Actionarea unei masini-unelte cu motor sincron

Grup Scolar Industrial Petrol Moreni

Actionarea unei masini-unelte cu motor sincron

TEMA DE PROIECTARE

Sa se calculeze elementele necesare actionarii cu motor sincron

T Se va realiza schema de pornire a motorului.

T Schemele de reglare si elementele

T Protectiile necesare

T Normele de protectia munci.

INTRODUCERE

Actionarile electrice reprezinta in mod evident cea mai importanta cale de aplicare a realizarilor moderne ale electrotehnicii si electronicii de putere in industrie.Nu exista practic nici o ramura in industrie in care actionarile electrice,automatizate sau simple,reglabile sau nereglabile,sa nu fie prezente.Toate masinile unelte,de la cele mai mici la cele mai grele,de la cele de inalta precizie pana la cele de prelucrare grosiera,inglobeaza variate tipuri de sisteme de actionare electrica,bazate in buna parte pe aparatura electronica de comanda si reglare.

Teoria sistemelor de actionare apeleaza la variate cunostinte in domenii ca:

-mecanica

-organe de masini

-masini si aparate electrice

-electronica.

Sistemul de actionare electrica reprezinta un ansamblu de dispozitive interdependente si astfel interconectate incat sa poata realiza conversia electromecanica a energiei in vederea desfasurarii unui anumit proces cat si controlul electric al operatiei.

Scopul unui sistem de actionare electrica este punerea in miscare a unui mecanism,masina-unealta,dispozitiv mecanic,care foloseste in procesul de productie energia mecanica a unui motor electric.

Un sistem de actionare este format din urmatoarele parti principale:

-masina de lucru sau masina ce trebuie actionata

-motorul de actionare

-organul de transmitere

CAP. I. ALEGEREA MOTOARELOR ELECTRICE ROTATIVE

In orice sistem de actionare electrica,indiferent de domeniul de utilizare a masinii de lucru antrenate si a regimului sau de lucru,motorul electric trebuie ales astfel ca sistemul sa constituie o solutie optima.

Daca stabilirea puterii nominale a motorului de actionare nu s-a efectuat corespunzator,acesta va fi ori mai puternic,ori mai slab decat cel necesar.Alegerea unui motor prea puternic,tendinta daunatoare,pe langa cheltuielile majore de investitie

si exploatare conduce la gabarite mai mari,aparatajul de manevra si protectie fiind mai scump.Alegerea unui motor de putere mai mica decat este nevoie conduce la suprasolicitarea termica a izolatiei infasurarilor,in afara de micsorarea productivitatii masinii de lucru actionate,prin durata exagerata a proceselor tranzitorii electromagnetice.In aceeasi situatie,capacitatea de suprasarcina mecanica este influentata negativ,uneori nefiind posibila pornirea motorului.

Incalzirea motorului electric de actionare reprezinta un factor predominant in stabilirea corecta a puterii sale nominale,in functie de diagrama de sarcina a masinii de lucru.Dupa verificarea termica a motorului de actionare,acesta este supus suplimentar unor verificari de ordin mecanic,la suprasarcina mecanica si la cuplul de pornire.Alegerea tipului constructiv al motorului depinde de conditiile de mediu in care va lucra motorul,cat si de alte cerinte.

Incalzirea si racirea masinilor electrice

Masinile electrice se incalzesc in functionare,indiferent de regim,datorita pierderilor din ele.

Se defineste prin supratemperatura sau incalzirea J a unei parti a masinii electrice diferenta dintre temperatura q_m a acesteia si temperatura q_a a mediului de racire,de cele mai multe ori aerul ambiant.

J q_m q_a

Ecuatia de incalzire a masinii are urmatoarea forma:

pdt=CdJ+AJdt

unde

p: puterea pierduta de masina sub forma de caldura

A: capacitatea de cedare a caldurii(caldura cedata fluidului de racire intr-o secunda)

C: capacitatea termica a masinii(caldura necesara ridicarii temperaturii acelui corp cu 1 K)

Raportul T_i=p/A reprezinta constanta termica de timp.

Incalzirea masinilor electrice (J_f>J

1.cu temperatura initiala J

2.cu temperatura initiala nula.

(T_i constanta termica de timp la incalzire)

Constanta termica de timp la incalzire Ti este o marime caracteristica masinii,ea creste cu volumul masinii,deoarece capacitatea termica C creste mai repede decat capacitatea de cedare a caldurii A. La masinile mari si la cele in executie capsulata,constanta termica de timp Ti are o valoare ridicata.

Daca motorul este prevazut cu autoventilatie si se deconecteaza de la retea dupa ce a functionat un timp oarecare,conditiile de evacuare a caldurii se inrautatesc.Daca cuplul static rezistent este de natura reactiva,masina se va opri:asadar oprirea masinii echivaleaza cu scaderea capacitatii de cedare a caldurii A,constanta termica de timp devenind T_r>T_i.

Fiindca puterea de pierdere p se anuleaza dupa deconectarea motorului de la retea,incalzirea limita finala va avea valoarea zero.Presupunand ca incalzirea atinsa de motor la deconectarea sa la timpul t=0 este V=V1 functia V(t) se va obtine la racirea motorului in care se vor face inlocuirile V_f=0 si V0=V1,constanta Ti fiind substituita prinTr:

Racirea marimilor electrice:

1.cu supratemperatura initialaV₀≠0.

2.cu supratemperatura initiala nula.

(T_i constanta termica de timp la incalzire)

Daca se micsoreaza sarcina motorului,puterea totala de pierderi ramanand constanta,incalzirea limita finala descreste.

Servicii de functionare

Regimul de functionare al unei masini electrice consta din ansamblul valorilor numerice ale marimilor electrice si mecanice care caracterizeaza functionarea sa la un moment dat.Serviciul unei masini electrice consta in precizarea succesiunii si duratei de mentinere a regimurilor care il compun.Se disting opt servicii de functionare tip,diferite ca servicii nominale standard corespunzand celor mai frecvente intalnite servicii in practica.

Acestea sunt:

→S₁-serviciu continuu

→S₂-serviciu de scurta durata

→S₃-serviciu intermitent periodic

→S₄-serviciu intermitent periodic cu durata de pornire

→S₅-serviciu intermitent periodic cu durata de pornire si de franare electrica

→S₆-serviciu neantrerupt cu sarcina intermitenta periodic

→S₇-serviciu neantrerupt cu franari electrice periodice

→S₈-serviciu neantrerupt cu modificare periodica de turatie.

Serviciul S₁ continuu-Motorul functioneaza aperiodic cu o sarcina constanta intr-un interval de timp suficient pentru ca echilibrul termic sa fie atins.

Utilizari:ventilatoare cu debit constant,transportoare cu banda cu sarcina liniara constanta.

Serviciul S₂ de scurta durata-se caracterizeaza prin functionarea aperiodica a motorului cu o sarcina constanta intr-un interval de timp mai mic decat cel necesar atingerii echilibrului termic.

Utilizari:ecluze,masini de bucatarie,mecanisme auxiliare ale laminoarelor.

Serviciul S₃ intermitent periodic-Masina functioneaza ciclic:un ciclu de durata contine un interval activ in care motorul este incarcat cu o sarcina constanta urmata de repaus.

Utilizari:masini de ridicat cu motoare asincrone cu rotorul bobinat si franare mecanica.

Serviciul S₄ intermitent periodic cu durata de pornire-fiecare ciclu contine un interval de pornire,un interval de functionare la putere constanta si un interval de repaus.Oprirea motorului nu se face prin franare pe cale electrica.

Utilizari:ridicarea greutatilor cu motor asincron in scurtcircuit si franare mecanica.

Serviciul S₅ intermitent periodic cu durata de pornire si franare electrica-Fiecare ciclu contine un timp de functionare la putere constanta,urmat de timpii de franare electrica si de repaus cand motorul este deconectat.

Utilizari:actionarea macaralelor cu motor in scurtcircuit si franare electrica.

Serviciul S₆ neantrerupt periodic cu sarcina intermitenta-In oricare din cicluri exista un timp activ de functionare la putere constanta,urmat de un interval de functionare in gol,fara a interveni vreun timp de repaus.

Utilizari:actionarea unor masini-unelte la care sarcina se aplica sau se elimina prin intermediul unui cuplaj.

Serviciul S₇ neantrerupt periodic cu franari electrice-este caracterizat,de asemenea,printr-o functionare ciclica.Motorul se afla in permanenta sub tensiune, timpii sunt insuficienti pentru atingerea echilibrului termic.

Utilizari:ca motoare la elementele de executie a regulatoarelor bipozitionale.

Serviciul S₈ neantrerupt cu modificarea perioadei de turatie -nu exista timp de repaus,motorul fiind mereu sub tensiune,nu se poate ajunge la echilibrul termic.

Utilizari:actionare cu motoare asincrone avand un numar de perechi de poli modificabil.

Determinarea puterii motoarelor functionand in serviciul continuu

In serviciul continuu,ca si in oricare alt serviciu,motorul corect ales nu trebuie sa depaseasca temperaturile limita admisibile in diferitele sale parti,in concordanta cu clasa de izolatie folosita.In general cuplul de pornire nu trebuie verificat,cu exceptia cazurilor in care mecanismele antrenate prezinta un cuplu rezistent majorat la pornire.

Daca puterea mecanica necesara actionarii masinii de lucru variaza relativ putin in jurul unei valori medii cu cca 20-30% se alege un motor a carei putere coincide sau este imediat superioara acestei puteri medii,fara efectuarea de verificari termice suplimentare.

In conditiile unei temperaturi a mediului de racire superioara celei de 40 grade C,puterea nominala "n" a motorului trebuie recalculata,ea devenind P^'n<Pn datorita inrautatirii conditiilor de evacuare a caldurii prin aplicarea multiplicativa a unui coeficient adimensional x.

P^'n=xPn

Unde se poate aprecia ca :

in care :

DJ q_a este depasirea in grade Celsius sau Kelvin a temperaturii de +40⁰C de catre fluidul de racire.

J_f incalzirea limita finala.

a=p_e/p_vn raportul dintre puterea de pierderi constante p_e si de pierderi variabile p_vn.Raportul a depinde de constructia masinii,fiind cuprins intre 0,3 - 1.

Serviciul nominal de tip S₁

P    -puterea totala pierduta.

J -supratemperatura.

W -viteza unghiulara de rotatie.

Verificarile netermice in alegerea motorului de actionare

Indiferent de metoda de verificare termica a puterii nominale a motorului de actionare,acesta trebuie verificat si din punct de vedere mecanic.

Capacitatea de supraancarcare mecanica l a motorului este definita prin raportul adimensional dintre cuplul electromagnetic critic sau maxim M_cm al motorului si cuplul sau nominal M_N.Cuplul de pornire al motorului M_P,obtinut la alimentarea cu tensiune nominala fara reostate in circuitul rotoric,raportate la cuplul sau nominal,reprezinta cantitatea adimensionala M_P*(M_P*=M_P/M_N).

Valorile orientative pentru cuplul de pornire relativ M_P* si capacitatea de suprasarcina mecanica l

Motorul trebuie,in regim de sarcina,sa indeplineasca urmatoarea inegalitate:

M_M l M_N=0,85M_cm

Cuplul static rezistent la pornire M_sp trebuie sa fie inferior    cuplului electromagnetic dezvoltat de catre motor-masina.Trebuie indeplinita inegalitatea:

M_sp<M_p*M_N.

In cazul nerespectarii conditiilor mecanice de verificare,puterea nominala a motorului va fi majorata.

CAP.II. CARACTERISTICILE MECANICA SI UNGHIULARA ALE MOTORULUI SINCRON

Rotorul motorului sincron se prezinta in doua variante constructive:cu poli aparenti si cu poli inecati.Motoarele cu poli inecati sunt mai robuste la eforturile centrifuge exercitate asupra rotorului lor si de aceea se construiesc pentru viteze sincrone mai mari.

Caracteristica mecanica

Caracteristica mecanica a motorului sincron este reprezentata de o dreapta paralela cu axa cuplului electromagnetic.Caracteristica mecanica a motorului sincron este absolut rigida sau dura pe intreg domeniul de valori.Masina sincrona functioneaza in regim de motor cu infasurarea statorica alimentata la o retea trifazica,in timp ce infasurarea rotorica de excitatie sau inductoare se alimenteaza in curent continuu.

Caracteristica unghiulara

Dependenta cuplului motorului sincron de unghiul 0 dintre axa unui pol fictiv al campului magnetic invartitor rezultant si axa polului rotoric,decalat in urma sa si de nume diferit,imediat apropiat de primul se numeste caracteristica mecanica unghiulara.

Ecuatia de functionare a motorului sincron este:

U=-Eo+RI+jX_sI

unde

Eo-imaginea in complex a tensiunii electromotoare pe indusa pe faza statorica de catre campul magnetic de exercitiu invartitor inductor

R-rezistenta pe faza

X_s-reactanta sincrona

Eo-defazajul dintre fazori

U-tensiunea de alimentare pe faza statorica

CAP.III. PROCEDEE DE PORNIRE A MOTORULUI SINCRON

Pornirea motoarelor sincrone se recomanda sa se efectueze in asincron,renuntandu-se astazi la marea majoritate a cazurilor la procedeele de pornire sincrona.Masinile sincrone polifazate moderne poseda un cuplu de pornire asincron suficient de ridicat,atat la alunecarea egala cu unitatea,cat si la o alunecare egala cu 0,05.

In timpul pornirii motorului sincron,tensiunea electromotoare indusa in infasurarea de excitatie in circuit deschis poate atinge valori ridicate.Din aceasta cauza apare pericolul strapungerii izolatiei acestei infasurari,fiind periclitati si oamenii de exploatare.Pentru prevenirea acestor efecte nedorite infasurarea de excitatie se conecteaza pe un rezistor de descarcare avand rezistenta de 7 . .10 ori mai mare fata de rezistenta infasurarii de excitatie.

Pornirea directa

Se realizeaza prin conectarea infasurarii trifazate statorice la reteaua de alimentare,pe fiecare faza statorica aplicandu-se tensiunea nominala de faza.

Pornirea directa in asincron a motorului sincron.

Marcarea bornelor excitatoare cu poli auxiliari.

Campul magnetic invartitor din intrefier,asociat sistemului de curenti statorici,interactioneaza cu curentii indusi din piesele polare masive sau din

infasurarile de amortizare.Cuplul electromagnetic asincron care apare,accelereaza rotorul in sensul de rotatie al campului magnetic invartitor.

Dupa atingerea vitezei de rotatie maxime,ceea ce se constata fie dupa sunetul care inceteaza de a mai creste,fie dupa curentul statoric sau frecventa rotorica,care inceteaza sa mai scada are loc alimentarea infasurarii de excitatie,de obicei pe rotor,in curent continuu.

Durata procesului de pornire depinde de cuplul motorului,de cuplul de sarcina rezistent si masinii antrenate.Se prefera ca pornirea directa in asincron sa se faca cu sarcina redusa.

Procesul tranzitoriu electromecanic,ulterior alimentarii in curent continuu a infasurarii de excitatie,sunt complicate de oscilatii ale unghiului intern q,ca si ale cuplui sincron.Acesta poate continua pana la atingerea vitezei de sincronism.La atingerea vitezei de sincronism oscilatiile rotorului se amortizeaza,iar procesele de intrare in sincronism se termina.Pentru a fi siguri ca motorul intra in sincronism infasurarea de excitatie se alimenteaza la alunecari mici,sub 0,05.

Succesiunea operatiilor din componenta procesului de pornire in sincron este urmatoarea:

1.Se inchide infasurarea de excitatie pe rezistorul de descarcare,dupa ce in prealabil s-a intrerupt alimentarea in curent continuu a excitatiei.

2.Se alimenteaza la retea infasurarea statorica

3.Reostatul de excitatie se aduce pe pozitia corespunzatoare excitatiei de functionare a motorului

4.La atingerea vitezei maxime se inchide intrerupatorul circuitului de excitatie,deschizandu-se cel de la rezistorul pe care era cuplata infasurarea de excitatie.Odata intrat motorul in sincronism se regleaza curentul de excitatie dupa puterea si factorul de putere impuse.Se verifica nedepasirea valorilor nominale a curentilor rotorici si statorici.

CAP.IV. FRANAREA MOTORULUI SINCRON

Toate masinile prezinta particularitatea favorabila de a putea fi franate pe cale electrica,din regimul initial de motor.Regimurile de franare electrica se intrebuinteaza in diferite scopuri cum ar fi:

bmentinerea in stare imobila a sistemului de actionare.

bmicsorarea vitezei sistemului de actionare electrica.

bmentinerea constanta la valori acceptabile a vitezei sistemului de actionare.

Pornind de la regimul de baza de motor,la masinile electrice se intalnesc in principiu urmatoarele regimuri de franare:

bregimul de generator cu recuperarea energiei si fara recuperarea acesteia,   

ultimul caz fiind cunoscut si ca regim de franare dinamica ori reostatica.

bregimul de franare propriu-zisa,in doua variante.

Franarea motoarelor sincrone

Masina sincrona poate functiona si in regim de franare,franarea in regim de generator nerecuperativ sau dinamica.Dupa deconectarea statorului de la retea, infasurarea de excitatie statorica se conecteaza pe un reostat trifazat.Energia cinetica a corpurilor sistemului de actionare, in miscare de rotatie,se transforma in caldura prin intermediul energiei electrice,abstractie facand de partea necesara invingerii cuplului static rezistent.Cuplul de franare obtinut depinde de turatie si de fluxul de excitatie,anulandu-se odata cu tensiunea electromotoare indusa pe faza,la anularea vitezei de rotatie.Cu cat rezistenta pe faza a reostatului de franare va fi mai mare, cuplul de franare la aceasi viteza va fi mai mic.

Franarea dinamica se foloseste pentru oprirea rapida a diferitelor masini de lucru si pentru reducerea timpului de oprire a sistemelor de actionare cu moment axial de inertie mare.

CAP.V. REGLAREA VITEZEI MOTORULUI SINCRON

Deoarece motorul sincron functioneaza la viteza de sincronism W pf₁ p indiferent de sarcina la arbore,rezulta ca reglarea vitezei se poate efectua prin variatia frecventei de alimentare sau prin schimbarea numarului de perechi de poli.

Modificarea numarului de perechi de poli se utilizeaza foarte rar in pactica, necesitand infasurari speciale.

Reglarea vitezei prin modificarea frecventei incepe sa se aplice din ce in ce mai mult,avand in vedere progresele ce se realizeaza in domeniul convertizoarelor statice cu tiristoare.Aceasta metoda este de fapt metoda principala de reglare a vitezei motorului sincron,nu conduce la pierderi suplimentare in motor.

CAP.VI. SISTEME DE COMANDA AUTOMATA A MOTOARELOR SINCRONE

Motoarele sincrone trifazate de joasa si inalta tensiune au capatat o oarecare raspandire in industrie,mai ales ca motoare de actionare a masinilor de lucru cu viteza constanta functionand in serviciul continuu.La masinile cu cuplu de sarcina redus sau la cele ce pornesc in gol,pornirea se considera usoara.La masinile cu cuplu static rezistent mare la pornire,pornirea este grea si se realizeaza cu scheme speciale care limiteaza valoarea curentului de ponire.

Alimentarea cu curent continuu a infasurarii de excitatie a unui motor sincron.

La unele masini de lucru actionate cu motoare sincrone este necesara asigurarea franarii dinamice la oprire.In acest caz statorul motorului sincron se deconecteaza de la retea si se conecteaza pe un rezistor trifazat exterior.Infasurarea rotorica se mentine conectata la sursa de tensiune continua si se excita masina la maxim,pentru ca franarea sa fie eficienta(cu cuplu mare de franare).

CAP.VII. TIPURI SI DISPOZITIVE DE PROTECTIE ALE MOTORULUI ELECTRIC

Principalul motiv de periclitare a unui motor electric il constituie supratemperatura generata.Mijloacele de protectie ar trebui ca la o sesizare corecta a incalzirii motorului sa se comporte la fel ca si organele cele mai sensibile ale motorului,adica variatia in timp a temperaturii sa coincida.Dispozitivele de protectie au in general o constanta termica mai redusa,incalzindu-se si racindu-se mai repede decat motorul electric.

Dispozitivele de protectie ale motoarelor electrice trebuie sa interzica alimentarea acestora sau sa reduca curentul absorbit,cand incalzirea vreunui organ al motorului a atins o valoare periculoasa,eventual cu avertizarea sau semnalizarea simultana a acestuia.Incalzirea izolatiei infasurarilor motorului,de obicei cel mai sensibil organ la suprasolicitarile termice,este conditionata in special de cantitatea de caldura produsa de pierderile variabile.Incalzirea nu depinde deci numai de curentul absorbit,ci si de durata de trecere a acestuia.

Dispozitivele de protectie ale motoarelor electrice trebuie sa asigure urmatoarele tipuri de protectie:

-protectie minimala

-protectie maximala (de scurtcircuit)

-protectie la suprasarcini relativ reduse.

Protectia minimala

Dispozitivele de protectie care trebuie sa confere protectia minimala asigura deconectarea motorului de la retea la scaderea pronuntata a tensiunii retelei.La revenirea tensiunii,motorul nu trebuie sa porneasca mai inainte de a se fi luat masurile necesare de protectia muncii sau de functionarea corecta a utilajelor actionate,inclusiv masurile legate de ponirea propriu-zisa a motorului.

Utilizarea contactoarelor electromagnetice asigura comod realizarea protectiei minimale,deoarece scaderea sau lipsa tensiunii din circuitele lor de comanda conduce la declansarea lor,prin deschiderea contactului auxiliar de automentinere a bobinelor lor.

Unele motoare pot fi prevazute cu dispozitive de reanclansare automata,care la interventia unui deranjament in retea insotit de o scadere pronuntata a tensiunii,de obicei scurtcircuitul intrerupe alimentarea motorului un timp limitat.Dupa aceea se executa conectarea din nou a motorului la retea.

Aceasta se face in ideea ca eventualele defectiuni dispar    in intervalul de timp mentionat.Evident ca trebuie sa se verifice daca sistemul de actionare,respectiv motorul,poate admite asemenea intrerupere in alimentare.Daca defectiunile persista,are loc deconectarea definitiva a motorului.

Protectia maximala

Protectia maximala de supracurent a motorului electric si a circuitelor de putere este destinata deconectarii de la retea a acestora,la supracurenti de scurtcircuit.Cele mai vechi si mai simple dispozitive de protectie,la supracurenti de valori ridicate,le constituie sigurantele cu fuzibil,cu toate dezavantajele pe care le vor expune. Sigurantele cu fuzibil constituie aparate destinate protectiei unui circuit electric contra scurtcircuitelor si supraintensitatilor cuprinzand unul sau mai multe elemente fuzibile,confectionate de obicei din argint care se topeste intr-un timp determinat la depasirea unei anumite valori a curentului.

Curentul nominal al sigurantei poate fi suportat nelimitat de fuzibil,facand ca acesta,la curenti mai mari,sa se topeasca in timpi determinati.Sigurantele fuzibile pot fi construite pentru functionarea rapida si lenta.

Sigurantele fuzibile reprezinta de fapt protectia conductoarelor circuitului de alimentare al motorului sincron nu al acestuia insusi.In cazul unei exploatari incorecte motorul poate ramane in doua faze,cum se intampla la inlocuirea unei sigurante cu altele decat cele corespunzatoare.

Alte dezavantaje sunt legate de intreruperea functionarii motorului conditionata de inlocuirea patroanelor fuzibile si de costul acestora.

Sigurantele fuzibile se folosesc si la protectia la scurtcircuit a circuitelor de comanda a schemelor de comanda automata.

La alegerea sigurantelor trebuie avut in vedere nu numai curentul de pornire al motorului,ci si durata pornirii acestuia.

Trebuie sa retinem ca la releele si declansatoarele electromagnetice de curent,indiferent de tipul caracteristicii lor,reactioneaza numai la curentul absorbit de motor si deci nu indeplinesc cerintele necesare protejarii termice a motorului.In schimb,aceste dispozitive pot indeplinii rolul de protectie maximala de curent si a suprasarcinii bruste importante.

Alegerea curentului de reglare a releelor si declansatoarelor depinde de tipul intrerupatorului,de durata pornirii,de starea calda sau rece a releelor.