fonte de alimentação para asynchronous motors

Fonte de alimentação para: MOTORES ASSÍNCRONOS

Documento de 07 2010

www.socomec.comAutor: Franck Weinbissinger

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2 Fonte de alimentação para motores assíncronos www.socomec.com

INFORMAÇÕES GERAIS

Motores assíncronos trifásicos são máquinas elétricas muito robustas e de baixa manutenção amplamente utilizados em indústria. A sua aplicação é muito variada, como no ventilador, bombas, máquinas modular complexo, máquinas rodando a muito baixa velocidade e torque de precisão, máquinas dinâmicas sofisticadas ou máquinas eléctricas muito elevadas.

Devido aos progressos da electrónica de energia e os custos caindo de motores assíncronos, muitas áreas de aplicação onde eram usados motores de corrente contínua, agora são gerenciados usando um assíncrono do motor ligado a um regulador de velocidade.

Os motores assíncronos podem precisar de uma proteção UPS por causa do processo que conduz: a interrupção repentina de energia e pode danificar a maquinaria e comprometer a qualidade dos produtos.

Motores assíncronos são normalmente alimentados no estator e a corrente é induzida no rotor. É por isso que eles também são conhecidos como motores de indução ou máquinas de indução.

Uma máquina assíncrona é geralmente usada como um motor, mas, por vezes, como um gerador. Como a máquina assíncrona não sofre os problemas com acoplamento, controle de velocidade e de tensão que máquinas síncronas fazer, o gerador assíncrono é usado para produzir eletricidade em instalações pequenas, sem a necessidade de vigilância humana. Ele também é usado em sistemas de freio, através da absorção de energia quando a máquina é ligada a uma rede de frequência constante (por exemplo, absorvendo a energia de uma carga abrandar).

Frenagem recuperando em velocidades variadas de freio requer uma fonte de alimentação de frequência variável para a máquina, em outras palavras, o uso de reguladores. Na mesma linha, devido a eletrônica de potência, os motores de indução são sendo cada vez mais utilizado em aplicações como um gerador. Um bom exemplo disso são as turbinas eólicas.

Objetivo deste artigo é dar uma visão geral não exaustiva dos problemas que ocorrem durante o dimensionamento de UPS para motores de indução de alimentação, com ou sem variadores de velocidade. Tal papel não pode ser utilizado para a concepção da planta ou escolheu o sistema UPS.

Motors não ligada a um regulador

Uma máquina assíncrona é frequentemente usada hoje como um motor com uma escala de potência que varia de alguns Watts para várias centenas kW. Para aplicações de potência superior a vários kW, motores assíncronos executado exclusivamente em trifásicos fontes de alimentação AC.

Devido à sensibilidade de um processo ou a natureza crítica de certas aplicações, a rede pode ser suportada com uma fonte de alimentação ininterrupta.

Durante o processo de arranque das correntes de energização pode atingir valores eficazes entre 4 e 7 a corrente nominal requeridos, enquanto o torque aumenta até 1,5-2,4 vezes o torque nominal. Os tempos de partida dependeram da inércia da massa em movimento, a velocidade de rotação final e o torque de aceleração do motor.



Valores de corrente de pico são ainda maiores e podem chegar a 10 vezes o valor nominal rms. Altas correntes de ativação, em conjunto com a impedância da linha podem causar uma queda voltagem na linha de distribuição especialmente para as cargas próximas ao motor.

Há muitas formas de limitar as correntes de partida, as mais comuns são:

Y / Δ de partida;

Autotransformador;

Soft starter.

Para algumas aplicações muito especiais do reóstato do rotor é também uma solução.

A escolha depende da razão entre a aplicação e custos.

Onde Vs é a tensão aplicada aos terminais do motor durante a partida, Vn, em e Tn são, respectivamente, a v tensão nominal, corrente e torque.

Os processos de partida provocam um estresse térmico para arranques, portanto, partidas do motor elétrico prolongadas ou frequentes poderia causar seu dano. A redução da corrente de arranque poderia reduzir o binário demasiado, arriscando-se a aumentar a o tempo de partida.

Com relação ao fator de potência, que é de 0,1 em condições de carga e de 0.5 a 0.9 ou mais (muitas vezes de 0,75 a 0,85), na sua função nominal. O valor varia consideravelmente devido às características do motor (número de postes e energia).

O desempenho UPS em estado estacionário, enquanto fornece um motor de indução, está perto de padrão, como a correntes são senoidais e equilibradas. É importante estar ciente das correntes de energização e fator de potência antes de dimensionar a UPS.

Tabela 1 - A partir de correntes e torques, dependendo dos métodos de partida

Starting Line Current Starting Torque

Direct On Line (D.O.L.) 4-7 In 1.5-2.4 Tn

Y/∆ 1.6-2.8 In 0.5-0.8 Tn

Autotransformer 4-7 (Vs/Vn) In

1.5-2.4 (Vs/Vn)2 Tn

Soft starter 4-7 (Vs/Vn) In

1.5-2.4 (Vs/Vn)2 Tn

Speed Drive 1-1.5 In 1-1.5 Tn



DIMENSIONAMENTO UPS para o fornecimento de MOTORES ELÉTRICOS DE INDUÇÃO

Um certo número de especificações do motor são úteis para o tamanho da UPS corretamente.

a) Caso de:

10 motores de indução:

máximo dois deles começando simultaneamente (mesmo sem rede elétrica) os valores dos motores votados:

P n 45 kW

Vn / fn 400V Δ / 50 Hz

PF 0,87

Eficiência (η) 93,4%

É de 6,5 In

Ts 2,8 Tn

DOL (Direct Line On) de partida

A UPS, que deve fornecer os motores só no estado de equilíbrio deve ser dimensionado para

Agora, considerando a partida

Levando-se em conta o transitório de partida, podemos considerar a capacidade de sobrecarga do no-break (tipicamente 1,5 Sn por 1 minuto a Vn). O tamanho UPS recebe:

A reduzida PF durante partida pode ser negligenciada devido à sua curta duração.

Uma verificação adicional tem de ser feito com o valor corrente de pico, se compatível com a corrente de pico que o UPS pode fornecer. Por causa de fenômenos transitórios a irrupção valor máximo atual é de aproximadamente 1,7 em vez dos habituais 1,41 In típico de formas de onda senoidal.



O valor 3, que a divide na fórmula anterior é a fase-fase da corrente de curto-circuito pu que as UPS pode fornecer. É diferente a partir da fase-neutro, 3,5, e é utilizado porque os motores são fornecidos sem neutro.

Em caso de não haver necessidade de iniciar-se durante a alimentação falha, a corrente de partida pode ser negligenciada para o escolha da UPS, considerando-se apenas os classificados. Pela forma como as correntes de partida deve ser considerada para o dimensionamento de bypass.

b) Os mesmos motores de caso a) com Y / Δ partida.

Neste caso, o tamanho mínimo parece UPS 600 kVA. Tal valor é compatível com caso a) quando o potência aparente em estado estacionário solicitado à UPS foi de 600 kVA.

O cliente ou o seu técnico de referência tem de verificar se o torque de partida Y / Δ de 0,95 Tn é o suficiente para começar a carga de tempo compatível para o motor de indução.

Deveres

IEC 60034 define 10 "maneiras de usar" diferentes motores de indução em termos de potência e tempo p ower pode ser fornecido. Eles são chamados de serviços. Abaixo é possível encontrar os três serviços mais utilizados na indústria.

Seu impacto sobre a UPS está ligada à corrente é solicitado a fornecer. S1 significa potência nominal para tempo indefinido. Os outros tipicamente consistem em maior potência requerida por um período limitado de tempo. O conhecimento do serviço do motor para proteger é obrigatório para verificar o estresse térmico do UPS.

Os motores podem ser utilizados em diferentes tipos de funções. Abaixo os mais comuns:

1 é 0,4 = 0,4 * 6.5In = 2.6 como mostrado na Tabela 1.



Figura 1 -S1: dever de funcionamento contínuo (N: Operação a carga constante; θ: temperatura)

Figura 2 - S2: dever de curta duração (N: Operação em constante carga; θ: Temperatura)



Figura 3 - S6: A operação contínua tipo periódica (N: Operação a carga constante; V: Operação em

nenhuma carga; θ: temperatura; Fator de duração do ciclo =

Motores fornecido pelo regulador s

Por motivos económicos e de robustez, motores de indução estão sendo usados mais e mais frequentemente em associação com os reguladores eletrônicos.

Soft starter

É composto por dois tiristores montados cabeça à cauda (ou um triac). Ao atrasar a entrada do tiristor em cada alternância, pode-se reduzir a voltagem rms aplicada ao estator do motor.

Devido à sua fraca faixa de variação de velocidade em um motor gaiola padrão, o soft starter é mais comumente usado para



start-up em máquinas com uma parabólica binário C = f resistente (v) = α. v²

Exemplos: ventiladores, bombas.

Nestes dois exemplos, o controlo de velocidade pode ser em uma gama muito limitada de velocidade. Tal velocidade variável capacidade é normalmente limitada a sm todas as unidades.

A desvantagem consiste em aumentar as perdas de calor tanto no rotor e estator. Isto pode levar a um excesso do tamanho do motor.

Por fim, o soft starter é um gerador de harmônicos de energia.

Sua aplicação básica é em bombas de condução com potência nominal do motor de 3 a 630kW. A limitação de a corrente de arranque pode, geralmente, ser regulada entre 2 e 5 vezes a corrente nominal.

Harmônicos gerados pelo soft starter

Quando a forma de tensão sinusoidal não é, por conseguinte, em condições de tensão partialised, há sempre o presença de harmônicos. A absorção do motor juntamente com a limitação de condução operado pelo macio causa presença inicial de 3, 5, 7; 9, 11 e mais harmônicos com conseqüente impacto sobre o tamanho da UPS.

Fator de Potência

Tensão e corrente formas estão longe de ser sinusoidal, porque eles são cortados para reduzir o elevado influxo correntes incompatíveis com a planta a montante. O fator de potência também está relacionada com a forma do mesmo Ativo Energia fornecida por formas de onda não senoidais têm menor do que PF fornecido com ondas senoidais.

É possível ver nas imagens abaixo, que as formas atuais podem estar mais perto ou distantes da forma sinusoidal, dependendo do valor de tensão eficaz necessária.

Exemplos de formatos de onda:



Figura 5 - comportamentos soft starter em carga resistiva (topo) e resistiva-indutiva (parte inferior)

Figura 6 - DOL partida sem carga (em cima) Soft Starter começando e seu zoom (fundo) As curvas acima mostram que, com um soft starter



A corrente de pico pela fonte de alimentação é duas vezes menor do que o DOL start-up

A corrente de arranque tem fortes componentes harmônicas 5, 7, 11 e 13.

Os 3 múltiplos harmônicas e não estão presentes no exemplo acima por causa da ligação estrela.

Com o objetivo de garantir a qualidade do fornecimento de energia (THDU <5%) para as cargas em paralelo com o soft starter, em geral, a UPS deve ser reduzida em 20%. Assim, a UPS de 100 kVA será adequado para fornecer uma carga consistindo de partida suave, até um máximo de 80 kVA. O soft starter não causa qualquer risco de poder re-injecção nas UPS ou alimentação.

Correntes de energização

A Soft Starter reduz a corrente de partida de uma relação (VS / Vn). Isso significa que o start-up poderia exigir correntes do no-break ainda maior que sua capacidade de sobrecarga e eles devem estar a pensar na fase de dimensionamento.

Acionamentos de velocidade

Bem como um UPS, a unidade de velocidade é feita por um AC / DC e um módulo de DC / AC.

Os dispositivos disponíveis no mercado são diferentes, ou seja:

Fique sozinho ou integrável em PDUs;

Uma AC / DC centralizado para muitos módulos DC / AC (um por motor).

A segunda solução é normalmente aplicada para aplicações de alta potência, como laminadores.

Os três topologias mais comuns são as seguintes, respectivamente:

2 quadrantes (a energia só pode fluir da rede elétrica para o motor);

com a quebra de resistência (a energia possa fluir de e para motores, mas, nesse caso, é dissipada ao longo de um resistor no ônibus DC);

4 quadrantes (energia possa fluir de e para motores, mas, nesse caso, reinjetado nos mains), também chamado Front End Ativa (Figura 7).



Figura 7 - Velocidade Variável Drive (ambos resistor quebra e Ativo Front End incluído como exemplo)

Impacto no fornecimento

Regulador 1 (6 pulsos retificador como estágio de entrada)

O retificador com base no 6 pulsos tecnologia SCR ponte, faz o seguinte na rede de energia:

Geração de correntes harmônicas;

Entrada de Fator de Potência 0,8 a 0,9, o 0,7 para 0,8 no caso de retificador monofásico;

A presença de entalhes de comutação.

Exemplos:

Fonte de alimentação trifásica - 6 pulsos correntes de entrada SCR retificador:

Fonte de alimentação monofásica - correntes de entrada do retificador SCR:

Regulador 2 (retificador IGBT como estágio de entrada)

Este é um exemplo de um regulador sinusoidal e unitária Fator de Potência de entrada. Introduz-se apenas de alta frequência



e harmónicas de baixa amplitude na rede. Na prática, a entrada resultante harmônica total de corrente Distorção (THDI) estabilizar em torno de 5%.

Por outro lado, a unidade de velocidade norma IEC 61800-3-12 permite um valor máximo de entrada até THDI 48%. Para reduzir o harmónicas uma possível estratégia pode ser para limpar a distribuição por meio de um passiva, um T (LCL) de filtro pode ser utilizado para eliminar as harmónicas de frequências próximas ao valor kHz, ou filtros activos.

A ponte de entrada utiliza uma largura de pulso Modulation (PWM). Essa modulação PWM gera alta frequência perturbações na rede e geralmente requer o uso de um filtro de EMC Este filtro não faz normalmente influenciar as UPS montante.

Se a alimentação é fornecida por uma UPS, pode ser necessário inserir uma indutância entre a UPS ea acionamento de velocidade.

A capacidade de ser reversível pode ser utilizado e a quebra de energia a partir do motor pode, por conseguinte, ser reinjetado nos mains. Isso deve ser levado em conta para a escolha UPS.

Dimensionamento de UPS fornecimento de uma unidade de velocidade

Temos que levar em conta a presença de todos os harmônicos, o que pode exigir métodos de avaliação. Ele está sujeito crítico que poderia afetar o desempenho da UPS é a presença significativa de correntes harmônicas que gera a distorção de tensão na saída da UPS.

Devido à capacidade de sobrecarga accionamento de velocidade comum que temos de ter em conta eventuais correntes de start-up, que são tipicamente máximo 1,5 vezes a corrente nominal.

No mercado existem são transformados base e transformador menos UPSs com diferentes performances.

Com o objetivo de garantir a qualidade do fornecimento de energia (THDU <5%), em geral, as UPS transformador deve ser desclassificada de 40% neste tipo de aplicação passo que o transformador menos UPS pode funcionar em plena carga. Assim, a UPS de 100 kVA é capaz de fornecer uma carga que consiste na unidade de velocidade fornecimento de motores assíncronos de até um máximo de 60KVA. Em caso de valor superior THDU aceitou o fator de redução pode ser reduzida.

Algo também muito limitante é a possibilidade de ser reinjectado na energia da rede eléctrica através de UPS, uma vez que não é geralmente concebido para gerir esta situação.

No caso de serviços, temos de levar em conta os efeitos do estresse térmico que poderia ter sobre vários Componentes ups.

Harmônicos

Quase todos os reguladores de produzir altas taxas de harmônicos de tensão de entrada. Estas correntes harmônicas gerar um distorção na voltagem de saída da UPS.



A regulação da tensão de saída da UPS tem que compensar os efeitos desses harmônicos, e tem de manter a estabilidade do sistema (carga UPS + Drive + Motor +). A presença de harmónicos, bem como o ponto de partida correntes, precisa de uma desclassificação UPS. Objetivo deste desclassificação é para garantir um funcionamento estável e um máximo valor de 5% da distorção da tensão de saída. O fator de redução comum para aplicações industriais é em torno de 40%.

A distorção de tensão gera fortes correntes no filtro de capacitores de saída UPS. Finalidade da desclassificação é também para proteger esses componentes

A aplicação das soluções de filtragem de harmônicas na entrada da unidade de velocidade permite reduzir significativamente a desclassificação de theUPS.

Sobrecargas motor e regulador de curto circuitos

Acionamentos de velocidade de hoje protege o motor contra sobrecargas. Eles geralmente limitar as correntes de cerca de 1,5 vezes a corrente nominal, durante um minuto a cada dez ou cinco. Como resultado, é o suficiente para que a UPS transporta sobrecarrega cerca de 150%. A duração exacta depende da aplicação. Tendo em conta que as unidades de velocidade não fazer geralmente permitem sobrecargas superiores a 150% / 1 minuto a 25 ° C e 30 segundos a 30 ° C a UPS pode trabalhar em plena carga. Sobrecarga superior exigem fatores de redução da UPS.

Em caso de acionamento de velocidade curto-circuito, a UPS limita a corrente. Precisamos, portanto, de verificar a seletividade entre a protecção da unidade de velocidade e da corrente de curto-circuito UPS.

Correntes de energização durante a inicialização

Acionamentos de velocidade evitar correntes de energização. Nas outras necessidades de mão de arranques rápidos poderia exigir temporária sobrecarregar até 1,5 vezes a corrente nominal.

A fórmula abaixo não leva em conta qualquer redução de capacidade relacionada com a sobrecarga de 150%, mas o permitido sobrecarga permanente de 1,1 Cn. Em caso de correntes não senoidais a distorção harmônica total deve ser considerado:

Pmot: Potência nominal do motor

U: Tensão de alimentação entre as fases

do motor η: a eficiência do motor

unidade η: a eficiência da unidade de velocidade



A tabela abaixo mostra os cálculos e as UPS necessária para abastecer apenas um motor do mesmo tipo de o primeiro exemplo deste trabalho.

Supondo η unidade = 90% e a sobrecarga temporária de a unidade de velocidade é compatível com as UPS. É interessante notar que: um no-break escolhido apenas para o nomina l do motor de corrente teria sido 56 kVA 2; a experiência diária de sugerir para escolheu o UPS 67% maior do que a potência nominal do motor para manter o THDU menos do que 5%, por conseguinte, 93 kVA.

Movimentação da velocidade de entrada do Fator de Potência

O fator de potência pode variar muito, dependendo do modelo regulador. Aconselha-se a fornecer a exata modelo regulador para evitar qualquer desclassificação inútil.

Reinjeção de energia

Algumas unidades de velocidade tem a capacidade de voltar a injectar a energia de volta à rede eléctrica. Uma atenção especial deve ser dada a este assunto, porque não UPSs são geralmente projetados para gerenciá-lo.

A capacidade da UPS em absorver a energia para trás depende do nível de carga das baterias conectado diretamente ao barramento DC. A desvantagem é que as baterias estão estressado demais em caso de muito acontecimentos freqüentes. Esta não é uma solução, o que alivia a situação, mas não resolve o problema e deve ser usado raramente e com sabedoria.

Ciclos e de partida

A existência de ciclos de carga é ainda mais verdadeiro para o motor alimentado por uma unidade de velocidade. Dependendo da amplitude, duração e frequência de ciclo, certa idade componentes UPS prematuramente (por exemplo, bateria, IGBT ...).

No caso do ciclismo, as baterias são geralmente utilizados pela UPS para tentar compensar a queda de tensão do Bus DC. Não levando em conta durante o dimensionamento das UPS pode causar alta progressiva e no a longo prazo, o envelhecimento prematuro das baterias.

Um bom modo para evitar esses inconvenientes é a utilização de um dispositivo que mantém a tensão contínua e rápido reagindo a solicitações energéticas. Estas são características típicas de armazenamento de energia com base volante de alta velocidade sistemas.

A melhor maneira de ter muito tempo, mas e estabilidade de tensão do barramento CC é ter ambos, bateria e volante em paralelo. Fenômenos semelhantes são observados durante o arranque, mas esse procedimento é muito menos frequente. Portanto, até 10 ciclos de arranque igualmente distribuídos durante o dia pode ser aceite.


Funcionalidade modo de bateria

No caso dos processos acima mencionados sem rede presente montante para as UPS, o estresse sobre a bateria é agravada, pois não há retificador apoiar a bateria, fornecendo o inversor UPS.

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