Eficienţa energetică în sistemele electrice (X)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică în sistemele electrice (X)

 Episodul IX a fost dedicat evidenţierii problemelor specifice utilizării motorului de c.a. (asincron cu rotorul în scurtcircuit) în antrenarea utilajelor tehnologice din componenţa instalaţiilor de foraj marin şi terestru alimentate din reţele electrice şi din centrale insulare diesel electrice. S-a urmărit cu această ocazie tandemul motor asincron - convertor c.a./c.a. prin comparaţie cu soluţia foarte des întâlnită, mai ales în anii trecuţi, motor de c.c.- convertor c.a./c.c.

1. Instalaţia de ridicat (troliul) acţionat cu motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit

Puterea pentru manevra sistemului de ridicare PM este direct proporţionlă cu viteza de ridicare v şi cu greutatea ce trebuie ridicată (garnitură sau coloană de tubaj, plus sarcina fixă formată din cârlig, macara, cablu).

(1) unde: Ƞt - este randamentul total al instalaţiei de ridicare.

Pentru a evidenţia elementele principale după care se dimensionează puterea troliului, v, respectiv lungimea garniturii, implicit adâncimea de foraj Li, relaţia de mai sus poate fi pusă într-o altă formă şi anume:

(2) unde:

q este greutatea specifică pe unitatea de metru liniar al prăjinilor;

G1 este greutatea cârligului, macaralei, cablului;

Li este lungimea garniturii de foraj.

Funcţie de valorile tipizate ale sarcinilor la cârlig (2Li), astăzi, instalaţiile de foraj folosesc o putere activă dedicată instalaţiei de manevră sau de ridicare cuprinsă între zeci de kW şi mii de kW, cea mai mare cunoscută fiind de 2550 kW, ceea ce se traduce în utilizarea unuia sau până la trei motoare electrice în paralel, cuplate mecanic pe acelaşi ax al troliului.

Utilizarea motorului asincron pentru instalaţia de ridicare prezintă condiţii deosebit de avantajoase în ceea ce priveşte:

  • alimentarea cu energie electrică;

  • exploatarea pe durata lui de viaţă;

  • costul pe ansamblul aplicaţiei.

Aspectele tehnice sunt legate de următoarele:

  • Momentul dezvoltat la pornire de motorul asincron permite o capacitate de supraîncărcare de 1,5…1,6 Mn (unde Mn este cuplul activ nominal);

  • Funcţionarea în regim intermitent şi la sarcină variabilă are loc la valori reduse ale randamentului mediu global şi ale factorului de putere mediu global;

  • Utilizarea lui în tandem cu aplicaţii convertoare c.a./c.a. nu prezintă dificultăţi;

  • Funcţionarea convertoarelor c.a./c.a. cu motorul de c.a. conduce la economii importante de energie pe care le vom evidenţia în continuare.

 

1.1. Reglajul turaţiei motorului asincron

Pornind de la relaţia (1), putem considera că elementele caracteristice importante pe care un sistem de antrenare a troliului trebuie să le aibă în vedere sunt viteza de ridicare a cârligului v şi cuplul necesar pentru antrenarea greutăţii G, randamentul total fiind la dispoziţia constructorilor pentru a-l creşte la valori cât mai mari.

Din relaţia caracteristicii mecanice în regim staţionar pentru motorul asincron:

(3), unde:

p - numărul de perechi de poli (în general, în instalaţiile actuale de foraj p = 3);

U1 – tensiunea de alimentare la 50 sau 60 Hz (valorile standard sunt de 600, 660 sau 690 V);

r'2 - rezistenţa raportată a înfăşurării rotorice;

s - alunecarea;

r1- rezistenţa înfăşurării statorice;

xσ - reactanţa de dispersie a înfăşurărilor maşinii asincrone corespunzătoare înfăşurărilor statorice şi rotorice.

Se poate vedea că pentru menţinerea cuplului constant pe un domeniu larg de modificare a turaţiei, metoda cea mai avantajoasă de reglare a turaţiei este modificarea tensiunii, implicit a frecvenţei, astfel încât raportul U/f să rămână cvasiconstant.

 

1.2 Funcţionarea motorului asincron în antrenarea troliului

Stabilitatea în funcţionare a maşinii asincrone este dependentă de caracteristica mecanică a maşinii, dar şi de caracteristica sistemului acţionat la funcţionarea în regim de motor, respectiv de caracteristica maşinii de antrenat, la funcţionarea în regim de generator (frână).

Pornind de la ecuaţia mişcării rotorului,

(4), unde

J – momentul de inerţie al rotorului şi al mecanismului antrenat;

Ω - viteza unghiulară a rotorului;

M – cuplul activ, dezvoltat de motor;

Mrcuplul rezistent la axul motorului, putem dezvolta:

, (5) unde n este turaţia motorului,

 (6).

Rezultă din relaţia (6) că variaţia turaţiei motorului asincron depinde de variaţia cuplului rezistent în timp, deoarece variaţia cuplului activ este la îndemâna operatorului de foraj care prin intermediul convertorului c.a./c.a. controlează valoarea raportului U/f. De aici rezultă analogia dintre funcţionarea maşinii de c.c. asociată cu un convertor c.a. /c.c. cu maşina asincronă asociată cu un convertor c.a./c.a.

 

1.3. Funcţionarea maşinii asincrone asociată convertoarelor c.a./c.a.

Cercetările specialiştilor noştri arată că asocierea maşinilor electrice convertoarelor statice de frecvenţă are implicaţii directe supra funcţionării acestora şi asupra performanţelor tehnico-economice ale motoarelor.

Concluziile se referă la:

  • Înfăşurările motoarelor asociate convertoarelor c.a./c.a. reprezintă locul unor pierderi suplimentare din cauza conţinutului de armonici superioare ale curbei curentului conţinut care se modifică aleatoriu cu regimul de funcţionare al convertorului.

  • La proiectarea motorului trebuie să se ţină cont de forma concretă a curentului întrucât în caz contrar pot apărea pierderi suplimentare şi încălziri necontrolate.

  • Calculele efectuate pe o maşină funcţionând cu un convertor c.a./c.a. au arătat pierderi suplimentare de circa 25…30% faţă de o maşină alimentată în sinusoidal.Independent de felul convertorului c.a./c.a. cu circuit intermediar de tensiune sau curent, în rotor se induc curenţi de frecvenţă ridicată de circa 6 ori frecvenţa curenţilor statorici. Deoarece pierderile suplimentare sunt proporţionale cu rezistenţa înfăşurării rotorice datorită creşterii frecvenţei armonicilor curentului şi implicit a efectului pelicular, nu este recomandată o construcţie specială a rotorului pentru mărirea r2 (motoare cu dublă colivie, cu bare înalte etc.).

  • În principiu se recomandă rotoare cu rezistenţa rotorică cât mai mică, ceea ce asigură un randament mai ridicat şi o gamă mai largă spre turaţii mici.

 

2. Diagramele de viteză ale sistemului de ridicare acţionat cu motoare asincrone

Graficele de viteză reale ale sistemului de acţionare electrică prezintă particularităţi în conformitate cu caracteristicile mecanice ale motorului de acţionare şi ale sistemului acţionat.

Calculul graficului de viteză în general se face pe baza studiului regimului tranzitoriu electromagnetic al sistemului şi pe baza regimurilor tranzitorii electromagnetice.

2.1 Diagrama de viteză în cazul ridicării sarcinilor constante la cuplu activ constant

 

Din ecuaţia (4) rezultă:

(7)

Dacă la t = 0 viteza iniţială Ω l = Ωi, , atunci:

(8)

La pornire, când Ωi=0, rezulta ca: 

, (9),

iar durata pornirii este:

(10)

Particularizând Ω1=0,Ω 2 = Ω s , fiind viteza în regim stabilizat la sarcina Mr) şi M = Mp rezultă :

(11),

de unde se poate concluziona: tp este cu atât mai mic cu cât J şi Mr sunt mai mici şi Mp mai mare.

La frânare, variaţia în timp a vitezei va fi determinată tot cu ajutorul relaţiei (8), respectiv (10), în care M = - Mf, Ω1=0,Ω 2 = 0

Deci (12),

iar

(13)

Rezultă că durata frânării este direct proporţională cu valoarea momentului axial de inerţie şi invers proporţională cu momentul de frânare şi momentul rezistent static.

Diagrama de mers este prezentată în fig. 1 unde tr este durata funcţionării în regim de viteză stabilizat.

Fig. 1 – Diagrama de mers (tr este durata funcționării în regim stabilizat de viteză)

 

3. Concluzii

Vom evidenţia şi în numerele următoare diagramele de viteză la ridicarea unei sarcini tocmai pentru a sublinia aspectele legate de eficientizarea energetică a proceselor, aspecte pe care ICPE ACTEL le are în vedere în proiectarea şi realizarea echipamentelor de acţionare a troliului de foraj.

Vom aborda toate tipurile de antrenări în sarcină a troliului pentru că problemele sunt diferite de la caz la caz, iar valorile cantitative ale economiilor obţinute sunt condiţionate de abordările teoretice şi practice ale sistemelor de acţionare utilizate. (va urma)


Ion Potârniche, Dr. ing., Director General - ICPE ACTEL


 


Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord