Motoare Sincrone Cu Comutator Electronic

Motoare Sincrone Cu Comutator Electronic

Prin insuși principiul lor de funcționare, mașinile de curent continuu sunt mașini sincrone alimentate la frecvența variabila, colectorul jucand rolul unui convertizor de frecvența autocomandat.

Diverse tipuri de motoare electrohidraulice pas cu pas fabricate pe plan mondial

Prezența colectorului, care nu este decat comutator mecanic, face ca mașinile de curent continuu sa prezinte o serie de dezavantaje constructive fața de masinile de curent alternativ. Acest lucru a obligat pe cercetatori sa incerce crearea unei mașini noi, care sa imbine construcția simpla a mașinilor de curent alternativ cu posibilitațile de reglare de viteza intalnite la mașinile de curent continuu. Soluția evidenta a fost inlocuirea comutatorului mecanic cu un sistem static de comutație.

Ideea inlocuirii comutatorului mecanic cu un comutator electronic nu este noua. Ea a aparut odata cu descoperirea lampilor electronice și a mutatoarelor cu mercur, dar rezultatele obținute nu au fost mulțumitoare. Odata cu realizarea tranzistorului și tiristorului, elemente simple, de fiabilitate ridicata și capabile sa vehiculeze puteri mari, cu randament foarte bun, ideea a fost reluata, iar incercarile au fost icununate de succes.

Mașinile de curent continuu pot fi de construcție normala (fig. Alaturata1), cu perii fixe și colector mobil sau de construcție inversa, cu colector fix și perii mobile (fig. Alaturata2).

Principiul lor de funcționare nu difera cu nimic și asupra celei de-a doua variante constructorii au incercat utilizarea comutatorului electronic. Semiconductoarele din fig. 3, sunt pe rand comandate de un traductor de poziție rotoric realizand astfel o mașina cu funcționare identica ca a mașinii cu colector mecanic (fig. 2).

Comutatoarele cu semiconductori au fața de intrerupatoarele mecanice calitați superioare, care sunt cu atat mai importante, cu cat frecvența este mai ridicata, mașina cu comutație electronica fața de mașina clasica prezentand avantajele: absența uzurii și intreținerii colectorului, reducerea dimensiunilor și greutații prin dispariția colectorului, polilor auxiliari și a infașurarii de compensație. Cresc limitate de existența comutatorului mecanic.

Se obțin astfel mașini de turații ridicate (pana la 30000 rot/min), viteze care in cazul comutatorului clasic nu pot fi atinse din cauze mecanice si electrice (pericol de distrugere a colectorului sub acțiunea forțelor centrifuge și efectele comutației). Reglarea vitezei se face simplu, prin variația fluxului de excitație, prin comanda momentelor de comutare, prin modificarea tensiunii sau curentului de alimentare. Se obțin astfel mașini cu funcționare silențioasa, care la aceleași puteri, comparativ cu mașinile de curent continuu, au randament imbunatațit concurand economic și tehnic cu mașinile clasice.

Ca dezavantaje ale acestor mașini se pot cita: necesitatea unei instalații electronice relativ complicate pentru asigurarea frecvenței variabile, comenzii și reglarii vitezei, un preț de cost ridicat, necesitatea protecției mai bune la suprasarcini și scurtcircuite [69 - 81].

Construcția și principiul de funcționare a mașinilor cu comutator electronic

Mașinile cu comutator electronic sunt asemanatoare constructiv cu mașinile sincrone normale de tipul cu excitație prin magneti permanenti sau electromagnetica. Ele sunt alimentate prin intermediul unor convertizoare statice cu tranzistoare sau tiristoare.

Cea mai simpla soluție, utilizata la mașini de mica putere FIG. , este alimentarea pe rand, direct de la o sursa de tensiune continua, prin intermediul a trei tranzistoare de putere, a celor trei infașurari statorice decalate la 120 GRADE electrice.

Comanda tranzistoarelor este data de catre un traductor de poziție rotoric, intreg ansamblul jucand rolul unui comutator mecanic. Pentru o imbunatațire a utilizarii mașinii se poate folosi un sistem de circulație bidirecționala a curentului FIG. , sursa de alimentare reprezentand un punct median.

La puteri mai mari, in locul convertizorului cu tranzistoare, se utilizeaza convertizoare cu tiristoare de tipul celui prezentat in FIG. , formate dintr-un redresor comandat, un filtru și un invertor cu comutație forțata. O alta soluție este utilizarea cicloconvertizoarelor sau invertoarelor cu stingere naturala, in ultimul caz pornirea ridicand anumite probleme speciale.

Comanda invertorului se face printr-un traductor de poziție fotorezistiv sau electromagnetic. In cazul utilizarii unui traductor inductiv, acesta este format dintr-o parte fixa pe care sunt dispuse simetric șase elemente de sesizare prin fața carora, solidar cu rotorul mașinii, trece o piesa feromagnetica. Prin șase amplificatoare sunt comandate separat cele șase tiristoare ale invertorului FIG.

Invertorul utilizat poate fi cu curent impus (curentul schimba rapid de sens sau rapid devine zero deoarece lipsește puntea de diode de curent invers (legaturile punctate intrerupte din FIG.) sau cu tensiune impusa (curentul continua sa se inchida prin sarcina și prin diodele de recuperare, schimband de sens la trecerea sa naturala prin zero, legaturile punctate fiind incluse in circuit FIG.). Desigur ca obținerea unui curent cu forma impusa, nu este practic realizabila, deoarece variații bruște ale sale nu sunt posibile, dar in prezența unor circuite puternic disipative sau a unor condensatoare care pot prelua rapid energia acumulata in circuitul magnetic al infașurarii respective, ipoteza este plauzibila.

In cazul tensiunii impuse, pentru o succesiune a comenzilor in ordinea 1,6,3,2,5,4 data de traductorul de poziție rotorica FIG tensiunile intre faze Uab, Ubc, Uca au forma din FIG iar pentru o sarcina simetrica, tensiunile de faza Uan, Ubn, Ucn sunt prezentate in FIG

In cazul alimentarii cu curent de forma impusa variația pe faza a curentului este asemanatoare celei din figura FIG . Rezulta deci ca pentru orice turație exista o legatura rigida intre tensiunea sau curentul aplicat unei faze, de exemplu Uan respectiv Ia și poziția rotorului. In ipoteza luarii in considerație numai a armonicii fundamentale a tensiunii de alimentare U sau a curentului I, știind ca fazorul tensiunii electromotoare - Eo este reprezentat pe axa q, rezulta ca unghiul dintre acest fazor și fazorul ensiunii la borne respectiv al curentului statoric, este in permanența constant, fixat de operator.

Caracteristicile motoarelor cu comutator electronic

Pentru simplificarea analizei - se neglijeaza efectul armonicilor superioare de tensiune și curent. (ref. Doar la armonica fundamentala deoaece neglijarea celor superioare nu introduce practic nici o eroare in ceea ce privește cuplul electromagnetic produs și caracteristicile mecanice ale mașinii).

Sa analizam separat cele doua cazuri, prezentand asemanarile și diferențele dintre mașilile sincrone clasice, mașinile de curent continuu și cele cu comutator electronic.

In FIG sunt prezentate diagramele spațiale de vectori ai inducției pentru fiecare caz in parte, mașinile fiind cu poli inecați și nesaturate pentru a fi posibila superpoziția efectelor. In cazul mașinii sincrone clasice alimentata de la o sursa de frecvența constanta FIG modificarea sarcinii conduce la o modificare a unghiului intern QWERTY , definit ca unghiul intre fazorii tensiunii de alimentare U și t.e.m. de mers in gol - Eo sau intre vectorii rotitori B!!! (inducție rezultanta) și Bo!!! (campul de excitație). In cazul mașinii de curent continuu cu excitație independenta FIG poziția spațiala a campului de reacție B!!!r, al indusului fața de campul de excitație B!!!o este impusa de sistemul perie-colector α=constant (periile pe linia neutra - unghiul α=90) și la orice modificare a sarcinii valoarea unghiului intern al mașinii, definit ca și in cazul anterior, se modifica. Trebuie avut in vedere ca in acest caz, ca și pentru mașinile cu comutator electronic la care frecvența de alimentare nu mai este constanta, construcțiile geometrice din figurile FIG nu reprezinta compuneri de vectori de viteza de rotație diferita, ci suprapunerea pe același desen a mai multor diagrame cu aceeași origine de faza.

In cazul mașinii cu forma de tensiune impusa, deoarece faza tensiunii de alimentare fața de poziția rotorului, respectiv unghiul dintre fazorul tensiunii aplicate și cel al t.e.m. de gol, este fixata prin poziția traductorului de poziție, rezulta ca și unghiul intern !!! este impus și ca urmare diagrama de vectori respectiva arata ca in FIG.

Rezulta ca orice modificare a sarcinii modifica valoarea campului rezultant, fara insa ca poziția sa sa se schimbe in raport cu campul de excitație. Neglijand caderea de tensiune pe rezistența și reactanța de scapari a indusului ca pentru orice mașina sincrona, cuplul electromagnetic este : DE REZOLVAT

Analizand aceasta ecuație se constata ca legatura dintre cuplu și viteza este hiperbolica FIG asemanatoare mașinilor de curent continuu cu excitație serie ideale. La un cuplu rezistiv dat, viteza se regleaza acționandu-se fie asupra tensiunii de alimentare, fie asupra fluxului de excitație, fie asupra unghiului intern ASTA prin modificarea poziției traductorului FIG pe cale mecanica sau electronica.

Daca se ține cont și de caderea de tensiune pe rezistențele și reactanțele de scapari statorice, caracteristicile mecanice sunt ceva mai cazatoare, asemanatoare mașinii de curent continuu serie reale.

In cazul in care mașina funcționeaza la curent I de forma impusa, poziția spațiala a unghiului de reacție ASTA , fața de campul de excitație ASTA este fixata de catre traductorul de poziție (unghiul α) și  diagrama de vectori arata ca in figura ASTA. Orice modificare a sarcinii modifica valoarea campului rezultat din mașina, cat și unghiul intern ASTA.

Cuplul electromagnetic se determina pornindu-se de la relațiile generale AHAHA axa q a mașinii fiind aleasa drept axa campului de reacție CALCULE

Se observa ca la un curent dat, cuplul electromagnetic este independent de viteza de rotație și maximum pentru α_r = 90⁰ , situație intalnita și la mașina clasica cu colector, fig. AHA

In cazul general (α_r ≠ 90⁰) efectul campului B_r este identic cu cel produs de o mașina cu colector cu periile plasate la un unghi α fața de axa campului de excitație. Daca consideram ca tensiunea electromotoare U este aproximativ egala cu tensiunea electromotoare rezultanta E minus caderea de tensiune pe rezistența statorica a mașinii

U ≈ E - RI = k_eΩ Φ_d - RI = k_eΩΦ₀ sin α_r - RM/ k_mΩ₀ sin α_r ,

Constatam ca in acest caz caracteristicile mecanice ale mașinilor cu comutator electronic sunt asemanatoare cu cele ale mașinilor de curent continuu clasice FIG, viteza lor fiind reglabila prin modificarea tensiunii de alimentare U, a fluxului de excitație Ф₀ și a unghiului α_r impus de traductorul de poziție, figura AHA(relația AHAHA pentru M=0).

O analiza mai realista a performanțelor mașinilor cu colector electronic in regim staționar se poate face cu luarea in considerație de la bun inceput a rezistenței statorice, a reactanțelor de scapari și a efectului de anizotropie magnetica, relațiile obținute fiind insa relativ complicate (72). Un calcul exact care sa țina cont de forma particulara a tensiunii sau curentului de alimentare, valabil atat in regim staționar, cat și dinamic, se face apeland la metode de calcul numeric, integrand ecuațiile generale ale mașinii (AHA) cu ajutorul calculatoarelor electronice.

In cele mai multe cazuri, aceste mașini nu funcționeaza independent, ci in bucla inchisa, cautandu-se ca funcționarea lor sa fie optimizata și din punct de vedere energetic (cos φ = 1, curent statoric minim), viteza dorita fiind menținuta constanta cu ajutorul unei reacții ahometrice (figur AHA).