Regimurile de functionare ale sistemelor de actionare

Regimurile de functionare ale sistemelor de actionare

Regimurile de functionare ale unui SA sunt impuse de necesitatile procesului tehnologic si ca atare, de starea (viteza, incarcare) in care trebuie sa functioneze masina de lucru. Aceste regimuri sunt insa atinse prin comenzi adecvate aplicate motorului de actionare si de aceea ele sunt privite prin prisma functionarii motorului. Modificarile regimurilor de functionare pot sa apara datorita unor perturbatii, a unor deranjamente, unor schimbari in cadrul ML sau pot fi comandate pentru a satisface necesitatile procesului tehnologic. Sub acest din urma aspect intalnim urmatoarele regimuri de functionare:

pornirea

oprirea

franarea

regimul stationar

inversarea sensului de rotatie

modificarea vitezei de rotatie

modificarea cuplului de incarcare.

Toate aceste functionari au fost discutate mai ales in partea a II-a, privitoare la masinile electrice. Aici se vor face doar unele precizari suplimentare sau recapitulative; ceva mai mult se va insista asupra franarii.

a)      Pornirea motoarelor electrice

La toate motoarele electrice are loc o crestere foarte pronuntata a curentului absorbit in perioada de pornire. In plus, la motorul asincron mai apare dezavantajul unui cuplu de pornire destul de mic.

Diminuarea curentului de pornire se poate realiza in diverse moduri:

Ø      La motoarele de c.c.:

prin introducerea de rezistente in circuitul rotoric;

prin diminuarea tensiunii aplicate infasurarii rotorice; este procedeul folosit in ultima vreme, cand in aplicatii se foloseste un grup convertor - motor;

De remarcat ca in ambele cazuri scade cuplul de pornire, dar ramane totusi la o valoare ridicata, care sa permita demarajul.

Ø      La motoarele asincrone

prin realizarea unei porniri stea - triunghi sau alimentarea la o treapta de tensiune mai mica; ambele proceduri conduc la diminuarea cuplului critic, facand problematic demarajul in anumite situatii;

prin introducerea de rezistente in circuitul rotoric; procedura are avantajul ca este relativ simpla, mentine neschimbat cuplul critic si conduce la cresterea cuplului de pornire; evident, este aplicabila doar la motoarele cu rotor bobinat; drept urmare, se aplica in cazuri speciale si anume la actionarile cu conditii foarte grele de pornire;

prin alimentarea la frecventa si tensiune mai mica, asigurandu-se un cuplu de pornire adecvat; procedura se foloseste in cazul alimentarii motorului de la un convertor.

Ø      La motoarele sincrone apar aspecte cu totul diferite. Dupa cum s-a mentionat, din principiul de functionare rezulta ca nu este posibila pornirea acestor motoare prin simpla alimentare a infasurarilor. Aceasta deoarece exista doar camp invartitor statoric, iar cel rotoric nu apare pana cand nu are loc miscarea. Din acest motiv, rotorul trebuie antrenat printr-un mijloc oarecare pana in apropierea vitezei sincrone, cand are loc "prinderea" si rotatia se defasoara in continuare cu viteza sincrona. Cel mai frecvent, in scopul mentionat se face o pornire in asincron, posibila datorita unor bare in scurtcircuit introduse in rotor, special in acest scop. La atingerea vitezei de sinconism, in barele respective nu se mai induc t.e.m., deoarece acestea nu se mai deplaseaza in raport cu campul invartitor statoric.

b)      Oprirea motoarelor electrice

Acest regim de functionare nu ridica probleme deosebite. De cele mai multe ori se realizeaza prin intreruperea alimentarii motorului. La sistemele de actionare reglabile se poate proceda si la micsorarea pana la zero a tensiunii.

c)      Inversarea sensului de rotatie

La motorul de c.c. cu excitatie separata se obtine inversarea sensului de rotatie prin inversarea polaritatii tensiunii de alimentare fie in circuitul statoric, fie in cel rotoric. Inversarea in circuitul de excitatie prezinta avantajul ca implica comutarea unei puteri mai mici, dar nu este recomandata, deoarece in perioadele (scurte) de intreruperi a circuitului de execitatie creste foarte mult curentul rotoric. In plus, introducerea aparatelor de comutatie creste riscul intreruperii accidentale a circuitului de executie cu acceasi consecinta neplacuta a cresteri exagerate a curentului rotoric.

Inversarea sensului de rotatie la masinile de curent alternativ se realizeaza prin inversarea sensului campului magnetic invartitor. Aceasta inseamna inversarea succesiunii fazelor si se obtine prin inversarea alimentarii a doua faze statorice.

d)      Regimul stationar al SA

Acesta corespunde functionarii cu valori constante a marimilor mecanice si electromagnetice din sistem; in cazul curentilor alternativi, este vorba de mentinerea constanta a amplitudinilor acestora.

Comportarea motoarelor electrice in regim stationar a fost studiata in capitolele anterioare; ea este analizata in special pe baza caracteristicilor mecanice naturale si artificiale

e) Franarea motoarelor electrice

Franarea SA se realizeaza in scopul micsorarii vitezei acestora, sau pentru realizarea unor opriri rapide, pentru a creste productivitatea utilajului, sau pentru a evita anumite situatii neplacute. Franarea se poate realiza prin introducerea unor dispozitive suplimentare adecvate (de exemplu, saboti actionati electric,hidraulic sau pneumatic) sau prin trecerea masinii electrice de actionare in regim de frana. Vom analiza, pe scurt, in continuare, aceasta din urma modalitate.

Franarea motoarelor electrice se poate realiza in mai multe moduri. In toate cazurile, carateristic acestui regim de functionare este faptul ca viteza de rotatie si cuplul au sensuri contrare. Franarea este cu atat mai eficienta cu cat cuplul de franare este mai mare. Aceasta presupune insa si un curent prin motor de valoare ridicata si de aceea, de multe ori se limiteaza aceste marimi. Unele proceduri permit realizarea franarii doar la viteze mari, iar altele asigura franarea si la viteze mici (acestea din urma sunt, de regula, mai utile din punct de vedere al franarii).

Printre modalitatile de franare, mentionam pe cea cu recuperare. In acest caz, masina functioneaza (cu viteza destul de mare) in regim de generator; energia de miscare a SA este transformata in energie electrica care este transmisa (recuperata) in retea. Daca motorul este alimentat prin intermediul unui convertor, recuperarea se poate face numai daca convertorul poate asigura transferul energiei in ambele directii. Un astfel de convertor este insa mai scump decat unul cu transfer unidirectional; ca atare, introducerea unor structuri capabile sa asigure franarea cu recuperare ramane o optiune demna de a fi luata in considerare in cazul SA cu frecvente regimuri de franare.

In cele ce urmeaza vor fi analizate principalele modalitati de realizare a franarii pentru motoarele de c.c si pentru cele asincrone. Regimurile de franare vor fi discutate pe carateristicile mecanice. Intrucat la masina asincrona intereseaza functionarea doar in zona liniara a carateristicii si pe aceasta portiune carateristica este foarte asemanatoare cu a masinii de c.c. cu excitatie separata, analizele regimurilor de franare se vor face pe aceleasi grafice.

e1) Franarea cu recuperare

Aceasta se obtine atunci cand motorul functioneaza cu o viteza mai mare decat cea de mers in gol ideal n₀ (fig.10). Aceasta situatie poate sa apara numai daca motorul este antrenat, de exemplu sub actiunea unei forte, cum ar fi o forta gravitationala (cazul deplasarii corpurilor pe verticala sau al al vehiculelor care coboara o panta). Functionarea are loc pe prelungirea in cadranul II al carateristicii mecanice. Se ajunge, de exemplu, in punctual A (cu n₁ si M₁) ; deoarece n₁ > 0 si M₁ < 0, cuplul este de franare; miscarea fiind in sensul coborarii, M₁ este indreptat in sensul care asigura urcarea.

In caz ca M₁ este egal cu cuplul produs de fortele gravitationale, corpul continua sa coboare cu viteza constanta n₁. Acelasi cuplu M₁ se poate obtine si la o viteza mai mare n₂ daca se functioneaza pe o alta caracteristica mecanica, obtinuta prin introducerea unei rezistente suplimentare in circuitul rotoric (R > R_a)

Fig.10

sa coboare cu viteza constanta n₁. Acelasi cuplu M₁ se poate obtine si la o viteza mai mare n₂ daca se functioneaza pe o alta caracteristica mecanica, obtinuta prin introducerea unei rezistente suplimentare in circuitul rotoric (R > R_a)

La masina de c.c., in regim stationar

E = C_en si U = C_en₀    (16)

Atunci, pentru n > n₀, rezulta E > U si

(17)

adica curentul isi schimba sensul, deci se schimba si sensul cuplului, care devine de franare. Daca pastram ecuatia de tensiuni sub forma

U = E + R I, (18)

atunci isi pastreaza forma si ecuatia caracteristicii mecanice

(19)

si n > n₀ deoarece I < 0 (sau M < 0). In relatiile anterioare R ³ R_a, unde R_a este rezistenta infasurarii.

Franarea cu recuperare este similara pentru motoarele de c.c si cele asincrone. Ea se realizeaza doar la viteze mari si este avantajoasa prin posibilitatea de a recupera energia (vezi comentariul anterior).

e2) Franarea propriu-zisa (prin cuplare inversa sau contracurent)

Acest gen de franare se obtine la cele doua tipuri de motoare prin modificarea brusca a sensului curentului. La motorul de c.c. aceasta se obtine prin inversarea polaritatii tensiunii de alimenatre, iar la motorul asincron - prin inversarea a doua faze, ceea ce are ca efect inversarea sensului campului invartitor.

La un motor de c.c. rezulta I = (U-E)/R < 0, deoarece U<0, iar E=c_en>0, intrucat in primele momente viteza se mentine practic neschimbata. Ca atare, M<0 si este clar un cuplu de franare, fiind de semn contrar cu n.

Daca R=R_a (rezistenta infasurarii), atunci I capata valori exagerate; limitarea se obtine prin inserierea unei rezistente suplimentare R_s. Caracteristica mecanica artificiala astfel obtinuta devine mult mai inclinata decat cea naturala.

Fig. 11

O astfel de franare este ilustrata in fig. 11, considerand ca motorul functioneaza initial in punctul A, de pe caracteristica 1, care poate fi chiar caracteristica mecanica naturala. La realizarea cuplarii inverse, functionarea trece in punctul B de pe caracteristica artificiala 2. Sa observam ca functionarea un poate ramane in B, deoarece ambele cupluri se opun miscarii si, ca atare, vitaza scade pana la zero (punctul C). Daca, in acest moment, se intrerupe alimentarea, motorul ramane in repaos. Daca motorul continua sa fie alimentat, punctul de functionare trece in cadranul III, care corespunde tot unui regim de motor, dar pentru sensul invers celui din cadranul I (n<0, M<0). In caz ca se scoate din circuit rezistenta suplimentara R_s, functionarea va ajunge intr-un punct de pe caracteristica mecanica naturala 1^', simetrica cu caracteristica 1.

O astfel de functionare este considerata franare propriu-zisa, deoarece atat energia mecanica corespunzatoare turatiei n, cat si energia electrica absorbita de la retea se transforma in caldura. Acest lucru se observa si din relatia anterioara multiplicata cu I si scrisa sub forma in care toti termenii sunt pozitivi: UI+EI=RI². Aici UI este puterea electrica absorbita, EI=ΩM=P este puterea electromagnetica (daca neglijam pierderile mecanice proprii ale motorului, ea este egala cu puterea mecanica la arbore), iar RI² reprezinta evident pierderile Joule.

Tot o franare propriu-zisa (dar care un mai este in contracurent) se obtine prin cresterea rezistentei rotorice, in cazul unui cuplu rezistent potential, deci in cazul actionarii unui mecanism de ridicare. In aceasta situatie, din punctul A, functionarea poate trece pe caracteristicile 3,4 sau 5 si anume:

- functionarea ca motor la turatie scazuta (punctul D);

- viteza nula (punctul E);

- functionarea in regim de franare propriu-zisa (punctul F); in acest din urma caz

U = c_en+ RM/c_m

si valoarea mare a lui R face ca egalitatea sa se obtina numai pentru n<0; miscarea este de coborare, sub actiunea greutatii corpului tractat, iar cuplul dezvoltat de motor (M>0) este in sensul urcarii, deci se opune miscarii (este un cuplu de franare). Daca cele doua cupluri sunt egale, corpul coboara cu viteza constanta.

Daca motorul functioneaza intr-un astfel de regim si se realizeaza o cuplare inversa, functionarea va trece in regim de motor (pentru sensul n<0, M<0), pe o caracteristica din cadranul III; in caz ca este scoasa din circuit rezistenta R_s, functionarea are loc pe caracteristica mecanica naturala 1^'.

e3) Franarea dinamica (in regim de generator fara recuperare)

La motorul de c.c. aceasta se obtine decupland infasurarea rotorica de la sursa si conectand-o pe o rezistenta. Deoarece rotorul continua sa se roteasca, masina functioneaza ca generator, debitand E=c_en=-RI.

Cum n isi pastreaza semnul, rezulta I<0 si M<0, adica o functionare ca frana. Caracteristicile mecanice arata ca in fig.12, in functie de rezistenta din circuitul rotoric.

Fig. 12

O functionare similara se obtine si in cazul motorului asincron. In acest caz, dupa deconectarea de la retea, se alimenteaza doua sau trei faze in c.c. (conexiunile pot fi diverse). Masina functioneaza ca generador sincron, generand o t.e.m. de amplitudine si frecuvnta tot mai mici, datorita scaderii vitezei de rotatie. Pentru limitarea curentului, se recomanda introducerea unei rezistente in circuitul rotoric.