Convertorul masinii de inductie

Convertorul masinii de inductie

Redresor Inversor Masina cu inductie

Figura 8: Convertorul masinii de inductie

Abilitatea unui motor CA de a converti energie electrica in energie mecanica se bazeaza pe inductia electromagnetica. Tensiunea din infasurarile statorului formeaza curentul si cu acest curent este asociat un flux magnetic. Directia acestui flux poae fi determinata folosind regula burghiului: daca burghiului se roteste in directia curentului statorului, directia fluxului este data de directia burghiului.

Prin schimbarea directiei tensiunii in infasurile statorului, directia curentului si cea a fluxului poate fi schimbata. Deoarece un motor trifazat consta din faze de infasurari pozitionate la 120s in raport unele cu celelalte (vezi figura 8), fluxul total este suma vectoriala o fluxurilor individuale in orice monent.

Schimband directia tensiunii in infasurarile motorului trifazat in ordinea corecta, fluxul magnetic al motorului incepe sa se roteasca. Daca presupunem ca masina electrica conectata la convertor este o masina cu inductie, un curent va trece prin infasurarile rotorului, care va produce de asemenea un flux rotitor. Un cuplu este produs intre stator si rotor si rotorul va incepe sa se roteasca in directia rotirii fluxului stator si va urma acest flux cu o anumita decalare.

Viteza rotorului poate fi controlata prin schimbarea vitezei fluxului stator. Acest lucru se poate realiza folosind un convertor de frecventa. Asa cum sugereaza si numele, un convertor de frcventa schimba frecventa curentului alternativ si voltajul. Un convertor de frcventa consta din trei parti. Curentul normal trifazat, de 50 Hz, este conectat la redresor, care il transforma in curent continuu. Tensiunea CC este conectata la busul de CC al circuitului, care filtraza pulsurile de tensiune. Apoi inversorul conecteza fiecare faza a motorului fie la pareta negativa fie la cea pozitiva a busului de CC potrivit unei anumite ordine.

Pentru a primi directia fluxului prezentata in diagrama, intrerupatoarele V1, V4 si V5 trebuie inchise. Pentru a face fluxul sa se roteasca in sens invers acelor de ceasornic, intrerupatorul V6 trebuie inchis, dar V5 trebuie deschis. Daca intrerupatorul V5 nu este deschis, circuitul se va scurt-circuita. Fluxul se va rotui apoi 60 de grade in sens invers acelor de ceasornic.

Figura 9: Rotirea vectorul fluxului magnetic prin schimbarea fazelor

Sunt opt pozitii diferite de comutare in inversor. In doua pozitii, cand toate fazele sunt conectate la acelasi bus CC, fie negativ, fie pozitiv, tensiunile peste fazele statorului sunt zero. Deci in cele 6 pozitii ramase, exista voltaj in infasurarile motorului, si aceasta tensiune creaza curenti si flux magnetic.

Diagrama arata cele sase pozitii de comutare si directiile fluxului pe acre la creaza tensiunile din infasurari in fiecare caz. Tensiunea genereaza curent in infasurari, directiile lor fiind marcate cu sageti in fiecare faza.

In practica, controlul nu este asa simplu cum s-a prezentat aici. Fluxul magnetic genereaza curenti in rotor. Acesti curenti din rotor complica situatia. Conditiile externe, cum ar fi temperatura sau schimbarile de incarcare, pot de asemenea sa determine niste dificultati de control. Cu toate acestea, cu tehnologia de astazi si cunostintele, se poate face fata efectiv interferentelor.

1 Controlul vectorial

Doar controland viteza unghiulara a fluxului stator a unei masini cu inductie, asa cum a fost descris in sectiunea precedenta, nu conduce la un bun comportament dinamic al sistemului electric. O controlabilitate si un raspuns dinamic mult mai bun pot fi obtinute printr-o metoda numita control vectorial, care a fost dezvoltata pentru antrenare mecanica, dar poate fi utilizata si in turbinele eoliene. Vom considera o turbina Kenetech 33M-VS ca exemplu.

Retea utila

Figura 10: Configuratia sistemului electric pentru Kenetech 33M-VS

Turbina Kenetech 33M-VS este o turbina cu viteza variabila ce consista din doua generatoare cu inductie, doua legaturi CC cu redresor si inversor IGBT, si partile software si hardware pentru controlul sistemului, vezi figura 10.

Scopul controlului vectorului este de a realiza o valoare ceruta pentru cuplul electromagnetic si a campului in masina cu inductie prin generarea unui vector spatial al curentului stator , cu o amplitudine data si un unghi dat tinind seama de vectorul spatial al fluxului rotor. Controland unghiul si amplitudinea curentului stator in cele trei faze ale statorului, componentele vectorului spatial al curentului stator in directia fluxului rotor si perpendicular pe fluxul rotor pot fi imprimate.

Cuplul electromagnetic este proportional cu produsul dintre amplitudinea fluxului rotor, amplitudinea curentului stator si unghiul dintre vectorul fluxului stator si vectorul fluxului rotor δ₁:

  (8)

Indexul SqR indica componenta perpendiculara a curentului stator pe i­_mR, vezi figura 11, intr-un cadru de coordonate fixat de fluxul rotor. Insusi fluxul rotor, de exemplu magnetizarea masinii, poate fi influentat de componenta curentului stator in directia vectorului fluxului, mentionat ca i­_SdR.

Decuplarea controlului cuplului si fluxului dau o simplitate a controlului similara cu cea a undei masini CC. Principala diferenta este aceea ca pentru o masina CC, vectorul pentru curent si flux sunt fixate in spatiu (nu exista rotire), in timp ce in cazul masinii cu inductie ambii vectori se rotesc cu viteza unghiulara a vectorului curentului stator, si viteza unghiulara este variabila.

Figura 11: Poziti ale vectorilor curentilor fata de faza statorului a

2 Controlul curentului in rotor si a cuplului electromagnetic

In regim stationar, vectorul pentru flux si curent se roteste fata de stator cu o frecventa unghiulala constanta. Vectorul curentului stator este, cum am discutat anterior, suma vectoriala a vecorilor de curent individuali a celor trei faza faze ale statorului. Vectorii fazelor individuale sunt ficsi in spatiu dar isi schimba periodic amplitudinea. Cand viteza unghiulara a rotorului este diferita de de viteza unghiulara a vectorului curentului stator, curentii sunt indusi in rotor cu diferenta de frecventa, denumita frecventa de devansare.

Daca curentii de faza statori i­_a,i_b, and i_c sunt cunoscuti, vectorul spatial al curentului stator este egal cu:

(9)

  (10)

Faza a este pozitia de referinta. Componentele directe si in cuadratura ale vectorului de curent cu privire la vectorul curentului rotor sunt:

  (11)

  (12)

Aceste componente de curent sunt determinate de:

(13)

cu T_R=L_R/R_R timpul rotorului constant si

(14)

cu ω_mech viteza unghiulara masurata a rotorului si i_SqR/T_Ri_mR o masura pentru devansarea de frecventa.