilor digitale n tensiune aleplcii de achiziie, numrul celor analogice fiind insuficient.

    n Fig. 4.4 se prezint schema de for a sistemului de pornire-oprire. Pentru construciacircuitului sunt folosite dou tipuri de relee. Cele de for, reprezentate de releele k1-k6 suntdispozitive cu un singur contact ND, cu un curent maxim de 16A, iar bobina de comand estealimentat la o tensiune continu egal cu 5V. Releele miniatur sau de comand, notate prin kTsau kc, sunt relee cu dou contacte ND+N i au rolul de a conecta-deconecta traductoarele detensiune sau ca elemente intermediare n circuitul de comand.

  • 27

    Fig. 4.4. Schema electric a circuitului de pornire/oprire din calculatora motoarelor electrice de mic putere.

    n Fig. 4.5 se prezint etajul final al circuitului de comand. Exist trei subcircuiteidentice cu cel din figura de mai jos, fiecare controlnd releele intermediare kc specifice celor treiposibiliti de acionare a motorului testat. Circuitul permite controlul din calculator, ct i celmanual, iar acesta din urm are prioritate. Pentru controlul din calculator sunt folosite ieiriledigitale ale plcii de achiziie i sunt izolate galvanic fa de circuitul de comand al plcii prinoptocuplare cu tranzistor (O1,O2). A fost urmrit realizarea circuitului cu automeninere pentrua simplifica programul pe calculator, astfel timpul n care ieirie digitale ale plcii sunt la +5Veste minim, necesar comutaiei releelor, specificat n foile de catalog i apropiat de 20 ms.

    Fig. 4.5. Etaj final al circuitului de comand.

    4.4 Comunicaia cu calculatorul i mediul de programareCalculatorul reprezint unitatea central a standului experimental, modulul care

    controleaz achiziia datelor ct i unitatea programabil a frnei. Comunicaia cu cele doudispozitive se face simultan dar prin interfee diferite. Placa de achiziie este controlat prin

  • 28

    portul USB, iar unitatea de control DSP 6001 prin interfaa serial. Astfel, a fost necesar unprogram care s permit programarea uoar i rapid a achiziiei de date dar i controlul frneiprin interfaa de comunicaie. Programul folosit se numete LabVIEW-Laboratory VirtualInstrument Engineering Workshop i reprezint alegerea optim pentru controlul standului.Acesta a fost dezvoltat special pentru achiziia de date, comunicaia cu diverse echipamente,prelucrarea i afiarea datelor achiziionate.

    Interfaa serial RS 232 a fost folosit pentru comunicaia dintre calculator i unitatea decontrol a frnei. Aceasta reprezint o alternativ ieftin a interfeei GPIB i a fost motivulprincipal pentru care a fost aleas. Ulterior s-a dovedid a fi suficient de rapid pentru aplicaie.

    4.4.1 Iniializarea unitii de controln Fig. 4.6 se prezint Diagrama Bloc pentru iniializarea unitii DSP 6001. Nu este

    necesar ca aceast iniializare s fie fcut la fiecare rulare a programului, comenzile trimise spreunitatea de control sunt salvate n memoria nevolatil a acesteia. De asemenea, din programul pecalculator pot fi modificate din calculator valorile P, I i D ale regulatorului.

    Fig. 4.6. Diagrama Bloc construit pentru iniializarea unitii de control DSP 6001.Este obligatoriu ca instruciunile trimise de calculator spre unitatea de control s fie

    caractere ASCII litere mari i s se termine cu caracterele \r\n, comand ce reprezint linienou. Ignorarea acestora genereaz erori de comunicaie inevitabile.

    4.4.2 Achiziia datelor n regim staionarn cazul achiziiei datelor n regim staionar a fost aleas o rat mare de eantionare,

    timpii necesari achiziiei nefiind importani n acest caz. Se urmrete determinarea cu exactitatea formelor de und pentru a obine valorile efective, armonicile i defazajele n urma prelucrriioff-line a datelor achiziionate.

    Utilizatorul impune un cuplu rezistent motorului, iar cnd cuplul citit este apropiat decel impus se face achiziia datelor. Cu modificri minime asupra programului se poate impuneturaia ca parametru n locul cuplului. A fost considerat cuplul rezistent ca mrime de intrare,respectiv turaia mrime de ieire. Valorile citite sunt afiate n Panoul Frontal i salvate nfiiere text. Deoarece exist diferene majore ntre amplitudinile tensiunilor i curenilor, pentru afi uor vizualizate formele de und, n cazul afirii, nu se ine cont de rapoartele de transformareale traductoarelor de tensiune. Eantioanele vor fi multiplicate cu constantele de transformare ncazul salvrii n fiier. Dup achiziia eantioanelor cuplul rezistent al frnei este eliminat, iarmotorul este readus la mersul n gol. Ulterior mrimile electrice sunt prelucrate off-line irezultatele obinute se salveaz n baza de date.

  • 29

    n figura 4.7 este prezentat Panoul Frontal al achiziiei datelor n regim staionar. Acestaare trei zone distincte:

    partea stnga superioar, zon specific comunicaiei seriale: este impus cuplu rezistentmotorului i se vizualizeaz irul de caractere returnat de unitatea de control i valorileextrase ale cuplului i turaiei;

    partea dreapt superioar, zon din care se parametrizeaz achiziia datelor: poate fimodificat numrul de eantioane citite, canalele analogice ce urmeaz s fieachiziionate, nivelurile maxime de tensiune i declanatorul analogic intern.

    partea inferioar n care sunt vizualizate formele de und.

    Fig. 4.7. Panoul Frotal al achiziiei de date n regim staionar.

    4.4.3 Achiziia datelor n regim dinamicS-a urmrit determinarea caracteristicilor mecanice ale motoarelor supuse testelor

    pentru diferite valori ale condensatorului nseriat cu nfurarea auxiliar. Iniial acestemsurtori au fost efectuate n regim staionar pentru diferite valori ale cuplului rezistent impusmanual din unitatea de control. Msurtorile au putut fi fcute pentru valori ale cuplului apropiatde cel critic. A fost necesat un timp ndelungat pentru efectuarea ncercrilor, astfel nclzireaputernic a motorului a influenat uneori rezultatele obinute.

    Urmtorul pas a fost obinerea acestor caracteristici din LabVIEW n regim dinamicfolosind interfaa serial. De asemenea, s-a urmrit variaia mrimilor electrice n funcie decuplul rezistent.

    n figura 4.19 a) se prezint un detaliu al Panoului Frontal n care se pot vizualizacaracteristica mecanic i variaia mrimilor electrice de intrare n regim dinamic. Cuplul esteconsiderat mrime de intrare. Curbele obinute corespund motorului monofazat asincronfunionnd la turaie mare cu o valoare a condensatorului de 10 F. Subprogramul poate fi folositpentru determinarea caracteristicii oricrui motor electric, prin parametrizarea funciilor cecontroleaz unitatea DSP 6001. Datele experimentale interpolate se prezint n Fig. 4.8 b).

  • 30

    a)

    b)Fig. 4.8. Panoul Frontal al subprogramului pentru determinarea caracteristicii mecanice:a) reprezentarea grafic a datelor achiziionate; b) curbe interpolate ale datelor prezentate

    anterior.

  • 31

    4.4.4 Program pentru simularea regimului de funcionare al motoruluiPentru simularea unui regim de funcionare al motorului monofazat asincron a fost

    construit un subprogram n LabVIEW. A fost dezvoltat special pentru regimul de splare careimplic porniri i opriri dese. Scopul final este determinarea experimental a randamentuluiglobal al sistemului motor monofazat i condensator electronic la funcionare ndelungat.

    4.5 Baza de dateAa cum a fost amintit, motorul supus testelor poate s funcioneze n trei variante

    distincte. Msurtorile n regim staionar, la valori fixe ale condensatorului, au fost repetatepentru fiecare posibilitate de acionare i au reprezentat un numr semnificativ de valori. A fostnecesar construcia unei baze de date pentru stocarea valorilor rezultate din prelucrarea formelorde und achiziionate. Pentru realizarea aplicaiei prezentat n figurile urmtoare a fost folositprogramul Open Source Eclipse, iar pentru administrarea acesteia Postgre SQL. Dezvoltareaaplicaiei grafice a fost fcut n Java.

    Folosind mediul de programare Matlab a fost realizat conexiunea la baza de date. Cuajutorul instruciunilor specifice programrii SQL a fost posibil interogarea bazei, sortareadatelor stocate sau introducerea noilor msurtori.

    4.6 Concluziin acest capitol s-a prezentat un stand experimental nestandardizat construit pentru

    testarea motoarelor electrice de mic putere, dinamometrul utilizat fiind unul cu histerezis.Caracteristica mecanic determinat folosind dinamometrul cu histerezis a fost comparat cu altedou caracteristici obinute cu dinamometrul cu pulberi Magtrol, respectiv dinamometrulnestandardizat al laboratorului de testat motoare electrice al firmei SC Electroprecizia SA Scele.Diferenele minime ntre cele trei curbe confirm buna calibrare a standului cu histerezis.

    A fost construit fizic un sistem de achiziie a datelor ce permite msurarea cu exactitate,n limita de eroare a multimetrelor digitale, a mrimilor electrice de intrare ale motorului supustestelor. Programul realizat pentru controlul achiziiei permite obinerea formelor de und alemrimilor electrice n regim staionar sau dinamic, n al doilea caz fiind posibil prelucrarea ntimp real a acestora pentru determinarea valorilor efective i defazajului dintre acestea. S-aurmrit determinarea randamentului n funcie de cuplu rezistent.

    Pentru simularea regimului de funcionare al motorului supus testelor a fost construit uncircuit electronic controlat din calculator. Motoare electrice monofazate de pn la 0,55kW pot fialimentate utiliznd acest circuit. Programul care controleaz regimul de funcionare este uorparametrizabil, putnd fi simulate cu uurin regimuri intermitente de funcionare. Se doretedeterminarea eficienei energetice globale, la funcionare ndelungat a motorului supus testelor.

    CAPITOLUL 5REZULTATE EXPERIMENTALE

    Pentru o uoar parcurgere a ncercrilor experimentale a fost alctuit un plan. Acesta secaracterizeaz prin dou tipuri distincte de experimente:

    1. ncercri experimentale cu condensatoare de valori fixe. Se vor face teste n regimstaionar pentru diferite valori ale condensatorului i ale cuplului rezistent, corespunztoare celordou turaii. Se urmrete determinarea variaiei cuplului de pornire, curentului absorbit,factorului de putere, puterii absorbite, puterii utile, randamentului i a locului geometric alcurenilor n funcie de condensator. De asemenea, s-a urmrit variaia caractisticii mecanice nfuncie de condensator. Valorile cuplului rezistent pn la care s-au putut face experimentele aufost apropiate dar nferioare de cele ale cuplului critic.

    Testele au fost fcute pentru o plaj de la 1F la 20F pentru configuraia cu doi poli,respectiv 1F-30F pentru configuraia cu 12 poli cu un increment de 1F. n cazul configuraieicu doi poli valoarea maxim a condensatorului pentru care s-au fcut teste a fost determinat denclzirea puternic a motorului i decuplarea acestuia de ctre protecia termin dup un timpscurt de funcionare. Pentru configuraia cu 12 poli s-au fcut teste pn la o valoare a

  • 32

    condensatorului egal cu 30 F deoarece a fost remarcat n timpul testelor o depreciere aperformanelor motorului.

    2. ncercri experimentale cu condensator electronic. n cazul testelor cu motorulmonofazat asincron i condensatorul electronic s-a urmrit:

    verificarea experimental a variaiei capacitii echivalente n funcie de factorul deumplere;

    verificarea performanelor motorului la valorilor optime determinate anterior folosindcondenatorul electronic;

    influena frecvenei de comutaie asupra capacitii echivalente; influena timpului mort asupra capacitii echivalente; estimarea pierderilor de comutaie i de comand; analiza comparativ a randamentului total n regim de funcionare ndelungat pe

    standul de ncercat motoare de mic putere; testele sunt fcute pentru regimul dinamicintermitent.

    5.1 Descrierea motorului monofazat asincronAa cum a mai fost amintit, motorul monofazat asincron este n construcie special i

    poate funciona n dou regimuri diferite, specifice unei maini de splat: un regim dinamicintermitent, n ambele sensuri, corespunztor ciclului de splare i unul static, ntr-un singur senscorespunztor stoarcerii. Motorul este produs de firma romneasc ANA IMEP Piteti.

    5.2 ncercri experimentale cu motorul monofazat i condensatoare de valori fixeAceste ncercri au fost fcute n regim staionar pe standul de testat motoare electrice

    de mic putere. Din unitatea de control a fost impus un cuplu rezistent frnei, iar cnd cuplul citita fost apropiat de cel impus a fost fcut achiziia formelor de und. Acestea au fost salvate nfiiere text, iar ulterior prelucrate n mediul de programare MATLAB. Valorile calculate au fostsalvate ulterior n baza de date. Pentru reprezentarea grafic a curbelor a fost interogat baza dedate i sortate valorile dup diferite criterii. Alturi de valorile msurate sunt prezentate curbeleinterpolate. Numrul total de linii din baza de date corespunztor ncercrilor n regim staionar,obinute din formele de und, este apropiat de 1000.

    n figura 5.1 se prezint variaia cuplului de pornire n funcie de condensator. Valorileoptime determinate experimental sunt apropiate de 30F pentru ambele configuraii, pesteaceast valoare cuplul de pornire scade. Att pentru configuraia cu doi poli, ct i pentru cea cu12 poli, msurtorile au fost dificile pentru valori mari ale condensatorului i au existat posibileerori de msur. Timpul de rspuns al cntarului a fost mare, de ordinul secundelor, iar greutateacu care apsa braul pe de cntar scdea repede. Astfel, citirea cu exactitate a greutii cu careapsa braul a fost dificil.

    a) b)Fig. 5.1. Cuplu pornire n funcie de condensator:

    a) configuraia cu 2 poli; b) configuraia cu 12 poli.

    0 10 20 30 40 50 60020406080

    100120140160180

    Condensator [uF]

    Cuplu

    [Ncm

    ]

    Cuplu pornire in functie de condensatorpentru configuratia cu 2 poli

    Valori masurate cu motorul receValori masurate cu motorul cald

    0 10 20 30 40 50 600

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    Condensator [uF]

    Cuplu

    [Ncm

    ]

    Cuplu pornire in functie de condensatorpentru configuratia cu 12 poli

    Valori masurate cu motorul caldValori masurate cu motorul rece

  • 33

    n figura 5.2 se prezint variaia curentului absorbit n funcie de condensator. Seobserv c n cazul configuraiei cu 2 poli minimul este aproximativ egal pentru cele patru valoriale cuplului rezistent. Pentru configuraia cu 12 poli sunt diferene ntre valorile minime alecurentului dar nu semnificative. De asemenea, curentul absorbit de la reea este influenat devaloarea cuplului rezistent pentru configuraia cu 2 poli, iar n cazul configuraiei cu 12 polivaloarea curentului absorbit este influenat doar de valoarea condensatorului. Pentru aceastconfiguraie, la valori mari ale condensatorului, curentul absorbit de la reea tinde s scad.Ulterior se va arta c valoarea minim a curentului absorbit de la reea determin eficienamaxim.

    a) b)Fig. 5.2. Curent absorbit n funcie de condensator:

    a) pentru configuraia cu 2 poli; b)pentru configuraia cu 12 poli.n Fig. 5.3 se prezint variaia factorului de putere n funcie de condensator. Pentru

    configraii factorul de putere crete odat cu ncrcarea motorului. La 2 poli pentru o valoaremare a condensatorului, de peste 15 F, factorul de putere tinde spre unitate. La 12 poli acesta seapropie de unu, apoi ncepe s scd, devenind capacitiv.

    a) b)Fig. 5.3. Factor de putere n funcie de condensator pentru:

    a) configuraia cu 2 poli; b) configuraia cu 12 poli.n figura 5.4 se prezint variaia eficienei energerice a motorului monofazat asincron n

    funcie de condensator pentru cele dou configuraii. Comparnd cu variaia curentului n funciede condensator se poate spunde c acesta este cel care determin eficiena maxim a motorului

    0 5 10 15 202.5

    3

    3.5

    4

    Condensator [uF]

    Curen

    t absorb

    it [A]

    Curent absorbit in functie de condensatorpentru configuratia cu 2 poli

    N1=10NcmN2=20NcmN3=40NcmN4=80Ncm

    0 5 10 15 20 25 30

    1.41.61.82

    2.22.42.62.8

    Condensator [uF]

    Curen

    t absorb

    it [A]

    Curent absorbit in functie de condensatorpentru configuratia cu 12 poli

    N1=30NcmN2=90NcmN3=150NcmN4=190Ncm

    0 5 10 15 200.7

    0.75

    0.8

    0.85

    0.9

    0.95

    1

    1.05

    Condensator [uF]

    Facto

    r de p

    utere

    Factor de putere in functie de condensatorpentru configuratia cu 2 poli

    M1=10NcmM2=20NcmM3=40NcmM4=80Ncm

    0 5 10 15 20 25 300.65

    0.7

    0.75

    0.8

    0.85

    0.9

    0.95

    1

    Condensator [uF]

    Facto

    r de p

    utere

    Factor de putere in functie de condensatorpentru configuratia cu 12 poli

    M1=30NcmM2=90NcmM3=150NcmM4=190Ncm

  • 34

    monofazat. Pentru configuraia cu 2 poli variaia condensatorului corespunztoare eficieneimaxime, la diferite valori ale cuplului rezistent, este mai mic dect variaia pentru configuraiacu 12 poli.

    a) b)Fig. 5.4. Randament n funcie de condensator pentru:a) configuraia cu 2 poli; b) configuraia cu 12 poli.

    Eficiena energetic maxim nu corespunde valorii nominale a condensatoruluirecomandat de fabricantul motorului. Aceasta a fost aleas ca un compromis ntre o valoare caregenereaz un cuplu de pornire suficient i a unui randament acceptabil n timpul funcionrii.

    n figura 5.5 se prezint locul geomeric al curenilor pentru dou valori ale cupluluirezistent i o plaj de valori ale condensatorului, corespunztor configuraiei cu 2 poli. S-aurmrit determinarea efectului condensatorului asupra locului geometric al curenilor. Se observc la o valoare optim a capacitii i la cuplu nominal cei doi cureni descriu o elips,componenta invers a cmpului magnetic nvrtitor fiind semnificativ. Aa cum a fost amintit n[19], cmpul magnetic circular este obinut la o valoare a condensatorului superioar celuicorespunztor eficienei energetice maxime. Astfel, cmpul circular nu determin un randamentmaxim.

    a) b)Fig. 5.5. Loc geometric al curenilor pentru configuraia cu 2 poli:

    a) cuplu rezistent nominal; b) cuplu rezistent egal cu 60 Ncm.Forma optim, apropiat de cerc, pentru configuraia cu 2 poli este la cuplu nominal i o

    valoare a condensatorului apropiat de 18 F. Pentru cuplu rezistent superior celui nominal

    0 5 10 15 2005

    1015202530354045

    Condensator [uF]

    Rand

    amen

    t [%]

    Randament in functie de condensatorpentru configuratia cu 2 poli

    N1=10NcmN2=20NcmN3=40NcmN4=80Ncm

    0 5 10 15 20 25 300

    5

    10

    15

    20

    25

    30

    Condensator [uF]

    Rand

    amen

    t [%]

    Randament in functie de condensatorpentru configuratia cu 12 poli

    M1=30NcmM2=90NcmM3=150NcmM4=190Ncm

    -6 -4 -2 0 2 4 6-6

    -4

    -2

    0

    2

    4

    6

    I1d [A]

    I1q [A

    ]

    Loc geometric al curentilor pentru configuratia cu 2 poliC1=3uFC2=5uFC3=8uFC4=10uFC5=12uFC6=14uFC4=18uF

    -6 -4 -2 0 2 4 6-6

    -4

    -2

    0

    2

    4

    6

    I1d [A]

    I1q [A

    ]

    Loc geometric al curentilor pentru configuratia cu 2 poliC1=3uFC2=5uFC3=8uFC4=10uFC5=12uFC6=14uFC4=18uF

  • 35

    forma locului geometric rmne apropiat de cea la cuplu nominal, dar la valori mari alecondensatorului se deformeaz vizibil. Pentru valori ale cuplului apropiat de cel maxim cureniivor descrie o elips cu axa mare n poziie vertical.

    n figura 5.6 se prezint locul geometric al curenilor pentru configuraia cu 12 poli.Curba descris de acetia nu se apropie de cea optim pentru niciuna din cele dou valori alecuplului rezistent. Alegerea nfurrilor pentru a permite funcionarea n ambele sensuri laparametri identici a determinat scderea performanelor. Pentru cuplul rezistent de 170 Ncm i ovaloare a condensatorului de 17 F locul geometric al curenilor este cel mai apropiat de cerc.

    a) b)Fig. 5.6 Loc geometric al curenilor pentru configuraia cu 12 poli:

    a) pentru un cuplu rezistent nominal; b) pentru un cuplu rezistent de 170Ncm.Concluzionnd cele prezentate anterior se poate afirma c:

    exist un optim al valorii condensatorului corespunztor unui cuplu maxim de pornire;valori superioare acestui optim determin scderea cuplului;

    valoarea optim a eficienei energetice este determinat de curentul absorbit i defactorul de putere; astfel, optimul condensatorului pentru un randament maximcorespunde unei valori minime a curentului absorbit;

    cmpul circular nu corespunde unei eficiene energetice maxime; valoareacondensatorului care determin un cmp optim este superioar celei corespunztoareunui randament maxim;

    valoarea condensatorului genereaz o variaie minim a turaiei, dar cuplul maxim estesensibil influenat.

    5.3 Descrierea condensatorului electronicTrei elemente distincte alctuiesc acest sistem:

    circuitul de for; circuitul de comand; sistemul de achiziie a datelor i prelucrarea pe calculator.

    5.3.1 Circuitul de for al condensatorului electronicCircuitul de for este compus dintr-o punte cu tranzistoare, n centrul creia se afl

    condensatorul fix i nfurarea auxiliar a motorului care reprezint un circuit RL serie. Schemaelectric a motorului monofazat cu condensator electronic se prezint n Fig. 5.7.

    -4 -2 0 2 4-4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    I1d [A]

    I1q [A

    ]

    Loc geometric al curentilor pentru configuratia cu 12 poliC1=8uFC2=11uFC3=13uFC4=14uFC5=15uFC6=17uFC4=22uF

    -4 -2 0 2 4-4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    I1d [A]

    I1q [A

    ]

    Loc geometric al curentilor pentru configuratia cu 12 poliC1=8uFC2=11uFC3=13uFC4=14uFC5=15uFC6=17uFC4=22uF

  • 36

    Fig. 5.7. Schema electric a motorului monofazat asincroncu condensator electronic.

    Au fost construite patru celule bidirecionale. Deoarece s-a dorit vizualizarea formelorde und ale tensiunii i curentului, circuitul de for a fost conceput cu puncte de msur.

    n Fig. 5. se prezint schema electric complet a celulei. Rezistenele de msur alecurentului prin tranzistoare i diode au valoarea de 0,1 i sunt neinductive. De asemenea,rezistenele de protecie din grupul RC sunt neinductive i au valoarea 120 . Condensatoarelesunt de 0,047 F. Grupul de protecie a fost ales astfel nct s limiteze supratensiunile petranzistoare pentru ambele configuraii.

    Fig. 5.8. Schem electric celul bidirecional.

    5.3.2 Circuitul de comandConst dintr-un generator de impulsuri i circutul electronic propriu-zis. Pentru

    generarea impulsurilor de comand a fost ales sistemul open source Arduino. Au fost folositeieirile PWM ale plcii, astfel a fost posibil controlul frecvenei semnaleleor, factorului deumplere i timpului mort dintre semnale. Rezoluia a fost de 1 s. A fost necesar o izolaregalvanic ntre generatorul de impulsuri i tranzistoarele cu efect de cmp. De asemenea,comanda acestora s-a fcut cu circuite integrate specializate.

    n figura 5.9 se prezint detaliu al circuitului electronic de comand i cele doutranzistoare de pe o celul, n total existnd patru astfel de circuite. Fiecare circuit este alimentatindependent dintr-un transformator. Alimentarea optocuploarelor se face de la tensiuneastabilizat de +5V, iar a circuitelor integrate de comand (IR2117) de la tensiunea de +12V,existnd astfel dou grupuri independente de stabilizare a tensiunii.

  • 37

    Fig. 5.9. Detaliu al circuitului de comand.Comanda tranzistoarelor se face cu tensiune 0:+12V, iar circuitele de comand

    5.3.3 Sistemul de achiziii de dateA fost folosit sistemul descris n capitolul 4, la care au fost adugate canale analogice de

    intrare pentru a msura tensiuea pe tranzistoare, curentul prin condensator (este diferit de cel prinnfurarea auxiliar), tensiunea pe condensatorul fix i pe cel variabil.

    5.3.4 Principiul funcionrii condensatorului electronicn continuare se explic funcionarea condensatorului electronic cu ajutorul formelor de

    und achiziionate. S-a folosit placa de achiziie i un osciloscop LeCroy WaveSurfer 454. Deasemenea, au fost analizate comparativ curbele achiziionate i observat efectul timpului derspuns relativ mare al traductoarelor de tensiune.

    In figurile 5.10, 5.11 i 5.12 se prezint semnalele de comand pentru o frecven decomutaie de 2,5 kHz, un factor de umplere de 0.7 i un timp mort de 1 s achiziionate cuosciloscopul LeCroy.

    Fig. 5.10. Impulsuri comand achiziionate cu osciloscopul digital.

  • 38

    Fig. 5.11. Detaliu regim tranzitoriu impuls comand.

    Fig. 5.12. Detaliu regim tranzitoriu impuls comand.n figura 5.13 se prezint tensiunea pe comutatorul bidirecional achiziionat cu

    osciloscopul digital. Se observ c trecerea de la conducie la stare blocat se face brusc,neexistnd regimuri tranzitorii.

    Fig. 5.13. Tensiunea pe celula bidirecional.n figura 5.14 se prezint un detaliu al tensiunii. Trecerile din starea de conducie n

    stare blocat sunt brute, nu exist regimuri tranzitorii. In figura 5.15 se prezint aceeai tensiuneachiziionat cu placa de achiziie. Datorit timpului relativ mare de rspuns al traductoarelor detensiune, forma este distorsionat.

  • 39

    Fig. 5.14 Tensiunea pe celula bidirecional-detaliu.

    Fig. 5.15. Tensiunea pe comutator obinut cu placa de achiziii.

    Fig. 5.16. Tensiuni achiziionate.n figura 5.17 se observ forma curentului prin nfurarea auxiliar. Pentru vizualizarea

    acestuia pe osciloscop a fost conectat n circuit o rezisten neinductiv cu valoarea de 0,22 .Forma acestuia este sinusoidal dar n momentul comutaiei tranzistoarelor apar unele

    supratensiuni surprinse de olisciloscop.

    0.009 0.0095 0.01 0.0105 0.011 0.0115 0.012-3.5-3

    -2.5-2

    -1.5-1

    -0.50

    0.51

    Timp [s]

    Tensiun

    e [V]

    Tensiunea pe comutator-detaliuUcomutator

    0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-5

    -4

    -3

    -2

    -1

    0

    1

    2

    3

    4

    Timp [s]

    Tensiun

    e [V]

    Tensiunea pe comutator-detaliuUcondvarUcomutatorUcondfixUretea

  • 40

    Fig. 5.17. Forma curentului prin nfurarea auxiliar.

    5.4 ncercri n regim dinamicncercrile n regim dinamic au fost fcute pe standul de testare a motoarelor electrice

    de mic putere. S-a urmrit obinerea caracteristicilor mecanice pentru diferite valori alecondensatorului echivalent i comparate cu curbele obinute la valori fixe ale condensatorului.Astfel, au fost fcute msurtori repetate la diferite valori ale factorului de umplere pentruaceeai frecven de comutaie.

    De asemenea, s-a urmrit variaia real a capacitii echivalente n funcie de factorul deumplere pentru valori mici ale condensatorului din punte. S-a stabilit c supratensiunile petranzistoare cresc odat cu scderea valorii condensatorului.

    n figura 5.18 sunt prezentate caracteristicile mecanice pentru o frecven de comutaiede 2,5 kHz i un timp mort ntre semnalele de comand de 1 s. Caracteristica mecanic albeste obinut pentru un factor de umplere de 0,9 (deci multiplu de 1,25 al condensatorului fix),iar cele rosii de 0,8, respectiv 0,7.S

    Fig. 5.18. Caracteristici mecanice pentru: a) d=0,9 si d=0.8; b) d=0.9 si d=0.7.

    5.5 Concluziin acest capitol au fost prezentate rezultatele experimentale obinute cu un motor

    monofazat asincron n construcie special i condensatorul controlat electronic. Iniialncercrile au fost fcute cu valori fixe ale condensatorului nseriat cu nfurarea auxiliar,variabile ntr-o plaj larg. Ulterior a fost construit un condensator electronic cu dispozitivesemiconductoare de ultim generaie i testate performanele motorului anterior determinate.

    S-a stabilit c principiul poate fi folosit cu succes pentru creterea eficienei energetice amotoarelor monofazate. Legea de variaie a capacitii echivalente este respectat, iar

  • 41

    caracteristicile mecanice obinute cu condensatorul electronic se apropie de cele obinute cuvalori fixe, n limita pierderilor pe pe dispozitive electronice.

    6. Concluzii i perspectiveLucrarea se nscrie n tematica cercetrilor actuale din domeniul mainilor electrice. Se

    studiaz modalitatea de mbuntire a randamentului motorului monofazat asincron folosind uncondensator controlat electronic. Aceasta variant, de a introduce un condensator electronic nserie cu faza auxiliar a unui motor monofazat i de a-l controla folosind un circuit de comandnou nu a fost nc abordat.

    Teza debuteaz cu studiul metodelor de mbuntire a randamentului motoruluimonofazat asincron, specifice funcionrii la turaie fix sau reglabil. Sunt prezentate avantajelei dezavantaje fiecrei metode.

    n continuare se prezint principiul condensatorului controlat electronic. Sunt indicatediferite scheme de for i calculul capacitii emulate n funcie de factorul de umplere. Unaspect important l reprezent realizarea unui circuit de comand original. De asemenea, ntr-unprogram de simulare al circuitelor electrice au fost verificate diferite regimuri de funcionare:frecvee diferite, determinarea amplitudinilor fundamentalelor i a defazajului, funcionarea lavalori diferite ale condensatorului. Concluziile rezultate s