Sisteme de actionare electrica masina de curent continuu - convertor static

SISTEME DE ACTIONARE ELECTRICA MASINA DE CURENT CONTINUU - CONVERTOR STATIC

1. GENERALITATI

In actionarile electrice de curent continuu utilizarea convertoarelor statice permite transformarea unei tensiuni alternative (marime de intrare a sistemului) intr-o tensiune continua reglabila (marime de iesire). Pentru astfel de convertoare, comutatia tiristoarelor (transferul circulatiei curentului de la un tiristor la altul) se realizeaza natural. Cand un tiristor primeste impuls de comanda, tiristorului care conducea anterior i se aplica o tensiune inversa si se blocheaza circulatia curentului prin acest tiristor.

Avantajele convertoarelor statice cu tiristoare sunt urmatoarele:

constanta de timp neglijabila;

permit recuperarea energiei in procesul de franare;

nu sunt necesare circuite aditionale pentru realizarea procesului de comutatie;

raportul dintre coeficientul de amplificare si constanta de timp este de fata de la grupurile rotative generator - motor;

siguranta in functionare;

fiabilitate marita;

pret scazut fata de grupurile rotative;

randamentul este ridicat, peste 95 %;

nu necesita fundatii solide de constructie;

investitii globale si cheltuieli de exploatare reduse.

Convertoarele statice prezinta si dezavantaje, cum ar fi:

randamentul instalatiei scade atunci cand unghiul de aprindere a are valori apropiate de 90⁰ electrice;

puterea reactiva poate fi compensata prin utilizarea unei baterii de condensatoare, dar cea deformanta dependenta de unghiul de aprindere, nu poate fi compensata.

Fig. 1. Schema bloc generala a unui sistem de actionare electrica convertor static - masina de curent continuu.

Convertoarele statice pot fi clasificate in functie de tensiunea de alimentare in:

1.           monofazate;

2.           trifazate.

Dupa modul de comanda al dispozitivelor semiconductoare convertoarele statice pot fi:

1.           complet comandate;

2.           semicomandate;

3.           necomandate.

In figurile 2, sunt reprezentate diverse tipuri de convertoare statice.

c)

d)

b)

a)

g)

f)

e)

Fig. 2. Tipuri de convertoare statice: a) Redresor cu un puls;

b) Redresor monofazat semicomandat in punte; c) Redresor monofazat necomandat in punte; d) Redresor trifazat complet comandat in punte; e) Redresor cu punct median cu doua pulsuri; f) Redresor monofazat complet comandat in punte; g) Redresor trifazat complet comandat.

Convertoarele statice monofazate sunt folosite pentru puteri mai mici de 10-50 kW. Singurele exceptii sunt reprezentate de actionarile electrice din transportul urban, unde este utilizata o singura faza din sistemul trifazat de tensiune alternativa, astfel incat convertoarele monofazate pot avea aplicabilitate pana la puteri de ordinul 100 - 1000 kW.

Performantele unei actionari cresc odata cu cresterea numarului pulsurilor pe o perioada. Simbolizarea unei actionari cu convertor static complet comandat este prezentata in figura 2.f, iar variatia tensiunii aplicate masinii de curent continuu este prezentata in figura 3.

convertor complet comandat

Fig. 3. Variatia tensiunii u_A la actionarea cu

convertor static complet comandat, respectiv semicomandat.

Datorita posibilitatii reglajului tensiunii in ambele sensuri, rezulta ca domeniul de functionare al masinii este in doua cadrane (I si IV).

Convertoarele statice semicomandate nu permit functionarea masinii de curent continuu decat intr-un singur cadran (I). Daca este utilizat un comutator mecanic la iesirea convertorului semicomandat, masina va putea functiona in doua cadrane (I si IV).

Folosirea comutatorului mecanic este justificata atunci cand constanta mecanica de timp a comutatorului are o valoare satisfacatoare pentru utilizator.

Recuperarea de energie este posibila la franare doar in cazul convertoarelor complet comandate. Daca nu se urmareste aceasta recuperare, atunci se recomanda utilizarea convertoarelor semicomandate datorita economiei realizate prin diferenta de pret. In figura 3. este prezentata variatia tensiunii u_A pentru convertorul static semicomandat.

Fig. Convertor static semicomandat.

2. MASINA DE CURENT CONTINUU CU EXCITAsIE SEPARATA ALIMENTATA DE LA UN CONVERTOR STATIC MONOFAZAT COMPLET COMANDAT

Structura de baza pentru un sistem de actionari electrice cu masina de curent continuu cu excitatie separata alimentata de la un convertor static monofazat complet comandat este prezentata in figura 5. Tensiunea aplicata indusului masinii de curent continuu este reglata fie printr-un convertor monofazat semicomandat (figura 2.b) sau complet comandat (figura 2.f), iar circuitul excitatiei masinii este alimentat de la o punte redresoare cu diode.

Daca este folosit un convertor semicomandat, tensiunea aplicata indusului, u_A, este tot timpul pozitiva. Fluxul de putere este pozitiv, de la sursa de tensiune alternartiva catre sarcina. Franarea recuperativa nu este posibila. Daca se utilizeaza un convertor monofazat complet comandat, sarcina poate fi de mica sau de medie putere. In cazul unei bucle deschise de reglaj a turatiei, performantele actionarii sunt modeste. Se pot obtine imbunatatiri ale performantelor sistemului de actionare, daca se utilizeaza comanda in bucla inchisa a sistemului de actionare.

Fig. 5. Structura unui sistem de actionare format dintr-o masina de curent continuu alimentata de la un convertor monofazat.

2.1. Ipoteze de lucru

Pentru analiza principului de functionare a schemei din figura 2.f (cazul convertorului complet comandat) se considera urmatoarele ipoteze simplificatoare de lucru:

T           Curentul de excitatie este constant;

T           Caderea de tensiune pe tiristoarele aflate in conductie este nula;

T           Impedanta sursei de alimentare este nula;

T           Regimul de functionare este permanent (stationar), cel tranzitoriu fiind neglijat;

T           Parametrii masinii de curent continuu (rezistenta si inductivitatea indusului masinii) sunt constanti;

T           Neliniaritatile introduse de functionarea masinii de curent continuu in conditii de saturatie a circuitului magnetic sunt neglijate;

T           Momentul de inertie total al sistemului de actionare este suficient de mare, astfel incat turatia rotorica se poate considera cu o aproximatie suficient de buna ca fiind constanta.

2.2. Principiul de functionare

2.2.1. Regimul de functionare continua

Formele de unda specifice functionarii sistemului de actionare analizat sunt prezentate in figura 6.

Masina este tot timpul conectata la sursa de alimentare prin intermediul tiristoarelor. Tiristoarele T1 si T3 conduc in intervalul a < wt < (a p si se permite conectarea masinii la sursa de alimentare. La momentul (a p , tiristoarele T2 si T4 primesc impuls de comanda. Imediat, tensiunea de alimentare care se aplica tiristoarelor T1, T3 isi schimba semnul si tiristoarele respective nu mai permit circulatia curentului, blocandu-se. Astfel are loc comutatia naturala a tiristoarelor. Curentul prin indusul masinii de curent continuu i_A se va inchide acum prin tiristoarele T2, T

In figura 7 poate fi observat modul in care variaza curentul si tensiunea prin indusul masinii atunci cand unghiul de aprindere al tiristoarelor este mai mare de 90⁰. Tensiunea medie aplicata masinii de curent continuu U_A, este negativa. Daca tensiunea electromotoare indusa a masinii isi schimba semnul, masina se va comporta ca un generator de curent continuu si va furniza energie sursei de alimentare. Acest fenomen este cunoscut ca functionarea in regim de invertor al convertorului, folosit la franarea recuperativa a masinii de curent continuu.

Fig. 6. Forme de unda pentru masina de curent continuu cu excitatie separata alimentata de la un convertor static monofazat

complet comandat .

Caracteristica mecanica

Pentru un convertor monofazat complet comandat, ecuatia de functionare a sistemului descris in figura 5 este:

            (1)

Neglijand caderea de tensiune pe rezistenta indusului, R_Ai_A, curentul prin indus va creste atunci cand u_S > E si va scadea in caz contrar.

Fig. 7. Forme de unda pentru masina de curent continuu cu excitatie

separata alimentata de la un

convertor static monofazat complet comandat .

Valorile extreme ale curentului prin indusul masinii sunt atinse la momentele g si p g, unde g este unghiul corespunzator situatiei pentru care u_S = E

Fie:

                       (2)

Atunci tensiunea medie redresata va fi:

               (3)

Relatia de determinare a turatiei rotorice va fi:

          (4)

Primul termen din relatia ecuatiei caracteristicii mecanice (cuplu-turatie) reprezinta turatia teoretica la mersul in gol . Al doilea termen reprezinta valoarea proportionala cu cuplul electromagnetic dezvoltat de catre masina cu care scade turatia. Turatia teoretica de mers in gol depinde de unghiul de aprindere a

Curentul prin indusul masinii de curent continuu

In figura 8 este redata reprezentarea fazoriala a curentului si a tensiunii de alimentare.

Din figura 8 se observa ca fazorul spatial al curentului se afla in urma fazorului tensiunii cu unghiul a, unghiul de aprindere al tiristoarelor. Functionarea nu este posibila la unghiuri a < 0, deoarece in acest caz tensiunea aplicata tiristoarelor este negativa. Pentru un unghi de comanda al tiristoarelor, a p 2, puterea activa este zero, iar puterea reactiva are valoarea maxima. Acest caz este valabil cand motorul are turatie scazuta. Puterea pe partea de curent continuu este definita de relatia:

                              (5)

Daca se considera caderea de tensiune pe convertorul static egala cu zero (nu este consumator de putere), atunci puterea pe partea de curent alternativ corespunzatoare armonicii fundamentale este egala cu puterea pe partea de curent continuu.

Fig. 8. Reprezentarea fazoriala a curentului si a tensiunii de alimentare.

Observatie:

Din dezvoltarea in serie Fourier a expresiei curentului prin indusul masinii se obtin relatii care demonstreaza egalitatea intre puterea pe partea de curent continuu si respectiv pe partea de curent alternativ.

            (6.a)