Eficienţa energetică în sistemele electrice (lX)

Episodul VIII şi-a propus evidenţierea aspectelor teoretice şi practice în proiectarea şi realizarea sistemelor de acţionări electrice cu turaţie variabilă şi cuplu controlat pentru pompele de noroi echipate cu motoare de c.c. utilizate în instalaţiile de foraj terestru şi marin, toate prin prisma eficientizării energetice a proceselor tehnologice utilizate. În episodul de faţă vom aborda utilizarea motorului asincron acţionat cu convertoare c.a./c.a pentru aceleaşi procese.

1. Motorul de c.a. (asincron cu rotorul în scurtcircuit), o soluţie competitivă

Odată cu dezvoltarea electronicii de putere, motoarele de c.a. (în special cele asincrone cu rotorul în scurtcircuit) s-au introdus pe scară tot mai largă în sistemele de acţionări electrice, aceste motoare fiind simple, ieftine, şi mult mai robuste decât motoarele de c.c.

Motoarele de c.a. sunt utilizate în special pentru sistemele de acţionare cu game mari de reglare a vitezei şi pentru puteri mari şi în mod deosebit în medii cu condiţii grele de funcţionare ale utilajelor, în medii inflamabile, coroziune, etc.

Principalul dezavantaj al acestor maşini din punct de vedere al caracteristicii mecanice M = f(n) este acela că turaţia maşinii, la o frecvenţă şi tensiune fixă a reţelei de alimentare, variază funcţie de sarcină.

Aşa cum am prezentat în numerele anterioare ale revistei, prin comparaţie cu maşina de c.c., maşina asincronă are o caracteristică mecanică M=f(n) total dezavantajoasă în situaţia reglărilor de turaţie, respectiv de cuplu, prin mijloacele clasice până la apariţia dispozitivelor moderne de modelare şi rezolvare a modelului matematic al acesteia.

În figura 1 sunt prezentate în paralel cele două caracteristici mecanice naturale din care pot fi trase concluziile enumerate mai sus.

▲ FIGURA 1.

 a) maşina de c.c. cu excitaţie independentă

b) maşina asincronă cu rotorul în scurtcircuit

Alura celor două caracteristici este dată de ecuaţiile

M= f(n) după cum urmează:

Pentru maşina de c.c. cu excitaţie independent (1)

Pentru maşina asincronă cu rotorul în scurtcircuit (2)

Dacă o caracteristică de tip a) este relativ uşor de modelat matematic, o caracteristică de tip b) este mai dificil de pus în practică. Timpul şi progresele făcute în rezolvarea ecuaţiilor diferenţiale neliniare prin metodele matematice oferite de analiza numerică, precum şi dezvoltarea microprocesoarelor, respectiv microcontrolerelor performante împreună cu dezvoltarea calculatoarelor performante au condus la o nouă abordare a studiului maşinii asincrone cu rezultate deosebite în practica acţionărilor electrice cu turaţie variabilă.

Astăzi tandemul convertor c.a./c.a. - maşină asincronă se comportă ca aplicaţia convertor c.a./c.c. - maşină de c.c., ceea ce a determinat intrarea pe scară largă a maşinii asincrone în sfera acţionărilor de mare putere din zona forajului terestru şi marin.

 2. Soluţii practice pentru utilizarea motorului de c.a. în acţionările destinate forajului electric

Astăzi, mai mult ca oricând, problemele legate de eficienţa energetică la utilizator au impus utilizarea motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit şi în dotarea echipamentelor tehnologice de foraj: troliu, pompe de noroi şi masa rotativă (top-drive).

Asociat acestui motor se folosesc pe scara largă şi convertoarele c.a./c.a. pentru obţinerea parametrilor reglabili, turaţie, cuplu atât de necesari acestor utilaje.

În cele ce urmează vom încerca să introducem în sfera aplicaţiilor din foraj soluţiile impuse de ICPE ACTEL în ultimii ani.

2.1 Soluţia sursă c.a. - convertor c.a. - motor c.a.

În figura 2 este prezentată schematic şi chronologic prima soluţie utilizată în instalaţiile de foraj electrice şi diesel- electrice oferite diverşilor utilizatori în ţară şi la export.

▲ FIGURA 2

Avantajele acestei soluţii constau în:

• independenţa totală pe linia sursă-convertormotor, fiecărui motor alocându-i-se câte un convertor c.a./c.a.;

• redundanţă maximă pentru ansamblul unei instalaţii de foraj atât pentru convertoare cât şi pentru motoare;

• flexibilitate maximă la utilizarea echipamentelor tehnologice.

Dezavantajele soluţiei se referă în mod deosebit la costurile oarecum ridicate ca investiţie, dar şi în ceea ce priveşte acoperirea cu echipamente suplimentare pentru asigurarea condiţiilor optime privind calitatea energiei la sursa de alimentare.

2.2 Soluţia surse c.a. - convertor c.a./c.c. convertor c.c./c.a. –motor c.a.

În figura 3, dezavantajele soluţiei anterioare sunt puternic diminuate, iar avantajele soluţiei suficiente pentru a recomanda această soluţie pe scară largă în astfel de aplicaţii.

▼ FIGURA 3

 Avantajele acestei soluţii sunt determinate pentru a o impune pentru instalaţiile de foraj electrice şi dieselelectrice, referindu-se la:

• economii importante de spaţiu, pentru că de obicei componentele de tip j ≤ decât cele de tip k;

• economii importante de bani per ansamblul instalaţiei, prin diminuarea numărului de componente;

• economii importante datorate asigurării unui factor de putere, respectiv a unui THD atât pe tensiune cât şi pe curent, superior soluţiei 1.

În numerele următoare vom justifica aceste afirmaţii cu amănunte constructive, tehnice şi economice.

3. De ce forajul în curent alternativ?

Termenul de foraj în curent alternativ, atât de încetăţenit în limbajul forajiştilor, se referă de fapt la utilizarea motorului de curent alternativ, asincron cu rotorul în scurtcircuit şi mai nou şi al celui sincron în antrenarea cu turaţie variabilă şi cuplu controlat a utilajelor tehnologice din structura oricărei instalaţii de foraj: troliu, pompe de noroi, masa rotativă (top-drive).

Acestui „de ce?” specialiştii ICPE ACTEL îi răspund pe baza unei experienţe îndelungate şi pe baza unei validări a rezultatelor obţinute în colaborările cu diverşi beneficiari, pentru că motorul de c.a. prezintă următoarele avantaje, de altfel cunoscute, faţă de motorul de c.c.:

• simplu şi robust;

• nu are elemente electrice de contact în mişcare;

• parametrii specifici de tipul kg/W, inferiori motorului de c.c.;

• mai ieftin;

• uşor de utilizat în medii dificile (ex. coroziune);

• posibilităţi de răcire cu costuri mai mici;

• ansamblul convertor c.a./c.a. – motor c.a. se comportă din punct de vedere electromecanic ca ansamblul convertor c.a./c.c. – motor c.c.;

• financiar, tot mai mult soluţia în c.a. se apropie de cea în c.c din punct de vedere al costurilor de investiţie;

• în timp, costurile de mentenanţă la care se adaugă cele legate de randamente şi calitatea energiei conduc la un timp de amortizare mai mic decât al soluţiei în c.c..

Dacă în anii 2000 soluţiile se găseau într-un oarecare echilibru, astăzi soluţia în c.a. tinde să domine piaţa acţionărilor în diferite domenii de activitate, inclusiv în acela al forajului marin şi terestru.

4. Concluzii

Evaluarea avantajelor economice ale utilizării soluţiilor de acţionare electrică a instalaţiilor de foraj ce va urma în numerele următoare ale revistei ne conduce la ideea că viitorul apropiat al acestui domeniu va fi asigurat.

ICPE ACTEL răspunde astăzi tuturor provocărilor ridicate de necunoscutele tehnico-ştiinţifice pentru puteri foarte mari utilizate în acţionările importante atât din foraj dar şi din domenii conexe cum ar fi: metalurgia, industria cimentului, hârtiei, etc.

__________________________________________________________________________________________________________

Ion Potarniche, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 35 de ani de activitate aplicativă în cadrul ICPE

• Autor al: 9 invenţii brevetate, 23 lucrări publicate în reviste de specialitate, 59 lucrări practice elaborate, 79 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 4 cărţi publicate.

• Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordinator 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 Univesitatea Valahia