Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XL)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL S.A. (XL)

În episodul din numărul precedent dedicat FOREN 2016, am reliefat activitatea societăţii în cei peste 65 ani de activitate, prin prisma abordării în dezvoltarea de soluţii şi produse eficiente. Astfel, s-au trecut în revistă soluţiile high-tech elaborate pentru sistemele energetice, atât la producătorul de energie (echipamentele de excitaţie statică, echipamentele din structura managementului centralelor electrice, etc), cât şi la consumatorul de energie electrică (echipamentele destinate asigurării parametrilor calităţii energiei).

1. Introducere

În episodul prezent vom expune pentru specialiști problemele legate de utilizarea motorului asincron cu rotorul bobinat (cu inele), într-un lanț de acționare electrică (pornire, reglaj turație, frânare), prin prisma aspectelor legate de eficiența energetică a acestuia în aplicațiile în care este utilizat.

Este astăzi necesară utilizarea motorului asincron cu rotorul bobinat în aplicații industriale?

La această întrebare utilizatorii vor răspunde că, în anumite aplicații, motorul asincron cu rotorul bobinat nu poate fi înlocuit, considerând valoarea ridicată a raportului cuplu de pornire /cuplu nominal față de celelalte motoare, mai ales în aplicațiile de puteri mari și foarte mari.

Specialiștii din domeniul acționărilor electrice cu diferite tipuri de motoare electrice vor evidenția faptul că apariția convertoarelor statice de putere performante, a sistemelor de reglare utilizând microprocesoare și microcontrolere cu o puternică bază de calcul și viteză de răspuns, fac din acest avantaj al motorului cu rotorul bobinat unul care nu mai este relevant, tandemul convertor – motor, indiferent de tipul motorului, putând să acopere și acest aspect.

Până când toți se vor convinge de aceste argumente, în practica industrială sunt folosite foarte multe aplicații cu motoare asincrone cu inele, în mod deosebit în industria cimentului, motiv pentru care, în cele ce urmează, voi reveni și voi sintetiza câteva aspecte privind rolul, locul și modul de antrenare al acestui motor în aplicațiile industriale din punct de vedere electric.

2. Pornirea motoarelor asincrone cu rotorul bobinat. Particularităţi

Recunoscut a fi utilizat în cazul pornirilor grele (în sarcină), motorul asincron cu inele se pornește prin modificarea impedanței circuitului rotoric, obținându-se astfel un cuplu de pornire ridicat, apt să depășească în condiții grele cuplul de sarcină la axul rotoric.

Se cunoaște din expresia analitică a cuplului electromagnetic al mașinii asincrone că acesta este direct proporțional cu pătratul tensiunii de alimentare U1, cu alunecarea s și invers proporțional cu viteza unghiulară Ω0 și rezistența rotorică pe fază Rft.

 

Metoda clasică de pornire a motorului asincron cu inele este aceea de utilizare a unui reostat în trepte conectat în rotorul acestuia, ca în figura 1.
 

În acest fel, prin utilizarea treptelor Rk în rotorul motorului, la pornirea motorului se reduce cuplul de pornire și implicit curentul absorbit din rețeaua de alimentare U1.

Motorul pornește inițial pe caracteristica ΣRk, urmând după un algoritm controlat eliminarea, rând pe rând, a rezistențelor înseriate și culminând cu scurtcircuitarea rezistenței R1 și a celor 3 inele rotorice, motorul transformându-se într-un motor asincron cu rotorul în scurtcircuit.

Trecerea de pe o caracteristică artificială Rk pe alta se face astfel încât să nu diminuăm cuplul activ motor sub o valoare dată, reprezentând o valoare minimă acceptată.

Se observă din relația (1) că, dacă păstrăm constant raportul Rft/s, practic cuplul motor nu variază, rezultând astfel o metodă cunoscută de dimensionare practică a numărului de trepte de rezistențe Rk.

Astfel, pentru s = 1 și pentru un domeniu Mmin, Mmax impus, se poate determina numărul de trepte cu relația:

unde:

sm+1, sm reprezintă alunecările corespunzătoare cuplului Mmax, respectiv Mmin.

Bineînțeles că pentru o valoare k ∈ Z, se reajustează valorile sm+1, sm, respectiv Mmax și Mmin.

Acest algoritm este unul greoi, de aceea în practică se folosesc formule simplificate. Din punct de vedere al calculului la încălzire a reostatului, acesta se face pe un curent de pornire mediu geometric Ip:

 unde:

  •  I1 este curentul corespunzător cuplului de pornire în plină sarcină;
  • I2 este este curentul corespunzător cuplului de pornire la jumătate de sarcină.

Metoda prezentată este strâns legată de porni­rea motoarelor amintite fără reglajul turației aces­tora. După cum vom vedea în continuare, una din metodele de reglare a turației pentru motoarele asincrone cu inele presupune modificarea rezisten-ței rotorice, lucru care concură indirect la procesul de pornire.

Din punct de vedere constructiv, reostatele de pornire a motoarelor asincrone cu inele sunt de mai multe feluri: n reostate în aer, în general pentru motoare de puteri mici; n reostate cu lichid, pentru puteri mari; n reostate în ulei, pentru puteri mari și foarte mari.

Din punctul de vedere al eficienței energetice (randamente crescute), cele mai indicate sunt cele din ultima categorie (reostate în ulei).

De asemenea, pentru puteri mici și medii (motoare sub 1000 kW), astăzi sunt soluții statice performante: n choppere în circuitul rotoric; n impedanțe variabile (cu reluctanță variabilă), apte să funcționeze în domeniul variabil de frecvență 0...50 Hz.

3. Reglarea turaţiei motoarelor asincrone cu rotorul bobinat

Nu voi aborda în cele ce urmează metoda reglării turației prin modificarea tensiunii de alimentare după metodele cunoscute, deoarece motorul asincron cu inele este un caz particular al mașinii asincrone cu rotorul în scurtcircuit, el transformându-se într-o astfel de mașină în cazul scurtcircuitării inelelor. Voi evidenția cele mai uti­lizate metode de reglare a turației folosindu-ne de circuitul rotoric al acestuia, prin prisma aceluiași deziderat - eficiența energetică.

Prin variația rezistenței rotorice, este cunoscut faptul că va exista o creștere a alunecării critice:

unde: Rr - rezistența rotorică; Rs - rezistența statorică; Xσs - reactanța de dispersie statorică;Xσr - reactanța de dispersie rotorică.

Dezavantajul acestei metode, un reper principal privind eficiența energetică a metodei, constă în faptul că pierderile de energie sub formă de căldură în rotor sunt importante. Acestea sunt egale cu:

             PJR = sPs                                                       (5),

Se observă că, prin reducerea vitezei, tot mai multă putere absorbită din stator Ps se transformă în căldură.

În practică, reglajul continuu al rezistenței rotorice se face în mai multe feluri:

3.1. Utilizarea rezistențelor cu lichid, în care reglarea rezistenței se face fie prin modificarea pozi-ției electrozilor, fie prin modificarea volumului de lichid, fie prin modificarea rezistivității electrolitului.

3.2. Utilizarea chopperelor (variatoarelor statice de c.c.), cu schema electrică de principiu prezentă în figura 2.

3.3. Utilizarea variatoarelor statice de curent alternativ (schema în figura 3).

 Asociate și cu procedeele de frânare ale motoarelor asincrone cu rotorul bobinat, dar și cu funcția de reglare a turației acestora într-un domeniu limitat de turații, sunt și cascadele de curent continuu.

 În literatură sunt cunoscute două astfel de cas­cade, cascade prin care puterea la ieșirea circuitului rotoric sub formă de putere de c.c. este readusă la axul rotoric al acestuia și anume:

3.4. Utilizarea cascadei Kramer, care se bazează pe transformarea puterii rotorice redresate într-o putere mecanică, retransmisă arborelui rotoric al mașinii asincrone cu inele. Schema electrică de principiu este prezentată în figura 4.

3.5. Utilizarea cascadei Scherbius, care constă în restituirea puterii electrice rotorice redre­sate în rețeaua U1 prin intermediul convertoarelor statice de putere. Schema electrică de principiu este prezentată în figura 5. 

Trebuie menționat faptul că utilizarea cascadelor este indicată pentru puteri mari și foarte mari ale motoarelor acționate cu turație variabilă. Tot din punct de vedere al eficienței energetice, datorită faptului că fenomenul de conversie în c.c. din circuitul rotoric conduce la apariția simultană a regimului armonic deformant și a componentei reactive a puterilor vehicu­late, randamentul total al aplicațiilor este redus. Se recomandă, din acest punct de vedere, utilizarea metodei la puteri mari și foarte mari și în situația în care domeniul de reglare a turației este unul restrâns.

 4. Concluzii

Utilizarea motorului asincron cu rotorul bobinat implică aspecte care pun în balanță avantajele și dezavantajele din punct de vedere tehnic, dar și considerentele legate de ceea ce reprezintă astăzi priorități pentru cali­tatea energiei utilizate și randamentele globale în funcționare. Din punct de vedere tehnic, trebuie consemnate următoarele:

  • este motorul cel mai utilizat în cazul pornirilor grele în sarcină și în cazul puterilor mari și foarte mari;
  •  are un randament relativ ridicat mai ales în cazul funcționării clasice, la turație constantă și la valoare nominală;
  • este foarte robust, destul de fiabil și apreciat de cei ce lucrează în condiții foarte grele.

Problemele ridicate de motorul asincron cu rotorul bobinat sunt legate de aspectele tematicii dezvoltate de ICPE ACTEL privind eficiența energetică și calitatea energiei electrice, mai ales în aplicațiile în care sunt necesare pornirea, turația variabilă și frânarea acestuia.

În ultimul timp, specialiștii noștri își îndreaptă tot mai mult activitatea spre eficientizarea acestor probleme prin utilizarea unor convertoare statice performante, dar și a unor soluții noi, care să înlăture problemele prezentate mai sus.


Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL


Accept cookie

Acest site web utilizează module cookie în scopuri funcţionale, de confort şi statistică.

Dacă sunteţi de acord cu această utilizare a modulelor cookie, faceţi clic pe "Da, sunt de acord". Termeni si conditii

Nu sunt de acord Accept doar cookie functional Da, sunt de acord