În numărul precedent, am trecut în revistă soluțiile ICPE ACTEL în domeniul acționărilor electrice de mare putere realizate prin prisma tipurilor de sarcină la axul motorului acționat. Astfel, au fost evidențiate caracteristicile de sarcină ale cuplurilor rezistente la axul motorului funcție de turație, modelele matematice ale acestora și, bineînțeles, aspecte legate de soluții optimizate de produse care să răspundă și cerințelor legate de eficiența maximă în execuție și utilizare.
1. Introducere
Cu ocazia acestui număr de referință (50), aș dori să trec în revistă și să evidențiez stadiul actual în domeniul acționărilor electrice atât pe plan mondial, cât și pe plan național și la nivelul abordărilor din activitatea ICPE ACTEL. Voi avea în vedere convertoarele statice de putere, dar și motoarele electrice, principala sarcină a acestora. Ultimii 30 de ani s-au constituit în ani de real progres în domeniile amintite, progres datorat în mod deosebit următoarelor:
- materiale electrice și magnetice noi, foarte performante;
- componente electronice deosebit de performante;
- tehnici noi de reglare datorate microcontrolerelor și microprocesoarelor cu densitate foarte mare în domeniul puterii de calcul.
Toate performanțele enumerate au ca suport progresele în domeniile chimiei, fizicii corpului solid, circuitelor integrate, calculatoarelor și, nu în ultimul rând, conceptele noi privind sistemele automate de reglare și control.
2. Materiale
În domeniul materialelor feromagnetice, progresele făcute în domeniul „pământurilor rare” au condus spre aliaje cu pierderi foarte mici (permadur, permaloy, supermaloy, μ-metal etc.), bazate pe metale ca nichelul, cobaltul, ranadiul, cromul etc.
De asemenea, în domeniul materialelor clasice de tip fier-siliciu, tehnologiile noi de laminare la rece au condus spre pierderi specifice reduse și, astfel, spre randamente globale sporite pentru mașinile electrice actuale.
Progrese importante sunt și în domeniul magneților permanenți, a căror energie specific a crescut de peste 100 de ori, cu inducții remanente spre 2T și câmpuri coercitive depășind cu mult 1.500 kA/m, progrese ce s-au materializat în obținerea de servomotoare cu momente de inerție reduse și performanțe dinamice superioare, atât de necesare în construcția mașinilor-unelte.
În domeniul materialelor electroizolante, al materialelor clasice de tip mică, sticlă, acestea au fost înlocuite cu materiale organice poliesterice, epoxidice, ce au condus spre clase de izolație ridicate, în mod curent clasa H, iar materialele de tip ceramic și siliconice au condus spre funcționări la temperaturi de peste 600o C.
Progresele realizate în domeniul criogeniei ne oferă variante constructive greu de imaginat în ultimii zece ani. În domeniul materialelor conductoare, tot mai mult aluminiul înlocuiește cuprul, lucru carese va resimți în mase specifice și costuri mai mici. În simbioză cu aceste materiale, s-au dezvoltat foarte mult și metodele de proiectare bazate pe calcule exacte privind câmpul electromagnetic, termic, mecanic și aerodinamic. Metodele de calcul privind elementul finit sau de frontieră deja sunt istorie, iar proiectarea 3D va fi și ea uitată, în viitorul apropiat. Calculatoarele tot mai puternice și la prețuri accesibile vor fi motive serioase de a asigura o reușită și în materializarea reglementărilor europene privind eficiența maximă în construcția mașinilor electrice viitoare.
3. Componente
În domeniul semiconductoarelor de putere, progresele sunt uriașe.
Astfel, tiristoarele clasice și cele cu blocare pe poartă au depășit parametrii greu de imaginat la nivelul anilor '90, și anume:
- peste 3000A pentru ITAV
- peste 5000V pentru URRM
- comandă prin fibre optice și frecvență de comutație mai mari de 1KHz.
Tranzistoarele de putere au făcut și ele progrese importante (I>1.000A, U>2.500V), cu frecvențe de comutație mai mari de 20kHz, iar tranzistoarele MOSFET acoperă domeniul superior valorilor 150A, 1.600V și frecvențelor de comutație de 500KHz.
Accesul la aceste componente permite realizarea de:
- convertoare ca/ca de puteri foarte mari și de medie tensiune;
- convertoare de tip rezonant în diverse tipuri de comutatoare cu modulație în durată lineară, delta sigma etc.
Un factor important ce a condus la creșterea performanțelor acționărilor electrice îl reprezintă metodele noi de comandă utilizate în teoria sistemelor automate. Tehnici de tip multivariabil sau adaptiv optimal cu anticiparea stărilor ulterioare și autoidentificarea parametrilor în timp real pentru orice sistem automat au condus la acționări de mică și mare putere, de mare performanță.
Toate aceste lucruri nu s-ar fi putut realiza fără progresele uriașe în domeniul circuitelor integrate, al microprocesoarelor, al microcontrolerelor și al procesoarelor de semnal ce au permis utilizarea unor algoritmi de reglare foarte rapizi, ajungându-se la perioade de eșantionare-achiziționare-calcul și comandă sub 20μs. Utilizarea acestor procesoare în acționările electrice permit în plus monitorizarea și diagnosticarea și, astfel, protecția sistemelor de acționare electrică, făcându-le astfel mult mai sigure, fiabile și eficiente energetic.
4. Echipamente
Ultimele preocupări în domeniul proiectării și simulării numerice ale sistemelor de acționare electrică – metodele moderne ale comenzilor motoarelor electrice de curent alternativ cu accelerarea câmpurilor din întrefierul mașinii, tehnicile moderne dezvoltate în teoria sistemelor automate – își găsesc un rol din ce în ce mai important în acționările electrice de azi, în soluțiile practicate de cei ce-și desfășoară activitatea în acest domeniu. Pentru analiza performanțelor acestor soluții noi, au fost dezvoltate metode moderne de simulare care oferă în cazul sistemelor neliniare o analiză simplă, complexă, permițând astfel optimizarea complexului motor-convertor-sistem de comandă.
Peste aspectele pur tehnice, în ultimul timp, odată cu apariția unei crize virtuale energetice, a apărut și interesul specialiștilor pentru creșterea randamentelor aplicațiilor complexe din domeniul acționărilor electrice.
Un exemplu sugestiv în acest sens este realizarea convertoarelor ca/cc pentru alimentarea serviciilor de siguranță în cc din managementul energiei electrice.
Pentru că aceste convertoare au ca sarcină sisteme de acumulatoare și pentru că ele trebuie întreținute prin descărcări periodice controlate, soluțiile noi realizate de ICPE ACTEL au în vedere componența eficienței energetice, realizând un produs cu redresoare comandate funcționând în două cadrane.
În figura 1, este prezentată schema electrică de principiu funcționând pe o sarcină de acest tip. Ecuația care guvernează circuitul sarcinii este:
În ambele regimuri, Id rămâne cu același sens:
Pentru cele două regimuri de funcționare (redresor, invertor), bilanțurile energetice se pot exprima astfel:
În structura unei aplicații din domeniul acționărilor electrice privind conversia energiei electrice, convertoarele au rolul cel mai direct și important, motiv pentru care criteriul de alegere este al unei eficiențe energetice maxime. Prin funcția pe care o are în aplicația de mai sus, el se înscrie în acest deziderat, iar acest lucru face diferența între electronica de putere și cea de semnal.
Aplicațiile privind convertoarele statice de putere sunt legate strâns de mediul industrial deoarece în procesul de conversie ele permit asigurarea unui randament maxim. Astăzi, mai mult de 75% din energia produsă este vehiculată de convertoarele statice, și procentul este în creștere.
În prezent, cercetările asupra dezvoltării convertoarelor statice se fac în două direcții importante:
- creșterea puterii specifice a acestora;
- micșorarea costurilor de implementare și a gabaritelor, în contextul unei fiabilități sporite.
5. Concluzii
Am dorit în acest număr să evidențiez care este stadiul actual în domeniul acționărilor de putere, prin prisma elementelor componente ale fiecărui sistem.
Progresele realizate în ultimii ani se datorează unei firești interacțiuni între cercetători, tehnologi și utilizatori, între cerințe, dorințe și posibilități. Dincolo de aspectele tehnice, tot mai mult în abordările specialiștilor din domeniu, apar și cele de tip economic, atât cele intrinseci, cât și cele legate de aplicații.
Este evident că viitorul va apăsa puternic pe cele din urmă, dată fiind situația macro la nivel mondial privind problemele legate de sursele de energie și de folosirea rațională a acestora.
În același timp, am încercat să punctez care sunt tendințele actuale privind elementele constitutive ale oricărui sistem de acționare electrică, perspectivele imediate și cele din viitorul mai îndepărtat.
Nu în ultimul rând, am amintit preocupările ICPE ACTEL în consolidarea acționărilor electrice actuale și dezvoltarea celor viitoare.
Ion Potârniche este dr. ing., Director General ICPE ACTEL
