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

În numărul anterior am trecut în revistă indicatorii de calitate a reglării sistemelor automate indus­triale, legătura dintre aceşti indicatori şi eficienţa energetică a proceselor tehnologice deservite, tipurile de reglare automată, toate prin prisma produselor pe care ICPE ACTEL le dezvoltă. În final s-a concluzionat că orice acţiune de eficientizare a unui proces tehnologic în care este implicat un sistem de reglare automată este strâns legată de principiile şi acţiunile reglării automate în sistemele de acţionare electrică, sisteme ce fac parte din obiectul de activitate al societăţii ICPE ACTEL.

 1. Introducere

În cele ce urmează vom detalia motivele care au stat la baza cercetărilor ICPE ACTEL, de introdu­cere a motorului asincron în componența instalațiilor de foraj românești. În general, motoarele de c.a. și în special motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit s-au impus tot mai mult ca soluții de acționare în multe domenii.

Elementele care au impus motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit în aproape toate domeniile industriale și în mod deosebit în activitățile de foraj sunt:

• lipsa practică a activităților de întreținere;
• insensibilitatea la condițiile grele de praf și umiditate;
• rezistența mare la șocuri mecanice și termice;
• nu necesită un montaj special pentru funcțio-narea în regim cu flux diminuat;
• nu necesită aparataj de comutație pentru reversarea sensului de rotație;
• sunt soluții fără dificultate pentru turații ridi­cate;
• tehnologie de execuție relativ simplă;
• gabarite și mase specifice mai mici în com­parație cu motoarele de c.c.

În literatura de specialitate (revistele Drilling, Revue Brown Boveri etc), în decursul anilor s-a oglindit permanent dezvoltarea ascendentă a acționărilor cu motoare de c.a. cu aplicații în diferite domenii și în mod deosebit în industria petrolieră.

Încă din anul 1984, în cadrul ICPE au existat cercetări și rezultate privind introducerea conver­torului static de frecvență cu circuit intermediar de curent imprimat pentru acționarea unui motor asin­cron de 110 kW folosit în cadrul instalației de foraj geologic FG -20EB, o lucrare pionierat în România.

2. Acţionarea motoarelor electrice din componenţa instalaţiilor de foraj - elemente comparative

Din punct de vedere cronologic, până în anii ‘84, utilizarea în componența instalațiilor de foraj a motorului de c.c. era de neclintit. Schema electrică de principiu de acționare a acestuia este prezentată în figura 1.

Tensiunea electrică la bornele motorului de c.c., M=, are o valoare  variabilă funcție de unghiul de aprindere al tiris­toarelor convertorului c.a./c.c., Uindus.

unde:

- Ud0 este tensiunea maximă ideală a unui con­vertor c.a./c.c. cu diode;

- a este unghiul de aprindere al tiristoarelor ce formează convertorul Uindus.

Obs.: acest lucru este valabil pentru un conver­tor c.a./c.c. cu o punte complet comandată cu 6 pulsuri.

 Înfășurarea de excitație alimentată cu o tensi­une variabilă oferită de convertorul c.a./c.c., Uexcitație, are rolul de a controla cuplul mașinii M = și în unele aplicații, prin slăbirea fluxului inductor, de a regla turația în anumite domenii. Și astăzi, foarte multe din instalațiile de foraj românești folosesc această schemă electrică de acționare pentru motive care nu fac obiectul acestui articol.

În ultimii ani, avantajele motorului de c.a. enu­merate mai sus au impus noi soluții în utilizarea lui, inclusiv în domeniul forajului marin și terestru.

2.1. Soluţia convertor c.a./c.a. cu invertor de curent

Așa cum am precizat, încă din anii ‘84, ICPE, compartimentul LEAAMP (actualul ICPE ACTEL), a dezvoltat o soluție de acționare cu motor asincron cu rotorul în scurtcircuit, care avea să fie baza dezvoltărilor ulterioare, bazată pe o schemă elec­trică de comandă și reglare ce putea fi aplicată la orice putere de motor, integrată 100% cu compo­nente românești. Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2.

Comparativ cu soluțiile cunoscute la acea vreme, s-au obținut următoarele:

• reducerea frecvenței minime (turației minime a motorului asincron M3_~ la 2,5...3 Hz (50...60 rot/min);

 FIGURA 2. Schema electrică de principiu a unui convertor static de frecvenţă cu circuit de c.c. de tip „curent”

• verificarea funcționării motorului până la 75 Hz (slăbire de flux);
• în zona de funcționare cu slăbire de flux (50...75 Hz) motorul lucrează cu un cuplu activ diminuat după legea de menținere constantă a tensiunii pe stator. Acest lucru se datorează faptului că la creșterea frecvenței, valoarea impedanțelor motorului crește și în cazul invertoarelor de curent pentru menți-nerea tensiunii statorului constantă valoarea curentului statoric (cuplului) scade. Este o primă diferență față de utilizarea motorului de c.c.;
• din punct de vedere al complexității schemelor electrice de forță, se observă elemente în plus în figura 2 față de figura 1, de aici rezultând practic și o diferență de preț între cele două soluții.

Formulele de calcul pentru principalii parametri ai acționării sunt după cum urmează:

 unde:

-I1N  -fundamentala curentului absorbit de motorul M3~;

-PN  -puterea nominală a motorului;

-UN  -tensiunea nominală de linie statorică;

-cos ϕN  -factorul de putere nominal al motorului;

-ηN  -randamentul nominal al motorului.

Curentul imprimat în circuitul de curent con­tinuu, care alimentează invertorul IdN este:

Valoarea eficace a curentului la ieșirea inver­torului IN este:

Soluția de acționare cu motor asincron și cu invertor de curent are foarte multe avantaje în domeniul puterilor mari și câteva dezavantaje care țin de prețul produselor, motiv pentru care în preocupările noastre a existat și a doua soluție.

2.2. Soluţia convertor c.a./c.a. cu invertor de tensiune

Realizările obținute în tehnica semiconductoarelor de putere (tiristoare GTO, tranzistoare IGBT) au readus în prim plan realizarea convertoarelor  de puteri mari și foarte mari. Tot cronologic, mai întâi au apărut tiristoarele blocabile pe grilă (GTO) cu care s-au atins performanțe deosebite în ceea ce privește puterea motoarelor acționate.

În figura 3 este prezentată schema electrică de principiu a unei acționări de motor asincron de putere în jurul valorii de 1MW utilizând tiristorul GTO.

FIGURA 3. Schema electrică de principiu a unui convertor static de frecvenţă cu circuit de c.c. de tip „tensiune”

Ceea ce se remarcă de la bun început în schema din figura 3 este eliminarea celor 6 baterii de con­densatoare de stingere (figura 2), un punct nevral­gic al soluției cu o singură baterie de condensatoa-re C în circuitul intermediar, cu impact și asupra gabaritului, dar și al prețului de cost.

Avantajele tehnice ale soluţiei constau în:

• viteze minime mult reduse (8...10 rot/min);
• cuplu nominal sau de pornire mărite;\
• funcționare cu putere constantă în zona cu slăbire de flux;
• zona extinsă de funcționare cu slăbire de flux până la 100...125 Hz;
• funcționare cu factor de putere mare față de rețea în toată gama de turații (cu excepția perioadelor de frânare).

De remarcat faptul că, pentru funcționarea schemei de reglare asociate acestor convertoare, este obligatorie echiparea motoarelor cu traductoare de frecvență rotorice.

3. Concluzii

Cercetările și studiile efectuate de ICPE ACTEL în domeniul soluțiilor cu convertoare de putere în domeniul forajului terestru și marin au evidențiat faptul că motorul asincron asociat acestora este soluția viitorului.

În diversele etape ale evoluției în timp a acționărilor electrice, în cele mai multe cazuri, structura schemelor electrice este determinată sau influențată de dezvoltarea componentelor atât pentru partea de forță cât și pentru partea de comandă și reglare.

Apariția tranzistoarelor de putere de tip IGBT cu valori de curent și tensiune nebănuite au schimbat optica tuturor celor celor care se ocupă de soluții în acest domeniu. Și dacă astăzi soluțiile de principiu sunt cvasicu­noscute, rămâne cercetătorilor de la ICPE ACTEL, care ne ocupăm de acest domeniu, să găsim acel „delta” de supremație tehnică a acestor produse în zona performanțelor tehnice și în mod deosebit a eficienței energetice a soluțiilor dezvoltate.

Într-un număr viitor vom continua cu ultimele noutăți în ceea ce privește abordarea acestui domeniu în condițiile în care prețul petrolului s-a „prăbușit” și a creat multe semne de întrebare în privința viitorului petrolului pentru planetă.

 ION POTÂRNICHE  este dr. ing., Director General ICPE ACTEL