1 MAŞINI ROTATIVE CU RELUCTANŢĂ VARIABILĂ Maşinile electrice cu reluctanţă variabilă au căpătat in ultimul timp, datorită diversificării şi creşterii performanţelor sistemelor electronice de alimentare şi control, o răspândire din ce in ce mai mare, ocupând un segment în creştere din piaţa acţionărilor cu turaţie variabilă. Din categoria maşinilor cu reluctanţă variabilă face parte şi maşina sincronă reactivă care a fost prezentată, in acesastă parte urmând sa fie discutate maşina cu poli aparenţi pe ambele armături ( SRM = switched reluctance machine), maşina cu poli aparenţi pe ambele armături şi magneţi permanenţi ( DSPMM = double salient permanent magnet machine), si motorul pas cu pas, motor care este in fapt un caz particular al SRM. Toate aceste maşini electrice funcţionează pe principiul reluctanţei minime, iar în cazul în care sunt prevăzute cu magneţi permanenţi combină cele doua principii de funcţionare. Toate aceste maşini sunt autocomutate, adică la toate momentul în care se face alimentarea înfăşurărilor, şi timpul cât acestea sunt alimentate, depinde de poziţia rotorului. Aceste maşini nu pot practic funcţiona alimentate de la reţeaua de tensiune şi frecvenţa constantă şi în consecinţă un rol important în funcţionarea acestor maşini îl joacă convertorul electronic de putere prin intermediul căruia se face alimentarea şi comanda acestor maşini. Mai multe tipuri de maşini electrice au reluctanţa variabilă, cum ar fi maşinile sincrone cu poli aparenţi, cu sau fără excitaţie electromagnetică sau cu magneţi permanenţi, sau maşinile de curent continuu. Maşina sincronă reactiva funcţionează chiar pe baza principiului reluctanţei minime, adică rotorul se roteşte astfel încât câmpul statoric să se închidă pe calea de reluctanţă minimă. Deci rotorul se roteşte sincron cu câmpul învârtitor statoric. La aceste maşini alimentarea se face de la reţeaua de curent alternativ sau de curent continuu, cazul maşinii de curent continuu, toate maşinile pot funcţiona fără să fie necesară o sincronizare a alimentării cu poziţia rotorului. Excepţie face maşina sincronă fără colivie de pornire/amortizare în procesul de pornire când se alimentează cu tensiune de frecvenţă variabilă şi când alimentarea fazelor se sincronizează cu poziţia rotorului. Maşinile cu reluctanţă variabilă şi comutaţie electronică sunt alimentate prin convertoare electronice de putere, ele funcţionând numai dacă alimentarea fazelor este sincronizată cu poziţia rotorului. Si alte maşini electrice, chiar maşina de inducţie de exemplu, pot funcţiona în acest mod
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
MAŞINI ROTATIVE CU RELUCTANŢĂ VARIABILĂ
Maşinile electrice cu reluctanţă variabilă au căpătat in ultimul timp, datorită diversificării
şi creşterii performanţelor sistemelor electronice de alimentare şi control, o răspândire din ce in ce
mai mare, ocupând un segment în creştere din piaţa acţionărilor cu turaţie variabilă. Din categoria
maşinilor cu reluctanţă variabilă face parte şi maşina sincronă reactivă care a fost prezentată, in
acesastă parte urmând sa fie discutate maşina cu poli aparenţi pe ambele armături ( SRM = switched
reluctance machine), maşina cu poli aparenţi pe ambele armături şi magneţi permanenţi ( DSPMM
= double salient permanent magnet machine), si motorul pas cu pas, motor care este in fapt un caz
particular al SRM. Toate aceste maşini electrice funcţionează pe principiul reluctanţei minime, iar
în cazul în care sunt prevăzute cu magneţi permanenţi combină cele doua principii de funcţionare.
Toate aceste maşini sunt autocomutate, adică la toate momentul în care se face alimentarea
înfăşurărilor, şi timpul cât acestea sunt alimentate, depinde de poziţia rotorului. Aceste maşini nu
pot practic funcţiona alimentate de la reţeaua de tensiune şi frecvenţa constantă şi în consecinţă un
rol important în funcţionarea acestor maşini îl joacă convertorul electronic de putere prin
intermediul căruia se face alimentarea şi comanda acestor maşini.
Mai multe tipuri de maşini electrice au reluctanţa variabilă, cum ar fi maşinile sincrone cu
poli aparenţi, cu sau fără excitaţie electromagnetică sau cu magneţi permanenţi, sau maşinile de
curent continuu. Maşina sincronă reactiva funcţionează chiar pe baza principiului reluctanţei
minime, adică rotorul se roteşte astfel încât câmpul statoric să se închidă pe calea de reluctanţă
minimă. Deci rotorul se roteşte sincron cu câmpul învârtitor statoric. La aceste maşini alimentarea
se face de la reţeaua de curent alternativ sau de curent continuu, cazul maşinii de curent continuu,
toate maşinile pot funcţiona fără să fie necesară o sincronizare a alimentării cu poziţia rotorului.
Excepţie face maşina sincronă fără colivie de pornire/amortizare în procesul de pornire când se
alimentează cu tensiune de frecvenţă variabilă şi când alimentarea fazelor se sincronizează cu
poziţia rotorului.
Maşinile cu reluctanţă variabilă şi comutaţie electronică sunt alimentate prin convertoare
electronice de putere, ele funcţionând numai dacă alimentarea fazelor este sincronizată cu poziţia
rotorului. Si alte maşini electrice, chiar maşina de inducţie de exemplu, pot funcţiona în acest mod
2
dar numai în regim de turaţie variabilă şi când sunt complet comandate. În categoria maşinilor cu
reluctanţă variabilă şi comutaţie electronică sunt cuprinse maşina cu reluctanţă comutată electronic,
se va utiliza prescurtarea acceptată pe plan mondial adică SRM= switched reluctance motor sau
SRG pentru regimul de generator, motorul pas cu pas, care este în fapt un caz particular al SRM,
maşina cu reluctanţă şi cu magneţi permanenţi comutată electronic( DSPMM(G)= double salient
permanent magnet motor( generator)) şi maşina cu flux transversal(TFM(G)= transvers flux motor(
generator)). Cu excepţia SRM şi a motorului pas cu pas care au fost introduse în anii 60 ai secolului
trecut şi sunt deja aplicate în diverse acţionări existând deci şi o producţie de serie, celelalte tipuri
de maşini din această clasă sunt relativ noi, sfârşitul anilor 80 şi începutul anilor 90 secolul trecut, şi
cu toate că au o dezvoltare relativ impetuoasă nu sunt încă aplicate pe scară mai largă şi se produc
doar prototipuri. Chiar dacă nu au un trecut prea bogat, toate maşinile din această clasă trăiesc într-
un prezent cu multe şi interesante realizări şi aproape tuturor li se prefigurează un viitor de
competitori activi pe piaţa acţionărilor cu turaţie variabilă.
Motorul cu reluctanţă comutată( SRM)
Motorul cu reluctanţă comutată( SRM) are poli aparenţi pe stator şi pe rotor, rotorul fiind,
în construcţiile uzuale, pasiv, deci fără înfăşurări sau magneţi permanenţi. La acest motor cuplul
rezultă datorită tendinţei rotorului de a se roti într-o poziţie în care inductanţa fazei statorice
parcurse de curent, ca şi fluxul produs de aceasta, au valorile maxime. Evident acest motor
funcţionează pe baza aceluiaşi principiu ca şi motorul sincron reactiv, dar construcţia este diferită în
ceea ce priveşte statorul.
Fig. 1 Elementele de bază ale unui SRM
3
În rotor ambele motoare au poli aparenţi sau nesimetrie magnetică. Statorul motorului
sincron reactiv are crestături şi o înfăşurare repartizată iar statorul în cazul SRM are poli aparenţi şi
înfăşurare concentrată, cum se vede în figura 1.
Acest motor are o construcţie simplă, un rotor pasiv cu inerţie redusă, cuplu mare la
pornire şi cost redus. Cu toate dezavantajele sale, printre care trebuie menţionată necesitatea
detectării poziţiei rotorice şi a alimentării printr-un convertor electronic precum şi variaţiile de
cuplu pe o rotaţie completă, SRM reprezintă o alternativă, nu lipsită de atractivitate, pentru
motoarele de curent continuu sau de curent alternativ convenţionale. Aplicaţiile unor acţionări cu
SRM sunt destul de numeroase, de menţionat de exemplu maşina de spăla automata Neptune
produsă de compania Maytag utilizând motorul şi partea de alimentare şi comandă produse de
compania Emerson.
În ultimii treizeci de ani s-au publicat un număr impresionant de lucrări ştiinţifice dedicate
acestui motor, lucrări în care se urmăresc îmbunătăţiri constructive, dezvoltarea metodicilor de
proiectare, ridicarea performanţelor sistemelor de alimentare şi control şi nu numai. Mai multe
monografii au fost dedicate motorului, de remarcat cele publicate de Miller şi Krishnan,şi o sumă de
brevete de invenţii acordate au vizat tot dezvoltarea motorului şi a sistemului de alimentare şi
control.
Principiu de construcţie şi funcţionare
SRM este unul din cele mai simple motoare electrice având o construcţie simplă şi
robustă. Rotorul este pasiv deci fără înfăşurări sau magneţi permanenţi, cu poli aparenţi, fiind
realizat din tole dispuse normal, deci radial, sau axial în varianta ALA ca şi în cazul maşinii
sincrone reactive, cu un rotor cu poli aparenţi şi tole dispuse radial (fig. 1).
Statorul acestui motor este construit din tole dispuse radial şi are în construcţia uzuală poli
aparenţi, fig.1 Există şi variante constructive de stator cu poli înecaţi, dar înfăşurarea este
concentrată în toate variantele. Tolele statorice sunt asamblate în carcasă iar cele rotorice pe axul
rotoric. Celelalte componente constructive sunt cele uzuale , adică scuturi forţate şi lagăre cu
rulmenţi. Uzual motoarele au doua capete de ax scoase, unul utilizat pentru montarea pe el a
traductorului de poziţie. Cum rotorul nu este bobinat răcirea bobinajului statoric este
corespunzătoare şi nu sunt necesare, în mod normal, măsuri suplimentare pentru asigurarea răcirii.
Pentru a preveni blocarea rotorului în timpul funcţionării numărul de poli pe stator şi pe rotor este
diferit. Diferenţa, la motoarele elementare, este 2 iar la cele multiple de ordinul n este 2 înmulţit cu
ordinul de multiplicitate. Astfel numerele uzuale de poli la SRM, este dat în Tabelul1., prima cifră
pentru stator, a doua pentru rotor.
4
Tabelul.1. Numărul de poli la SRM
La SRM alimentarea fiecărei faze este în general independentă şi convertoarele electronice
au o structură specifică. În consecinţă numărul de faze nu este limitat decât de costul şi
complexitatea convertorului. Cum la un moment de timp este alimentată uzual o singură fază
creşterea numărului de faze nu atrage după sine creşterea puterii dar reduce variaţiile de cuplu, cum
se vede din curbele de variaţie ale cuplului în funcţie de poziţia unghiulară a rotorului, Fig. 2.
Fig.2. Variaţia cuplului funcţie de poziţia rotorului, diferite numere de faze: a) trei
faze; b) patru faze; c) cinci faze
Fig. 3 Variaţia inductanţei şi a curentului prin faza alimentată în funcţie de poziţia
O altă variantă de maşină cu magneţii permanenţi plasaţi în stator este prezentată în Fig. 25.
Această maşină are 8/6 poli şi provine dintr-un SRM la care s-au adăugat doi magneţi permanenţi
în stator având ambii aceeaşi polaritate, adică, spre exemplu nord pe faţa superioară. Şi în acest caz
există, ca şi la FRM, forţe radiale şi cupluri de blocare importante. În absenţa curenţilor din bobine
rotorul se poziţionează într-o poziţie de echilibru, poziţia din Fig. 25.Modul de alimentare al fazelor
este diferit de cel întâlnit la SRM. În acest caz trebuie alimentate toate cele trei faze pentru a obţine
19
un cuplu cât mai mare. Dacă se doreşte rotirea invers acelor ceasornicului a rotorului din poziţia
dată în Fig. 25 bobina 1 este alimentată astfel ca să întărească câmpul magnetului permanent. La fel
şi bobina următoare în sensul de rotaţie, în timp ce cea de-a treia bobină este alimentată invers
pentru stabilirea câmpului dat de magnetul permanent. Bobinele simetrice sunt alimentate
corespunzător pentru a se suma solenaţiile. Secţiunea magnetului permanent este prea mică şi
pentru a asigura o concentrare de flux în poli ar trebui mărită secţiunea deformând circuitul
magnetic pe zona diametrului orizontal.
Fig 25 Structura principală a unei maşini DSPM cu magneţii permanenţi inseraţi în jugul statoric.
O structură similară de maşină, acelaşi număr de poli şi aceleaşi dimensiuni în fapt, dar cu
magneţii permanenţi dispuşi pe suprafaţa polilor statorici este prezentată în Fig. 26.
Fig 26 Structura principală a unei maşini DSPM cu magneţii permanenţi plasaţi pe
polii statorici în întrefier.
Toţi magneţii permanenţi de pe o jumătate a maşinii, în cazul nostru jumătatea superioară diametrului orizontal din Fig. 26 au aceeaşi polaritate, ceilalţi magneţi permanenţi, diametrali opuşi primilor, având polaritate inversă. Şi în cazul acestei maşini, ca şi la maşina cu magneţii permanenţi îngropaţi în jugul statoric, strategia de alimentare a fazelor este diferită faţă de SRM, chiar dacă ambele maşini provin din SRM. Şi aici cuplurile de blocare şi forţele radiale sunt destul de importante. La toate cele trei maşini prezentate fluxul dat de fazele alimentate trece prin magneţii
20
permanenţi de bună calitate cu caracteristica de revenire liniară, precum şi dimensionarea adecvată a acestora.
MOTOARELE PAS CU PAS Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic, care realizează conversia
impulsurilor de comandă într-o mişcare de rotaţie ce constă din deplasări unghiulare discrete, de
mărime egală cu pasul θp al motorului.
MPP este utilizat în aplicaţii unde se doreşte realizarea unei mişcări incrementale folosind
sistemele de comandă numerice. Principalele aplicaţii sunt în domeniile: maşini unelte cu comandă
numerică, echipamente periferice de calcul, tehnică cinematografică şi de televiziune, roboţi
industriali, dozatoare şi cântare automate, ceasuri electronice.
Avantajele MPP:
- asigură univocitatea conversiei impuls-deplasare, ceea ce permite folosirea MPP în
circuit deschis de poziţionare (fără traductori de poziţie);
- precizie şi putere de rezoluţie, ceea ce simplifică lanţul cinematic de acţionare:
- procese tranzitorii fără pierderi de paşi;
- compatibilitate cu tehnică numerică;
- memorează poziţia la tipurile care dezvoltă cuplu şi în repaus.
Dezavantajele principale sunt:
- schema de alimentare şi comandă trebuie adaptată la tipul MPP;
- randament scăzut;
- viteza de rotaţie relativ scăzută.
Construcţia MPP.
Aceste se pot clasifica în funcţie de tipul constructiv, numărul înfăşurărilor de comandă,
sistemul de alimentare şi modul de comandă.
În general un MPP are un circuit magnetic nesimetric al cărui reluctanţă variază în funcţie de
poziţia relativă dintre cele două armături, stator şi rotor. Înfăşurarea MPP este plasată numai pe
stator sub forma unor înfăşurări deschise m fazate.
După tipul constructiv MPP pot fi:
- cu reluctanţă variabilă;
- cu magneţi permanenţi.
După numărul înfăşurărilor de comandă se disting MPP cu: una, două, trei, patru şi eventual cinci
faze. Aceste înfăşurări se dispun pe dinţii mari (poli) ai statorului. MPP care au mai puţin de trei
21
faze (m < 3) se construiesc cu dinţi rotorici (sau statorici) nesimetrici şi se pot roti numai într-o
direcţie.
MPP cu reluctanţă variabilă.
Sunt de două tipuri: monostatorice (cu o singură unitate stator-rotor) şi polistatorice (cu mai
multe unităţi stator-rotor). Ambele tipuri pot fi: cu întrefier axial sau radial; cu mişcare de rotaţie
sau liniară. MPP cu reluctanţă variabilă se pot construi cu minimum m= 2 faze.
Utilizarea MPP cu reluctanţă variabilă se caracterizează prin următoarele avantaje:
construcţie mecanică simplă;
frecvenţă de comandă ridicată şi viteză de rotaţie relativ ridicată.
Principalele dezavantaje ale acestor tipuri de motoare sunt:
lipsa cuplului în absenţa curentului de comandă;
efectuarea unghiului de pas cu oscilaţii importante în special în cazul alimentării
în secvenţă simplă.
MPP cu reluctanţă variabilă şi magnet permanent.
Această variantă constructivă se mai numesc şi MPP hibride. Aceste motoare se pot construi şi cu o
singură înfăşurare (monofazată). Prezenţa magnetului permanent determină următoarele avantaje
faţă de tipul precedent:
motorul are cuplu şi în repaus, deci poziţia rotorului este reţinută;
cuplul motorului este mai mare datorită componenţei de cuplu dat de magnet;
pasul este executat fără prea mari oscilaţii.
MPP hibride pot fi construite cu magnetul pe stator sau pe rotor. Câmpul creat de acesta are
caracterul unui câmp homopolar. Folosirea lor pe stator permite înlocuirea unor înfăşurări de
comandă.
Dezavantajele ale acestor motoare hibride:
performanţele sunt influenţate de schimbările caracteristicilor magneţilor;
valoarea relativ ridicată a t.e.m. indusă în fazele statorice ale MPP;
creşterea inerţiei din cauza magneţilor;
micşorarea frecvenţei de comandă.
Mărimile caracteristice ale MPP.
Acestea sunt: unghi de pas, cuplul sincronizat static maxim, variaţia cuplului cu poziţia rotorului şi
numărul de paşi pe o rotaţie
Cuplul static sincronizat:
dt
d
p
F
dt
d
p
JTT
r
v
r
sr
θθ+=−
2
2
22
unde, Tsr este cuplul static rezistent, J momentul de inerţie polar al maselor în mişcare, Fν este
coeficientul de frecări vâscoase, pr, numărul de paşi pe o rotaţie.
Numărul de paşi pe o rotaţie pe o rotaţie este determinat de unghiul de pas θp:
p
rpθ
π2=
Cuplul dinamic (T-Tr) serveşte pentru accelerarea rotorului şi învingerea frecărilor proprii.
Viteza de rotaţie a MPP este:
dt
d
pr
θ1=Ω
În variaţia unghiului θ la efectuarea pasului, în urma aplicării tensiunii de comandă, se
disting două mărimi: timpul de efectuare a unui pas tp, definit de la aplicarea comenzii şi până la
atingerea prima dată a noii poziţii de echilibru şi unghiul dinamic de sarcină (denumit şi unghi de
suprareglare), δ, care reprezintă devierea unghiulară maximă a poziţiei rotorului faţă de punctul de
echilibru stabil. Eroarea de pas ∆θp reprezintă abaterea unghiulară sistematică maximă,
necumulativă faţă de valoarea unghiulară nominală a pasului.