Comanda servomotoarelor de curent continuu

Comanda pe excitatie a servomotoarelor de c.c. nu se foloseste decat in cazul servomotoarelor de mare putere dar si atunci doar daca se folosesc scheme de alimentare a servomotorului la curent constant. Caracteristicile mecanice ale servomotoarelor comandate pe excitatie sunt incompatibile cu un sistem de reglare automat si se demonstreaza acest lucru plecand de la ecuatiile de functionare a servomotorului :

din care rezulta

Din ultimul sistem putem obtine expresia cuplului de pornire si a pantei caracteristice astfel . Se observa astfel ca dependenta cuplului de pornire de tensiune de excitatie este liniara, in timp ce panta caracteristica depinde de patratul tensiunii de excitatie. In figura urmatoare se pot observa caracteristicile mecanice pentru doua valori ale tensiunii de comanda : nominala - U_En respectiv jumatate - (1/2)U_En.

Se observa deci incompatibilitatea amintita la inceput. 

In cazul alimentarii cu curent constant, I_A=ct., problema se schimba si atunci obtinem : , pentru partea liniara a caracteristiciii de magnetizare. In acest caz caracteristica de reglaj este conform figurii de mai jos.

Caracteristica de reglaj a servomotoarelor de c.c.comandate pe excitatie

In figura urmatoare este prezentata o schema de alimentare la curent constant a servomotorului de c.c.

Asa cum aminteam la inceput, schema de alimentare la curent constant si comanda pe excitatie se aplica doar in cazul servomotoarelor de mare putere, un alt motiv fiind si acela ca acest tip de comanda prezinta performante dinamice inferioare comenzii pe indus. Pe de alta parte sursa de curent constant este echivalenta cu un sistem de comanda pe indus astfel ca se prefera aceasta din urma.

Surse de c.c. de tensiune reglabila

Aceste surse pot fi :

redresoare semicomandate sau complet comandate cu tiristoare sau tranzistoare de putere ;

variatoare statice de tensiune continua (VSTC) cu tranzistoare de putere sau tiristoare (se mai numesc si choppere).

Redresor monofazat reversibil cu functionare in 4 cadrane pentru comanda servomotorului de c.c.

Modificarea tensiunii redresate se realizeaza prin modificarea unghiului de aprindere a tiristoarelor. Functionarea in toate cele patru cadrane este posibila folosind doua redresoare complet comandate conectate in opozitie. Cele doua redresoare pot functiona separat, cate unul pentru fiecare sens de rotatie, sau concomitent, in care caz un grup functioneaza ca redresor iar celalalt ca invertor.

Este preferata in practica comanda cocncomitenta a celor doua redresoare datorita usurintei cu care se trece curentul de pe un grup de tiristoare pe altul. In acest caz apare un curent de circulatie intre redresor si invertor pentru a carui limitare se conecteaza bobinele cu miez de fier K₁ si K₂. Fiecare grup de tiristoare V₁, V₂ respectiv V₃, V₄ este comandat cu un unghi care sa asigure aceeasi tensiune medie redresata, de exemplu α_A=60⁰, α_B=120⁰, respectindu-se conditia α_A+α_B=180⁰. Curentul de circulatie i_cir apare din cauza diferentei u_cir dintre valorile momentane ale celor doua tensiuni redresate, de valori medii egale (fig.1). Aceasta diferenta, de forma alternativa, creeaza un curent pulsatoriu, a carui amplitudine depinde de unghiul de comanda, fiind maxima la α_A=90⁰.

Pentru un anumit sens de rotatie a servomotorului (de exemplu, dreapta) grupul de tiristoare V₁-V₂ functioneaza ca redresor activ, cu un unghi de comanda (fig.2); tensiunea medie redresata fiind mai mare decit tensiunea electromotoare, masina functioneaza in regim de motor. Prin acest redresor circula suma dintre curentul motorului i_m si curentul de circulatie i_cir .Grupul de tiristoare V₃ - V₄ este comandat cu α_B>90', deci lucreaza in regim de invertor, dar pasiv, caci este parcurs doar de curentul de circulatie. Daca turatia servomotorului are tendinta sa creasca, ca urmare a scaderii sarcinii, sau daca se da comanda de micsorare a turatiei sau de oprire, tensiunea electromotoare devine mai mare ca tensiunea redresata medie, curentul rotoric se anuleaza si schimbindu-si sensul, trece prin grupul invertor B (V₃, V₄), care devine activ, iar redresorul A (V₁, V₂) devine pasiv, fiind parcurs doar de curentul de circulatie.

Fig.2 Functionarea in primele doua cadrane

La functionarea cu alt sens de rotatie, printr-o cornanda adecvata, grupul de tiristoare care fusese redresor (α_A<90⁰) devine invertor (α_B>90⁰) si invers. Trecerea grupului de tiristoare din stare activa (parcurse de curentul motorului) in stare pasiva (parcurse doar de curentul de circulatie), ca si regimul energetic al masinii de actionare (motor sau generator), depinde deci de jocul valorilor absolute U_A=-U_B ale tensiunilor redresate de cele doua grupuri (valori medii) si a tensiunii electromotoare induse in motor Ue =kΦΩ.

Curentul de circulatie produce pierderi suplimentare in infasurarile bobinelor de limitare si in tiristoare, lar bobinele maresc costul instalatiei, desi au si un rol de netezire a curentului servomotorului. Cu toate acestea schema reversibila cu curent de circulatie este mai avantajoasa decat schema cu grupuri independente de tiristoare (fara curent de circulatie), prin simplitatea comenzii, care nu mai trebuie sa blocheze grupul de tiristoare in concordanta cu sensul de circulatie a energiei si prin asigurarea unui curent neintrerupt prin motor. Pentru limitarea curentilor de circulatie, este recomandabil sa nu se lucreze cu unghiuri    de comanda mai mari de30⁰ (respectiv 150').

Motorul asincron monofazat

Acest tip de motor are exact aceeasi constructie ca si motorul trifazat, cu singura deosebire ca statorul poseda o infasurare monofazata, conectata la o retea monofazata. Rotorul este de obicei in scurtcircuit (colivie de veverita)

Infasurarea monofazata statorica parcursa de un curent monofazat produce un cimp sinusoidal in timp si spatiu care se poate descompune in doua cimpuri invirtitoare ce se rotesc in sensuri opuse, cu acceasi viteza si cu amplitudini egale cu jumatate din amplitudinea cimpului sinusoidal in timp si patiu. Intr-adevar

B

In acest mod, motorul asincron monofazat este echivalent cu doua motoare asincrone trifazate, identice, ale caror infasurari statorice produc cimpuri invirtitoare identice, dar cu sensuri de rotatie diferite si care au rotoarele solidare cu acelasi arbore (fig.1b). La rindul lor, aceste doua motoare asincrone trifazate sint echivalente cu un singur motor asincron trifazat cu doua infasurari statorice A si B legate in serie, dar cu succesiune diferita a fazelor la periferia interioara a statorului (fig.1 c), astfel avand in vedere schema electrica echivalenta a motorului asincron trifazat, putem realiza si schema electrica echivalenta a motorului monofazat (fig.2)

La fel ca la motorul asincron monofazat, in motorul trifazat din figura 1c conductoarele infasuraru rotorice parcurse de curentii indusi de catre cele doua cimpuri invirtitoare statorice B_A si B_B (care se rotesc in sensuri opuse) si aflate in aceste cimpuri vor fi solicitate de forte electrodinamice.

Fig. 1. Motorul asincron monofazat:

a - schema de principiu; b,c - scheme echivalente.

Fig.2.Schema electrica echivalenta a motorului asincron monofazat

Asupra rotorului vor actiona doua cupluri electromagnetice M_A si M_B, egale, dar de sensuri contrare. Cuplul rezultant asupra rotorului va fi evident nul si rotorul nu se poate pune in miscare. Daca insa dam un impuls rotorului intr-un anumit sens, de exeinplu, in sensul cimpului invirtitor B_A si rotorul se invirteste cu o viteza de rotatie Ω₂, atunci cimpul magnetic invirtitor B_A are o viteza relativa fata de rotor Ω₁-Ω₂, si frecventa curentilor indusi in infasurarea rotorului va fi:

Cimpul invirtitor B_B     va avea fata de rotor o viteza relariva Ω₁+Ω₂ iar frecventa curentilor in rotor va fi

in care 2-s este alunecarea rotorului fata de cimpul invirtitor B_B.

Sa reprezentam in figura 3 cuplul electromagnetic M_A functie de alunecarea s. Acest cuplu este produs de infasurarea A si are acelasi sens cu sensul de rotatie al rotorului. Cuplul electromagnetic M_B, produs de cimpul invirtitor invers al infasurarii B, va avea sens invers. Cuplul M_A=f(s) va avea in domeniul un caracter activ, curba M_A=f(s) prezentind    aceeasi alura ca si la motorul asincron trifazat. Cuplul M_A     creste pina la valoare maxima odata cu viteza de rotatie, iar apoi scade la zero pentru s = 0. In domeniul , alunecarea rotorului in raport cu cimpul invirtitor invers B_B va fi 2-s1, deci cuplul electromagnetic produs de acest cimp invirtitor este cuplu de frinare. In domeniul 1, cuplul M_B reprezinta cuplu de frinare, iar alunecarea in raport cu cimpul invers fiind 0 < 2 - s1, cuplul M_B devine cuplu activ.

Considerind cuplul ca fiind pozitiv daca actioneaza in sensul de rotatie, curbele M_A=f(s) si M_B =f(s) se prezinta ca in figura 2.

Cuplul rezultant este reprezentat in aceeasi figura.

Se remarca imediat ca pentru s=1, cuplul rezultant este nul, adica motorul are cuplu de pornire nul. In schimb, daca se da un impuls motorului intr-un anumit sens, iar cuplul rezistent este considerat pentru moment redus, motorul dezvolta un cuplu activ in acelasi sens si motorul se accelereaza pana ajunge la o viteza apropiata de viteza de sincronism, cind motorul poate fi incarcat cu un cuplu rezistent la arbore, evident mai mic decat cel maxim.

Fig. 3. Caracteristica M = f(s) a motorului asincron monofazat.

Faptul ca motorul asincron monofazat nu dezvolta cuplu la pornire constituie un mare dezavantaj. De aceea, motorul asincron monofazat trebuie sa fie prevazut cu un mijloc convenabil pentru asigurarea unui cuplu de pornire, necesar atit invingerii frecarilor proprii in paliere, cit si invingerii unui cuplu rezistent oarecare la arbore. Problema se poate rezolva simplu daca in momentul pornirii s-ar produce in locul cimpului sinusoidal in timp si spatiu un cimp invirtitor.

Se poate arata usor ca, daca statorul motorului asincron este prevazut cu o infasurare monofazata suplimentara - denumita infasurare de pornire sau infasurare, auxiliara -     decalata la periferia statorului cu unghiul fata de infasurarea monofazata de baza, avind acelasi numar de spire si fiind parcursa de un curent de acceasi valoare efectiva, dar defazat in timp cu fata de curentul din infasurarea principala, se produce un cimp magnetic invirtitor in locul cimpului sinusoidal in timp si spatiu.

Intradevar fie: curentii din cele doua infasurari.

Campurile produse de fiecare infasurare vor fi: ,

care se pot scrie si adunandu-le obtinem:

care reprezinta un camp invartitor ce asigura un cuplu de pornire.

Dat fiind caracterul auxiliar al infasurarii de pornire (in mers nu mai este nevoie de aceasta infasurare), ea nu indeplineste in practica exact conditiile impuse mai sus. O infasurare monofazata, decalata la periferia interioara a statorului in raport cu infasurarea principala, cu un numar mai redus de spire, parcursa de un curent (chiar mai mic) defazat fata de curentul din infasurarea principala, produce o slabire relativa a cimpului invirtitor invers si o intarire relativa a cimpului invirtitor direct. In practica, in unele cazuri, aceasta poate fi suficient pentru ca motorul sa porneasca singur.

In masinile asincrone monofazate, infasurarea principala ocupa de obicei din crestaturile care revin unui pas polar, iar restul sint ocupate de infasurarea auxiliara. Ambele infasurari se conecteaza la aceeasi retea electrica monofazata. Spre a asigura defazarea celor doi curenti, se conecteaza in serie in infasurarea auxiliara fie o rezistenta, fie un condensator (fig. 4).

Atunci cind se utilizeaza o rezistenta conectata in faza auxiliara, nu se poate obtine defazajul de 90° intre curenti, si de aceea cuplul de pomire va fi relativ mic. Rezultate mult mai bune se obtin in cazul utilizarii condensatorului, a carui capacitate poate fi aleasa astfel incit la s = 1 sa se obtina numai cimp invirtitor direct, iar motorul sa dezvolte un cuplu de pornire relativ mare.

Infasurarea auxiliara cu condensator poate fi mentinuta, si in mers, obtinindu-se o imbunatatire a factorului de putere. Totusi valoarea optima a condensatorului pentru pornire se dovedeste a fi prea mare in regimul normal de functionare. De aceea, adeseori se deconecteaza o parte din capacitatea legata in serie in faza auxiliara, dupa ce motorul a pornit. Caracteristicile mecanice a motoarelor monofazate cu condensator pot fi vazute in figura 5.

Fig.4.Condensator sau rezistenta pentru defazarea

curentului infasurarii auxiliare

Un defazor de tensiune (fara a modifica valoarea efectiva )se poate obtine dupa urmatoarea schema:

Deseori se intrebuinteaza in practica o varianta constructiva a motorului asincron monofazat cu faza auxiliara - asa-numitul motor cu spira in scurtcircuit (fig.6). Statorul acestui motor are poli aparenti pe miezul carora se afla infasurarea monofazata. 0 anumita parte din deschiderea piesei polare este cuprinsa de o spira in scurtcircuit. Aceasta spira impreuna cu infasurarea corespunzatoare de pe pol formeaza un transformator. Cimpul polilor B₁ induce in spira in scurtcircuit un anumit curent I_s, care produce la rindul sau cimpul B_s.

Cele doua cimpuri B₁ si B_s se suprapun pe deschiderea polilor cuprinsa de spirele in scurtcircuit. Ele vor fi defazate in timp (fig.6) si vor da un cimp rezultant B₂ defazat fata de cimpul B₁. Prin urmare, rotorul se afla sub influenta a doua cimpuri: pe deschiderea spirelor in scurtcircuit - cimpul B₂, iar pe restul deschiderii piesei polare - cimpul B₁. Daca se iau in consideratie doar armonicele spatiale fundamentale ale celor doua cimpuri, se constata ca rotorul este supus influentei a doua cimpuri sinusoidale in timp si spatiu, decalate in spatiu si cu faza diferita, exact ca si in motorul asincron cu faza auxiliara.

Fig.5. Motorul asincron monofazat cu spira in scurtcircuit

Dat fiind cuplul mic de pornire, randamentul slab si factorul de putere mic, desi este foarte simplu, motorul cu spira in scc. nu se realizeaza decat pentru puteri foarte mici 5 . 25W, care se utilizeaza la ventilatoare mici etc.

Motoarele cu rezistenta se construiesc in limitele 30 . 200W si se utilizeaza la frigidere, aparate medicale,etc.

Motoarele cu condensatoare se construiesc pentru puteri de la 50 W si au o larga raspandire in actionari de putere relativ mica.

2.Servomotoare asincrone

Servomotoarele de c.a. asincrone au intr-un sistem automat aceeasi functie ca si cele de c.c., de a antrena la o turatie dorita diverse sarcini mecanice.

Fata de cele de c.c., cele de c. alternativ au urmatoarele avantaje : sunt mai simple, mai robuste, au cuplu de frecari mai mic, mai silentioase, mai sigure in exploatare si mai ieftine.

Dezavantaje : randament mai scazut, factorul de putere mic, gabarit mai mare, gama de reglaj a vitezei mult mai mica.

Uzual se intalnesc servomotoare bifazate si cele trifazate.

2.1.Servomotoare asincrone trifazate

Din punct de vedere constructiv sunt asemanatoare motoarelor asincrone clasice, iar principiul de functionare este la fel. Ceea ce difera este domeniul de aplicatie, servomotoarele fiind utilizate ca element de executie cu viteza reglabila, fiind astfel importante performantele masinii in regim dinamic.

Schema de principiu a acestui servomotor poate fi vazuta in figura de mai jos:

Schema de principiu a servomotorului asincron trifazat

In aceasta schema sunt figurate cele trei infasurari ale statorului si ale rotorului concentrate in axele lor magnetice.

Sistemul de ecuatii care caracterizeaza functionarea servomotorului se poate scrie pentru o faza a acestuia in marimi reale raportate la stator sub forma:

Se observa ca acest sistem de ecuatii sunt cele care descriu masina asincrona trifazata, astfel ca si schema electrica echivalenta, cuplul si caracteristicile mecanice vor fi asemanatoare

Comanda acestor servomotoare se face cu convertizoare de frecventa, care pentru a se pastra constant fluxul prin masina, lucreaza indeplinind conditia U₁/f₁=cst. ceea ce inseamna M=cst.

In general la frecvenIn general la frecvente peste cea nominala, tensiunea ramane constanta, functionarea avand loc la putere constanta. La frecvente scazute de alimentare, rezistenta infasurarii statorice devine de acelasi ordin cu reactanta de magnetizare, ea nu mai poate fi neglijata. Datorita acestui fapt, pentru a mentine constant fluxul in intrefier, variatia tensiunii nu este liniara cu frecventa, astfel ca pentru frecvente mai mici de 15 Hz, tensiune a se mentine constanta