ICMETCRaiova

Cuvant cheie:
   

 

 

...

Raportul Stiintific si Tehnic (RST) in extenso pentru etapa 1: “Elaborare studiu privind dezvoltarea suportului teoretic necesar”

•  Obiectivele generale

Obiectivele proiectului sunt in concordanta cu cerintele Programului 4 din cadrul PNCDI II si corespund cu ariile tematice ale Programul Cadru 7 de realizare de sisteme energetice eficiente si nepoluante.

Obiective de baza

- realizarea unui sistem integrat (hard si soft) convertizor static de frecventa - motor asincron - automat programabil (cu soft de aplicatie performant), prevazut cu traductoare specializate, care sa asigure functionarea optima din punct de vedere energetic si al restrictiilor tehnologice a intregului lant cinematic

- proiect convertizor static de frecventa cu comanda numerica ce inglobeaza si functiile de protectie

- elaborare software pentru maximizarea efectelor pozitive si minimizarea efectelor negative ale alimentarii cu frecventa variabila a motorului asincron.

Proiectul este adaptat problemelor energetice actuale si se incadreaza in obiectivul general Cresterea competitivitatii CD prin stimularea parteneriatelor in domeniile prioritare, concretizate in tehnologii, produse si servicii inovative pentru rezolvarea unor probleme complexe si crearea mecanismelor de implementare” si in obiectivul derivat Cresterea competentei tehnologice si promovarea transferului de cunostinte si tehnologii in domeniul energiei, in conditii de calitate, siguranta in alimentare, cu respectarea principiului dezvoltarii durabile ale Programul 4 din cadrul PNCDI II.

 

•  Obiectivele etapei de executie

 

In conformitate cu planul de realizare, obiectivul etapei este realizarea unui studiu din care au rezultat trei analize cu privire la eficienta energetica a utilizarii actionarilor cu turatie variabila in instalatiile industriale .

Aceste analize tehnico-stiintifice trateaza aspecte legate de:

- analiza eficientei energetice a actionarilor cu turatie variabila

- conceperea sistemelor de masura, achizitie si prelucrare semnale

- tipuri si caracteristice tehnice ale convertizoarelor statice de frecventa utilizate in actionari cu turatie variabila

•  Rezumatul etapei

In cadrul acestei etape s-au desfasurat activitati de cercetare stiintifica in vederea realizarii studiului cu tematica propusa in planul de realizare de catre toti partenerii din consortiu.

S-a selectat si studiat bibliografia in domeniul de aplicare al eficientei energetice in cazul actionarilor cu turatie variabila, urmarind obiectivele propuse de cercetare-dezvoltare aplicativa in cadrul proiectului.

Au avut loc intalniri intre parteneri pentru discutii tehnice si delimitarea aportului fiecaruia.

S-a elaborat de fiecare partener partea de lucrare cu care si-a adus aportul la studiul elaborat in forma unitara de catre conducatorul de proiect, ICMET Craiova.

În elaborarea lucrării s-a avut în vedere selectarea, sintetizarea şi tratarea problemelor tehnice cu aplicabilitate directă pentru realizarea obiectivului general al proiectului, necesare pentru dezvoltarea etapei următoare.

Mai jos se prezinta pe scurt continutul studiului cu aspectele stiintifice si tehnice care raspund obiectivelor primei etape de executie a proiectului.

 

 

 

 

•  Descrierea stiintifica si tehnica, cu punerea in evidenta a rezultatelor fazei si gradul de realizare a obiectivelor

Capitolul I : Analiza eficientei energetice a actionarilor cu turatie variabila.

Aplicabilitatea in diferite tipuri de procese industriale

 

Echipamentele care necesita realizarea unor viteze de antrenare variabile sau pentru care posibilitatea asigurarii acestor viteze variabile conduce la imbunatatirea conditiilor de functionare sau la cresterea randamentului utilizarii energiei sunt destul de intalnite in mediul industrial. Fara a incerca o enumerare completa, se pot preciza urmatoarele aplicatii posibile:

- masini unelte, roboti, bancuri de incercare;

- masini de produs hartie, calandre in industria cauciucului;

- linii de tratament in industria maselor plastice sau in metalurgie, laminoare;

- concasoare, cuptoare pentru industria cimentului, instalatii de amestec, centrifuge;

- conveioare, instalatii de ridicat (poduri rulante, macarale etc.);

- motoare folosite pentru propulsia vapoarelor;

- pompe, ventilatoare.

Analizand potentialul de economisire a energiei electrice, aplicatiile cu potentialul cel mai ridicat sunt in actionarile pompelor, ventilatoarelor si sistemelor de benzi transportoare.

Actionarile electrice ale instalatiilor de pompare consuma circa 20% din energia electrica produsa intr-o tara, iar cele de ventilare circa 8%; rezulta ca satisfacerea acestor consumatori necesita un sfert din consumul total de energie electrica. Aceasta constatare a condus la cautarea de masuri capabile sa produca diminuarea consumurilor energetice in acest domeniu.

Referitor la sistemele de transportoare cu banda de cauciuc de mare capacitate, prin alimentarea motoarelor de antrenare prin convertizor static de frecventa si utilizarea sistemului de comanda cu microprocesor se poate realiza optimizarea functionarii transportoarelor prin corelarea optima a regimului de lucru cu consumurile energetice in flux continuu si cu posibilitatea integrarii in sistemul de dispecerizare din carierele de carbune energetic.

Principalele avantaje economice, energetice si de functionare ale sistemelor de actionare reprezentate de motoare asincrone alimentate prin convertizoare de frecventa sunt urmatoarele:

•  Sistemele de actionare cu motoare asincrone si convertizoare de frecventa, permitand functionarea cu turatie variabila sunt foarte eficiente energetic, generand economii importante care au durate de amortizare a costurilor suplimentare ale echipamentelor reduse (uneori sub un an).

•  Reduc considerabil consumul de electricitate, reduc deteriorarea motorului si zgomotul iar spatiile unde sunt instalate necesita mai putina racire.

•  Maresc flexibilitatea productiei, intrucat detin numeroase functii de control cum ar fi accelerarea, decelerarea, opriri directe sau in trepte, etc. In plus, ca si dispozitivele de pornire lenta, rezolva problema supracurentilor la pornire si oprire.

Dezavantajele sistemelor de actionare cu turatie variabila:

•  Nu exista productie de serie la actionarile electrice reglabile pentru motoarele de puteri mari, astfel ca acestea trebuie facute la comanda, ceea ce mareste pretul.

•  In general, actionarile electrice reglabile nu sunt rentabile pentru motoare mai mici de 10 –15 kW pentru care economiile potentiale sunt mici in comparatie cu pretul convertizorului de frecventa.

•  Actionarile electrice reglabile ar putea fi folosite pentru a evita problemele legate de pornire. Totusi nu este cazul din cauza diferentei mari de pret dintre actionarea reglabila si un dispozitiv de pornire lenta.

•  Conditiile de racire ale motoarelor sunt mai slabe, ceea ce poate conduce la defectiuni sau reduceri ale duratei de viata pentru motoarele care functioneaza durate mari de timp la viteze scazute.

•  Pentru anumite tipuri de convertizoare de frecventa solicitarile dielectrice ale izolatiei motoarelor sunt mai mari datorita vitezei mari de variatie a tensiunii aplicate infasurarii care conduce la o repartizare a tensiunii neuniforma (primele spire sunt supuse la o tensiune mai mare).

•  Nu sunt economice la sistemele care functioneaza un timp indelungat cu turatii apropiate de turatia nominala datorita pierderilor suplimentare.

Pierderile suplimentare care intervin datorita convertizorului static de frecventa sunt:

- pierderi proprii ale convertizorului;

- pierderi suplimentare in motor datorate armonicilor (marirea pierderilor in infasurari datorita efectului pelicular si a pierderilor in fier prin curenti turbionari si histetrezis) intre 0,1 si 2%.

g) Exista pericolul producerii rezonantei pe anumite frecvente, cu consecinte grave asupra echipamentelor.

Inaintea deciziei de a utiliza un sistem de reglaj al vitezei actionarilor bazat pe echipamente electronice trebuie verificata compatibilitatea sistemului de reglaj cu celelalte echipamente mecanice si electrice. Astfel, trebuie verificate patru aspecte:

- efectele sistemului electronic asupra motorului electric;

- integrarea echipamentului electronic in sistemul de reglaj al mecanismului antrenat;

- sensibilitatea echipamentului electronic la defectele din sistemul electric de alimentare (in special reduceri ale tensiunii si intreruperi de scurta durata);

- perturbarea retelei electrice cu armonici superioare datorate functionarii echipamentelor electronice de modificare a vitezei motorului.

Datorita importantei si multiplelor aplicatii posibile ale actionarilor cu turatie variabila IEEE a elaborat standardul IEC 61800 – Actionari electrice de putere cu viteza variabila , adoptat la nivel european de CENELEC (Comitetul European de Standardizare in Electrotehnica) sub indicativul EN 61800.

Corespunzator acestui normativ, sistemele de actionare cu viteza variabila pot fi instalate:

•  in locuri cu acces deschis (locuinte, birouri, spatii comerciale etc) in care alimentarea cu energie electrica se realizeaza direct la joasa tensiune, fara transformator, direct din instalatiile electrice care alimenteaza clairile respective;

•  in alte locuri decat cele prevazute la punctul a, fiind alimentate din alte retele decat cele la care sunt conectate spatiile publice.

Din acest punct de vedere, sistemele de actionare cu turatie variabila sunt impartite in 4 categorii:

C1 sisteme de joasa tensiune (<1000 V) prevazute pentru a fi utilizate in spatii cu acces liber

C2 sisteme de joasa tensiune (<1000 V) care nu sunt nici echipamente mobile, nici echipamente cu alimentare de la priza prin cordon, si care daca sunt instalate in spatii publice trebuie puse in functiune de personal specializat;

C3 sisteme de joasa tensiune (<1000V) ce nu pot fi utilizate in spatii cu acces liber;

C4 sisteme cu tensiunea peste 1000 V si curent peste 400 A sau care nu pot fi utilizate decat in sisteme complexe din categoria b.

 

Capitolul II: Conceperea sistemelor de masura, achizitie si prelucrare semnale compatibile cu sistemul de actionare cu turatie variabila

 

Deoarece o buna parte din problematica sistemelor de masurare computerizate este reprezentata de catre aspectele referitoare la transmiterea si prelucrarea informatiei continute in semnale digitale, una dintre cele mai des intalnite clasificari ale acestor sisteme este efectuata in functie de protocolul utilizat pentru transmiterea semnalelor digitale.

Astfel, in ordinea in care diversele protocoluri au inceput sa fie utilizate, dar si in ordinea crescatoare a complexitatii acestora, sistemele de masurare computerizate pot fi clasificate in urmatoarele categorii principale:

•  cu comunicatie seriala;

•  cu comunicatie paralela;

•  cu pla ci de achizitie de date;

•  cu calculatoare de uz industrial.

Se prezinta structura unui sistem pentru achizitia datelor la incercarea actionarilor electrice in general, inclusiv a sistemelor de actionare si se detaliaza partea specifica sistemelor de actionare alimentate de la convertizoare statice, respectiv determinarea perioadei unui semnal periodic nesinusoidal, calculul valorii eficace si a factorului de putere.

Simularile computerizate sunt utilizate in mod obisnuit in cercetare pentru analiza comportamentala a unor noi circuite, permitand o imbunatatire a acestora. In industrie, sunt folosite pentru scurtarea procesului de proiectare global, fiind mai usor a se studia influenta parametrilor pe un model numeric, prin simulare, decat in laborator pe un montaj real unde exista si riscul distrugerilor repetate.

Prin simulari sunt obtinute formele de unda ale marimilor ce caracterizeaza circuitul, performantele dinamice si statice ale sistemelor precum si valorile nominale ale curentului si tensiunii pe diferite componente.

In procesul simularii sistemelor de actionare electrica cu turatie variabila trebuie avute in vedere urmatoarele aspecte importante:

1. Comutatoarele semiconductoare ce includ prezenta diodelor si tiristoarelor prezinta fenomene neliniare in tranzitia dintr-o stare in alta. Programele si modelele utilizate trebuie sa fie capabile sa reproduca cat mai fidel aceste fenomene.

2. Timpul de simulare poate fi uneori extrem de lung. Constantele de timp (timpii de raspuns ale diferitelor parti din sistem) pot diferi ca ordine de marime. De exemplu, la un motor de actionare, ventilele semiconductoare au timpi de comutatie de ordinul microsecundelor (uneori mai putin), pe cand constanta mecanica de timp a motorului sau sarcinii pot fi de ordinul secundelor sau chiar minutelor. Evident pentru o reprezentare exacta a tuturor fenomenelor pasul de timp al simularii va fi dictat de cea mai mica constanta de timp, in timp ce timpul de simulare total este determinat de cea mai mare constanta de timp.

3. Modelele fidele nu sunt mereu valabile. Aceasta este adevarat in special pentru dizpozitivele semiconductoare de putere dar si pentru componentele magnetice (bobine si transformatoare).

4. Structura de comanda si control poate fi analogica, digitala sau hibrida si este preferabil sa aiba loc o simulare prealabila a acestei structuri.

5. Chiar daca uneori, in procesul de simulare, intereseaza numai formele de unda in regim stationar, timpul de simulare este de obicei mult mai mare datorita necunoasterii valorilor initiale ale marimilor ce caracterizeaza sistemul in cauza.

Exista mai multe metode de analiza, modelare si simulare a unui sistem electronic de putere. Oricare dintre acestea se bazeaza pe simplificari sau solutii aproximative obtinute din reprezentarea liniara sau neliniara a sistemului si, de aceea, nu pot raspunde tuturor cerintelor impuse. Adoptarea metodei cele mai adecvate scopului propus se face prin considerarea urmatoarelor aspecte:

- identificarea analitica a dispozitivului semiconductor;

- trecerea automata de la un mod de operare la urmatorul;

- rezolvarea sistemului de ecuatii diferentiale ce caracterizeaza circuitul.

In cazul convertoarelor statice de putere, dezvoltarea unui model presupune stabilirea sistemului de ecuatii diferentiale ale circuitului echivalent si necesita urmatoarele etape:

- stabilirea marimilor de intrare si iesire, deci a marimilor de interconectare a sistemului

cu mediul extern;

- stabilirea ipotezelor simplificatoare;

- stabilirea elementelor acumulatoare sau disipatoare de energie din cadrul sistemului;

- stabilirea ecuatiilor ce caracterizeaza sistemul;

- simplificarea sistemului de ecuatii prin liniarizari ale unor ecuatii neliniare cu derivate

partiale in vecinatatea unor puncte statice de functionare, aproximarea prin ecuatii

diferentiale ordinare a ecuatiilor cu derivate partiale si reducerea ordinului ecuatiilor

diferentiale ordinare.

Odata stabilite obiectivele simularii trebuie determinate cele mai bune metode de lucru, de baza fiind doua:

- cu ajutorul simulatoarelor de circuit orientate

- prin rezolvarea ecuatiilor ce descriu sistemul de simulat.

MATLAB reprezinta un pachet de programe de inalta performanta, dedicat calculului numeric si reprezentarilor grafice in domeniul stiintei si ingineriei.

El integreaza analiza numerica, calculul matriceal, procesarea semnalului si reprezentarile grafice, intr-un mediu usor de invatat si folosit, in care enunturile problemelor si rezolvarile acestora sunt exprimate in modul cel mai natural posibil, asa cum sunt scrise matematic, fara a fi necesara programarea traditionala. Elementul de baza cu care opereaza MATLAB-ul este matricea. Cu acesta se pot rezolva probleme fara a fi necesara scrierea unui program intr-un limbaj de programare.

Simularea sistemelor dinamice reprezinta o tehnica larg utilizata de analiza asistata de calculator a sistemelor, constituind in acelasi timp o componenta de baza a oricarui ansamblu de procedee de proiectare asistata de calculator.

Analiza unui sistem dinamic are ca rezultat concret colectarea de informatii cu privire la variatia in timp a valorilor marimilor sistemului.

Prelucrarea prin intermediul careia se obtin, cu ajutorul calculatorului numeric, date comportamentale reprezentand evolutia in timp a modulelor sistemelor dinamice este denumita simulare numerica a sistemelor dinamice.

Realizarea simularii numerice a unui sistem dinamic impune codificarea intr-un limbaj de programare a tuturor informatiilor cu privire la experimentele de simulare care trebuie realizate.

Limbajul de programare utilizat in acest scop poate fi un limbaj universal sau un limbaj specializat, numit limbaj de simulare.

SIMULINK este un program performant pentru simularea sistemelor dinamice, conceput ca o extensie a pachetului de programe MATLAB.

Utilizarea SIMULINK-ului presupune doua faze: definirea modelului si analiza acestuia.

In vederea simularii unui sistem de actionare electrica cu MATLAB-SIMULINK trebuie creat, pe baza modelului matematic, un model SIMULINK. Acesta trebuie sa contina modelele partii mecanice, a convertoarelor, a masinilor electrice si a partii de comanda si control ce compun intregul sistem de actionare electrica.

 

Capitolul III: Tipuri si caracteristici tehnice ale convertizoarelor statice de frecventa utilizate in actionari cu turatie variabila

 

Este abordata problematica privind actionarile cu turatie variabila, cu referire la:

- scheme de action ǎ ri cu turatie variabil ǎ (variator de tensiune, invertor cu tiristori, invertor cu tranzistori)

- scheme de comand ǎ a invertoarelor (scheme de comanda analogice, scheme de comanda integrate, scheme de comanda cu microcontroler)

- circuite de alimentare a invertoarelor (alimentare din retea de curent continuu, alimentare din retea de curent alternativ).

Se prezinta schema clasica a unui convertizor static de frecventa care cuprinde:

•  redresorul RSNIC

•  circuitul intermediar

•  invertorul

•  circuitul de recuperare a energiei de franare

•  circuitul de disipare a energiei de franare.

Majoritatea convertizoarelor statice nu contin redresoare de tip RSNIC si nici circuitul de recuperare a energiei de franare. Sunt utilizate redresoare dubla alternanta (pentru retelele de alimentare monofazate) sau trifazate, cu punte de diode si avand, de regula, inductivitati serie pe alimentare pentru a diminua injectia in reteaua de alimentare a armonicilor produse de redresor.

In final, sunt prezentate produse reprezentative din domeniul convertizoarelor statice de frecventa ale firmelor ABB, Siemens, Toshiba-Schneider, Danfoss si INDAELTRAC SRL. S-a insistat asupra particularitatilor specifice fiecarei game de convertizoare ce pot fi utilizate in diversele aplicatii industriale.

O atentie deosebita s-a acordat preocuparilor partenerului INDAELTRAC SRL in cercetarea si dezvoltarea de convertizoare statice de frecventa de inalt nivel tehnic si cu o larga aplicabiliate in mediul industrial.

Etape
 

 

 

 

 

 

 

 

 

Copyright © 2010 ICMET Craiova
Privacy Policy    |    Terms of Use

 

.