Variatorul de tensiune alternativa

Variatorul de tensiune alternativa

Variatorul de tensiune alternativa este un convertor care realizeaza reglajul de

putere furnizat unui consumator prin esantionarea tensiunii alternative a unei

surse de alimentare,adica prin conectarea si deconectarea periodica a sursei la

sarcina .Esantionarea se realizeaza prin control de faza sau prin comanda

interminenta.Variatoarele de curent alternative modifica tensiunea aplicata

receptorului ,dar frecventa ramane constanta si egala cu cea a sursei de

alimentare.Schema de principiu a unui variator de current alternativ este

prezentata in fig. 1 Dupa numarul de faze variatoarele de curent alternative

pot fi monofazate sau trifazate.

Fig. 1. Schema bloc de principiu a unui variator de curent alternativ

1 Variatorul de tensiune alternativa monofazat

1.1 Variatorul de tensiune alternativa monofazat cu control de faza

Dupa modul de realizare a comenzii tiristoarelor legate antiparalel (fig 2) se

observa ca functionarea unui variator electric cu control de faza se poate face in

regim simetric sau asimetric.Valoarea efectiva a tensiunii de iesire la acest tip de

variator se modifica prin comanda progresiva a impulsurilor de comanda

aplicate pe grila tiristoarelor.

Fig. 2. Variatorul de curent alternativ monofazat

1.1.1 Functionarea in regim simetric

Characteristic functionarii in regim simetric a variatorului monofazat o

constituie faptul ca valoarea medie a tensiunii pentru o perioada de 2􀣊 este 0.

Aceasta se obtine prin comanda decalata a celui de al doilea tiristor cu o

semiperioada 􀣊 fata de primul tiristor,in asa fel incat primul tiristor sa conduca

pe alternanta pozitiva a sinusoidei tensiunii de alimentare ,iar cel de-al doilea

tiristor sa conduca pe alternanta negativa.

Formele de unda caracteristice functionarii in sarcina rezistiva sunt prezentate

in figura 3.

Valoarea efectiva a tensiunii la o comanda cu un unghi 􀢻 pentru primul

tiristor in cazul sarcinii pur resistive se determina cu relatia:

Formele de unda corespunzatoare sunt prezentate in figura 4

Fig. 3. Referitor la variatorul cu control pe faza in regim simetric. Forme de unda in cazul sarcinii rezistive

Fig. 4. Variatorul cu control pe faza in regim simetric. Forme de unda in cazul sarcinii rezistiv inductive

1.2 Variatorul de curent alternative monofazat cu comanda

intermitenta

Comanda intermitentaa unui variator de curent alternativ conduce la

inchiderea unui circuit pe o perioada prestabilita Ti si deschiderea respectivului

circuit de sarcina pe o perioada Td(fig6).

Reglarea puterii medii transmise de sursa catre receptor se face prin

modificarea duratelor Ti si respective Td .Puterea consumata este:

Unde PTmed reprezinta puterea medie absorbita de circuit pe o perioada T.

Pentru a evita perturbatii de linie la inchiderea circuitului , in special in cazul

sarcinilor resistive se prevad filter sau se folosesc dispozitivele de comanda care

asigura trecerea in conductie a ventilelor in momentul trecerii prin zero a

tensiunii de alimentare .Acest mod de comanda este denumit comanda cu

comutatie la tensiune zero.

2 Variatorul de tensiune alternative trifazat

Variatorul trifazat de tensiune alternativa trifazat se foloseste la alimentarea

sarcinilor rezistiv inductive cu coefficient mare de variatie a rezistentei cu

temperatura si in sistemele de reglare a turatiei motoarelor asincrone de mica

putere cu alunecare marita.

2.1 Functionarea variatorului de curent alternativ cu sarcina

rezistiva

Schema electrica a variatorului este prezentata in figura 7 .Prin aplicarea

unui sistem de tensiuni trifazat simetric de frecventa 50Hz si a unor impulsuri de

comanda pe grila tiristorilor conectati in antiparalel potrivit figurii 8 se obtine

la iesire un sistem trifazat simetric de tensiuni variabile la frecventa costanta.

Variatiacurentului prin circuitul de sarcina depinde de modul de tratare al

neutrului, de modul aplicarii impulsului de comanda si de sarcina.

Fig.   Variatorul trifazat cu sarcina rezistiva

Se considera cazul aplicarii unui impuls de comanda la un unghi cuprins in

intervalul [0,􀣊/3] cu sarcina variatorului un receptor rezistiv trifazat echilibrat

fara conductor de nul (fig.7).

Fig. 10. Calculul curentului prin faza R

Comanda tiristoarelor la variatorul trifazat la α=30°

Fig. 9. Forma de unda a tensiunii taiate la 30°

Variatia in timp a curentului iR este data in functie de modul in care conduc

tiristoarele aflate pe fazele distincte astfel:

Fig. 11. Forma de unda a tensiunii taiate la 75°

Fig. 12. Forma de unda a tensiunii taiate la 135°

Variatia curentului prin fazele sarcinii se scriu similar si pentru celelalte doua

posibile interval de functionare:

In cazul unei

sarcini rezistiv-inductive unghiul de comanda depinde de defazajul armonicii

fundamentale a curentului:

Schema de simulare a unui variator de curent alternativ alimentat de la

reteaua de tensiune alternativa prin intermediul unui transformator pentru care

se considera reactantele de scapari de valoare Ls=3mH se prezinta in figura 14.

Formele de unda rezultate sunt prezentate in figurile 15,16 si 17 in cazul

receptorului trifazat echilibrat fara conductor neutru ,iar in figurile 18,19

20 pentru receptor trifazat echilibrat cu conductor neutru.Fisierul de circuit

SPICE este:

Fig. 14. Schema de simulare SPICE a variatorului de curent alternativ trifazat cu sarcina rezistiva

Fig. 15. Sistemul trifazat de curenti la comanda de 30°

Fig. 16. Variatia curentului printr-o faza a receptorului si variatia potentialului nodului 1 la comanda de 30°

Fig. 1 Variatia curentului printr-o faza a receptorului si variatia potentialului nodului 1 la comanda de 135°

Fig. 18. Formele de unda ale tensiunilor alternative taite la un unghi de comanda de 30° si a curentului printr-o faza

Fig. 19. Formele de unda ale tensiunilor alternative taiate la un unghi de comanda de 75°

Fig. 20. Formele de unda ale tensiunilor alternative taiate la un unghi de comanda de 150°

2.2 Functionarea variatorului de tensiune alternativa in sistemele de

reglare a vitezei motorului asincron

Pentru studiul functionarii si analizei asistate de calculator in sistemele de

reglare a vitezelor motoarelor de alimentare in tensiune alternativa trifazata se

propune urmatorul model de motor de inductie trifazat cu parametrii de circuit

ce se pot determina prin metodele clasice experimentale [13].

2.2.1 Modelul SPICE al motorului de inductie trifazat

Se considera un motor de inductie trifazat simetric alimentat in stator de o

sursa de tensiune trifazata simetrica de frecventa f1.In ipotezele in care saturatia

circuitului magnetic este neglijabila ,infasurarile statorice si rotorice au

conductoarele distribuite sinusoidal in spatiu cu rezistentele infasurarilor

independente de temperatura ,se pot scrie ecuatiile de tensiune ale motorului

asincron in sistem de referinta fix,aplicand legea inductiei electromagnetice pe

Tinand seamaca inte frecvena retelei de alimetare ,aceeasi cu a curntilor

statorici, numarul de perechi de poli si turatia sincrona a motorului de inductie

exista legatura data de relatia 60fs=n1*p, in regim de functionare stationar se

poate deduce pe baza analizei functionarii motorului,dar si a principiului

conservarii puterilor si a energiei electrice si a energiei electrice , schema

echivalenta a unei faze a motorului de inductie cu considerarea pierderilor in

miezul feromagnetic (figura 22).

Fig. 21. Scrierea ecuatiilor motorului de inductie trifazat

Fig. 22. Schema echivalenta de regim stationar a motorului de inductie cu pierderi in miez

Elementele componente ale schemei de model stationar sunt:

in

RR-rezistenta infasurarii rotorului;

. X..S= .. s*L..s - reactanta de scapari proprii a statorului;

. .. s=2..*fs -pulsatia curentilor statorici;

. L..S-inductivitatea de scapari a statorului;

. L..r -inductivitatea de scapari raportata a rotorului;

. RFe -rezistenta de pierderi in miezul ferromagnetic;

. Xm= .. sLm -reactanta de magnetizare;

Ecuatiile motorului de inductie scrise pentru o faza a motorului in regim

stationar sunt:

US=RS*IS+j .. sL..S*IS-E

.. Ir+j .. sL..r*Ir+E

Im=IS-Ir

Unde IS -fazorul curentului statoric in regim de functionare stationar;

Ir-fazorul curentului rotoric raportat in regim de functionare stationar;

s=(n1-n)/n1 -alunecarea motorului asincron la turatia n;

Aceasta schema nu se poate folosi in analiza regimurilor tranzitorii ale

motorului de inductie.

Pentru studiul regimurilor tranzitorii se foloseste modelul fazorilor spatiali

intr-un sistem de referinta rotit cu o viteza unghiulara .. g.Toti vectorii spatiali

sunt fixati la un sistem de referinta general rotit la viteza unghiulara .. g fata de

stator(fig. 23).

Marimile rotorice sunt raportate la stator.

Fig. 23. Fixarea fazorilor spatiali fata de un sistem de referinta rotit cu viteza

Pentru realizarea modelului fazorilor spatiali sistemul de ecuatii (2.1) se

scrie in sistemul de referinta arbitrar rotit cu viteza .. g fata de stator astfel:

Fig. 25. Modelul dq al motorului de inductie trifazat

Desi marimile d-q descompuse din fazorii spatiali dupa component reala si

imaginara par a fi numai matematice,totusi acestea sunt marimi existente fizic.

Fluxurile d-q pot fi masurate direct in intrefierul motorului de inductie ,iar

curentii si tensiunile d-q apar in buclele de reglare a vitezei orientate dupa camp.

Intre tensiunile de faza ua,ub,uc de alimentare ale statorului si marimile udS si

uqS exista corespondenta matriceala a transformarii directe Park.

M-cuplul rezistent la arborele motorului.

Pierderile de natura mecanica se pot introduce in ecuatia mecanica a masinii

prin intermediul cuplului de frecare uscata MF0 si a cuplului de frecari vascoase:

MFV=F*f¶ , in care F este coeficientul de frecare vascoasa.

La functionarea motorului asincron in gol ecuatia mecanica devine:

J* .

Viteza mecanica unghiulara a rotorului este:

f¶= .. r/p

Utilizand componentele dq ale fluxului si curentului rezulta valoarea cuplului

electromagnetic:

Me=- ..

.. ..(fÕqm*idr-fÕdm*iqr)

Me=- ..

.. ..(Lm*idm*iqr-Lm *iqm *idr)

Datele nominale ale motorului sunt precizate in tabelul 1 iar parametrii de

circuit ai motorului in tabelul 2

Schema de circuit SPICE a motorului de inductie trifazata este prezentata in

figura 26. Fisierul de circuit este:

Rezultatele simularii sunt prezentate in figurile 27,28,29,30.

2.2.2 Simularea motorului de inductie alimentat de la variatorul

trifazat de tensiune

Analiza functionarii motorului asincron alimentat de la variatorul trifazat

alternativ de tensiune presupune folosirea modelului de motor asincron de

inductie trifazat cu considerarea circuitului de secventa 0 .Rezultatele simularii

sunt prezentate in figura 31.

Pentru mentinerea constanta a marimii de iesire turatia motorului si

asigurarea regimului stabilit de functionare ,convertorul poate fi prevazut cu o

bucla de reactie realizata cu regulatoare de turatie si curent conectate in

cascada.Informatia de curent va fi furnizata de transformatorul de curent,iar

informatia de viteza va proveni de la un senzor mecanic de pozitie si viteza. Rezultatele simularii sunt prezentate in figurile 27,28,29,30.

Fig. 26. Modelul SPICE al motorului de inductie trifazat

Fig. 2 Variatia curentului de faza statoric si a vitezei unghiulare la pornirea in gol a motorului asincron

Fig. 28. Variatia cuplului electromagnetic la pornirea in gol a motorului asincron

Fig. 29. Variatia curentului de faza statoric si a vitezei unghiulare la pornirea in sarcina a motorului asincron

Fig. 30. Variatia cuplului electromagnetic la pornirea in sarcina a motorului asincron

Fig. 31. Variatia vitezei unghiulare a motorului de inductie si a curentului de faza din circuitul statoric in cazul unui unghi de comanda al variatorului de 30°