automatiz Ă - web.ulbsibiu.roweb.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/automatizari.pdf · controlului...
Post on 28-Jul-2018
236 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIU
FACULTATEA DE INGINERIE
AUTOMATIZRI
Autor: Prof.univ.dr. Laurean BOGDAN
Material pentru uzul studenilor
Sibiu,
2016
-
CUPRINS
INTRODUCERE ----------------------------------------------------------------------------------------- 4
CAPITOLUL 1 ------------------------------------------------------------------------------------------ 16
1. REALIZAREA MICRILOR N PROCESELE INDUSTRIALE ---------------------- 16
1.1. Acionri electromecanice -------------------------------------------------------------------- 17
1.1.1. Raportarea mrimilor mecanice la arborele motorului ----------------------------- 19
1.1.2. Acionri cu maina asincron --------------------------------------------------------- 41
1.1.3. Acionri cu maina de curent continuu ---------------------------------------------- 54
1.1.4. Acionri cu motorul pas cu pas ------------------------------------------------------- 67
1.1.5. Acionri electropneumatice ------------------------------------------------------------ 84
1.2. Procese industriale ----------------------------------------------------------------------------- 92
CAPITOLUL 2 ------------------------------------------------------------------------------------------ 95
2. AUTOMATIZRI INDUSTRIALE ------------------------------------------------------------- 95
2.1. Automatizarea proceselor continue --------------------------------------------------------- 96
2.2. Automatizarea proceselor discrete----------------------------------------------------------- 97
CAPITOLUL 3 ------------------------------------------------------------------------------------------ 99
4. SEMNALE, SENZORI I TRADUCTOARE ---------------------------------------------- 99
3.1. Componentele principale ale traductoarelor ----------------------------------------------- 99
3.1.1. Elementele sensibile ale traductoarelor ----------------------------------------------- 99
3.2 Traductoare numerice. Adaptoare pentru traductoare numerice ----------------------- 109
3.3. Principii generale de alegere a traductoarelor ------------------------------------------- 112
3.4. Traductoare de vibraii i acceleraii ------------------------------------------------------ 114
3.5. Traductoare de temperatur ---------------------------------------------------------------- 126
3.6. Traductoare de vitez i turaie ------------------------------------------------------------ 144
3.7. Senzori de proximitate ---------------------------------------------------------------------- 164
CAPITOLUL 4 ---------------------------------------------------------------------------------------- 169
4. CODIFICAREA INFORMAIEI -------------------------------------------------------------- 169
CAPITOLUL 5 ---------------------------------------------------------------------------------------- 169
5. CONTROLERELE LOGICE PROGRAMABILE ----------------------------------------- 169
-
5.1. Construcie i funcionare ------------------------------------------------------------------- 169
5.2. Programarea controlerelor logice programabile ----------------------------------------- 169
5.3. Funcii logice --------------------------------------------------------------------------------- 177
5.3.1. Funciile logice elementare ----------------------------------------------------------- 177
5.3.2. Programarea funciilor logice -------------------------------------------------------- 188
5.3.3. Scrierea unei linii de program -------------------------------------------------------- 188
5.4. Reprezentarea procesului prin funcii logice --------------------------------------------- 194
5.5. Configuraii hardware ----------------------------------------------------------------------- 199
5.5.1. Alimentare, conectare intrri-ieiri -------------------------------------------------- 199
5.5.2. Activarea intrrilor i ieirilor -------------------------------------------------------- 203
5.5.3. Exemplu --------------------------------------------------------------------------------- 205
FUNCIONAREA PLC Explicaii ---------------------------------------------------------------- 210
CAPITOLUL 6 ---------------------------------------------------------------------------------------- 223
6. AUTOMATIZAREA MICRILOR --------------------------------------------------------- 223
6.1. Automatizarea micrilor realizate cu maina asincron ------------------------------- 225
6.2. Automatizarea micrilor realizate cu maina de curent continuu -------------------- 232
6.3. Automatizarea micrilor realizate cu motorul pas cu pas ----------------------------- 232
6.4. Automatizarea micrilor realizate hidraulic i pneumatic -------------------------- 232
BIBLIOGRAFIA -------------------------------------------------------------------------------------- 240
-
INTRODUCERE
Procesele industriale sunt constituite din maini i instalaii tehnologice realizate spre
a rspunde cerinelor societii umane n a obine bunuri i servicii spre consum. Procesele
industriale se regsesc n diverse domenii de activitate ale economiei unei ri. Gsim procese
industriale n ramuri economice ale industriei constructoare de maini, ale industriei
alimentare, n transporturi, medicin, construcii, n industria auto, n industria uoar etc.
Se poate spune c procesele industriale pot fi identificate sub diverse forme i
complexiti. Cu ct o instalaie este mai complex cu att gsim mai multe forme ale
proceselor industriale. Procesele fizice ca multitudine de evenimente care se desfoar pe
baza legilor fizicii sunt, de fapt esena proceselor industriale. Parametrii fizici cum ar fi:
micrile relative ale corpurilor care compun instalaiile industriale, vitezele cu care acestea se
mic, temperaturile ca msur a cldurii, vibraiile mecanice, zgomotele, debitele sau
presiunile unor ageni lichizi sau gazoi, se constituie ca pornire n a stpni aceste procese.
Odat cu dezvoltarea societii omeneti s-au impus tot mai mult cerinele controlului
proceselor industriale fr intervenia operatorului uman.
Aa au aprut mainile automate. Primele maini automate s-au dezvoltat n domeniul
industriei uoare. Revoluia industrial a cunoscut dezvoltarea mainismului n diverse
sectoare de activitate. Pregtirile pentru rzboi au fost, din pcate, motoare ale dezvoltrii
controlului proceselor industriale, al nlocuirii operatorului uman din locuri de munc cu
solicitare fizic i psihic a acestuia. Aa au aprut mainile cu comand numeric (n jurul
anilor 1950). Realizarea tranzistorului ca dispozitiv electronic activ (1948) a impulsionat
realizarea circuitelor integrate i, mai trziu n jurul anilor 1970 obinerea microprocesorului
ca unitate complet de prelucrare a informaiei. n jurul anilor 1980 s-a realizat
microcontrolerul reprezentnd un calculator pe un cip. n anii 1960 s-a realizat primul
controler logic programabil. Dezvoltarea microelectronicii, a tehnologiilor din acest domeniu
a fost mijlocul prin care s-au obinut cu viteze de neimaginat, maini, instalaii, comunicaiile,
roboii, teleoperatorii etc. Ce observm este o concuren acerb n a realiza modele tot mai
performante de structuri hardware n paralel cu software corespunztoare.
Microelectronica i informatica sunt motoare pentru schimbarea structurii
instalaiilor industriale, a mbuntirii performanelor acestora cu scopul reducerii
consumurilor energetice, al creterii randamentelor i productivitii. Prin microelectronic i
informatic este posibil adaptarea rapid a metodelor i tehnicilor de realizare a produselor la
-
cerere n condiiile globalizrii produciei, al transferului fizic al mijloacelor de producie
dintr-un loc n altul de pe glob.
Procesele industriale pot fi identificate prin parametrii fizici care le nsoesc.
Miniaturizarea structurilor hardware pn la limite extrem de mici, au permis revoluionarea a
tot ce nseamn controlul proceselor industriale. Senzorii i sistemele senzoriale sunt structuri
hardware inteligente uor interconectabile cu echipamentele de programare i control.
Lucrarea de fa se constituie ca un material util celor care vor s neleag, s
conceap sau s exploateze i s ntrein instalaii automatizate pe baz de controlere logice
programabile. Automatizarea proceselor industriale a impus pe lng mainile care
prelucreaz, care proceseaz, s apar i sistemele de transfer automat de tip manipulatoare
automate i roboi industriali. La nceputuri automatizarea proceselor industriale s-a realizat
sub form de automate rigide n programare, automate la care componenta software este
implementat pe hardware nc din faza de proiectare i concepie a acestora. Acest tip de
automatizare s-a dovedit a fi rentabil n cazul produciei de serie mare i mas, pentru acele
produse care ajung pe piee n cantiti mari, care au cerere. Este cazul produselor de
dimensiuni mici, produse industriale, mbrcminte, alimente etc. n ultimii 25-30 ani s-a
impus tot mai accentuat producia la cerere. Mainile i instalaiile trebuind s fie tot mai
flexibile n programare, tot mai uor de adaptat la noi produse. Pentru ca mainile i
instalaiile s fie flexibile n programare, s fie uor i rapid adaptabile la produse noi, acestea
au nevoie de sisteme dotate cu inteligen artificial, cu senzori i sisteme senzoriale
inteligente. Acestea au devenit tot mai performante i ieftine astfel c i atunci cnd avem
producie de serie mare i mas ntlnim sisteme de conducere flexibile n programare, n
special de tip controler logic programabil (PLC).
Analiznd n acest context roboii industriali se impune s lmurim anumite aspecte.
Manipulatoarele automate sunt sisteme de mare productivitate, rigide n programare care se
amortizeaz rapid din punct de vedere financiar i al investiiei. Acestea au senzori de
proximitate, programul fiind implementat pe hard, nu se pot separa, schimbarea software
presupune schimbarea hardware.
Robotul este un sistem complex din punct de vedere cinematic i organologic capabil
s execute sarcini variate, este flexibil n programare, software-ul este separat de hardware, se
poate programa uor i rapid. Este mult mai scump dect manipulatorul automat, amortizarea
se realizeaz n timp mai ndelungat, efortul financiar al firmei care investete este mare.
-
Intrarea roboilor n sectoarele direct productive, robotul prelucreaz, nlocuiete
operatorul uman, a dus la eficientizarea introducerii rapide a roboilor i n producia de serie
mic i unicat. Aici trebuie avut n vedere i creterea salariilor angajatului nlocuit de robot.
Definirea mecanizrii i automatizrii
Mecanizarea i automatizarea fabricaiei
Definirea conceptelor
Mecanizarea i automatizarea pot fi definite ca metode ce analizeaz, organizeaz i
conduc mijloacele de producie pentru a realiza utilizarea optim a tuturor resurselor
productive, mecanice, materiale i umane. Obiectivul final al mecanizrii i automatizrii
const n economisirea eforturilor umane, fie ele musculare sau cerebrale.
Mecanizarea i automatizarea fabricaiei reprezint principala tendin de progres n
tehnologie. Tot mai multe proiecte sunt realizate prin mecanizare, automatizare i conducere a
proceselor prin calculator i acestea nu ntmpltor, ci avnd o serie ntreag de motive care
determin aceast obinute. Cteva din aceste motive sunt:
productivitate ridicat evident, prin mecanizare, automatizare se obin cantiti mult
mai ridicate de produse industriale n aceeai unitate de timp;
costul sczut al produciei mainile, comparativ cu corespondentul lor uman, sunt
mult mai productive i mai puin pretenioase din punct de vedere al costului muncii;
criza forei de munc mecanizarea, automatizarea s-au dovedit bune soluii n
rezolvarea acestei probleme;
orientarea forei de munc umane preponderent spre sectorul serviciilor;
sigurana sporit prin transferarea factorului uman din rolul de participant fizic activ
la procesul de producie n cel de supraveghetor, riscul accidentelor de munc a sczut
simitor;
costul ridicat al materiilor prime a impus exploatarea lor ct mai eficient, scop atins
prin precizia muncii mecanizate, automatizate;
calitatea mbuntit a produselor;
timp redus de livrare;
reducerea depozitarii intermediare;
factori ce in de concurena economica imaginea unei firme este mult mbuntit n
urma adoptrii unor metode moderne de lucru, crete promptitudinea livrrilor, etc.
Pe de alt parte, firmele care nu au adoptat aceste metode se vd puse n situaia de a nu putea
asigura un pre competitiv produselor lor, datorit costurilor de producie proprii mult mai
-
ridicate. Exist la ora actual o serie de argumente n favoarea mecanizrii i automatizrii, pe
lng cele enumerate anterior, precum i o serie de argumente contra acestei aciuni.
Argumente n favoarea mecanizrii, automatizrii:
Mecanizarea i automatizarea reprezint factorii cheie n reducerea sptmnii de
lucru la minimum, omul avnd la dispoziie mai mult timp pentru industrie, cultivare,
relaxare etc.
Mecanizarea, automatizarea asigur o siguran sporit a locului de munc, prin
reducerea implicrii fizice a omului n procesul de fabricaie;
Mecanizarea, automatizarea produciei va duce la preuri sczute i produse de calitate
superioar;
Dezvoltarea mecanizrii i automatizrii va produce o mutaie a forei de munc din
sfera fizic n cea conceptual - apar noi i diverse domenii de activitate necesitnd
personal cu nalt calificare (industria tehnicii de calcul, electronic, diverse domenii
de cercetare etc.);
Mecanizarea i automatizarea reprezint mijloace de ridicare a standardului de via,
deoarece doar oferind salarii crescnde pe baza produciilor crescute se poate evita
inflaia.
Argumente contra mecanizrii automatizrii:
Mecanizarea, automatizarea vor duce la subjugarea fiinei umane de ctre main
rolul uman se reduce la efectuarea unor operaii simple, care nu necesit ndemnare, fapt
care l pune pe acesta ntr-o poziie inferioar. Pe de alta parte ns, s nu uitm c de obicei
muncile de rutin, monotone sau cele cu un grad mare de periculozitate sunt cele automatizate,
deci n ansamblu se poate concluziona c omul este cel avantajat; Reducerea necesarului
forei de munc, rezultnd de aici omaj; Mecanizarea, automatizarea vor avea un impact
negativ asupra puterii de cumprare a populaiei.
Obiectivele mecanizrii i automatizrii
Activitatea uman a parcurs de-a lungul timpului o serie de etape, n vederea obinerii
de bunuri materiale necesare:
1. etapa mecanizrii etapa n care omul este preocupat de a reduce la minim efortul su
fizic. Etapa a nceput odat cu crearea primelor unelte i continu i n prezent, cnd
omul a realizat nu numai mijloace care s-i permit reducerea efortului fizic, ci i a
celui intelectual (mainile de calcul). n aceasta etap, rolul omului n producia de
-
bunuri materiale a fost i este direct, nemijlocit, realizarea oricrui proces de producie
fiind condiionat de activitatea sa;
2. etapa automatizrii - etapa n care omul s-a preocupat s gseasc soluii care s
reduc sau s elimine complet intervenia s direct, care condiiona desfurarea
proceselor de producie. Astfel, prin automatizare, omului i rmne doar rolul de
conducere, de asigurare a condiiilor de desfurare a proceselor i controlul
desfurrii lor, adic o activitate de ordin intelectual;
3. etapa cibernetizrii - etapa n care omul s-a preocupat ca pentru procesele automatizate
s-i reduc sau s elimine i activitatea de conducere; aceasta a fost posibil prin
realizarea de obiective materiale capabile s efectueze operaii de gndire logic,
caracteristic activitii intelectuale. Etapele au aprut succesiv, pe msura cunoaterii
mai profunde a realitii obiective, dar ele nu se elimin, ci se desfoar paralel.
Automatizarea proceselor tehnologice, indiferent de natura lor, prezint probleme
complexe care nu pot fi rezolvate dect n condiiile unei strnse colaborri ntre tehnolog i
automatist. Cnd se urmrete realizarea unor sisteme automatizate, proiectarea instalaiei
tehnologice (care urmeaz a deveni instalaie automatizat) prezint unele aspecte particulare
care n unele cazuri, o fac diferit de instalaia neautomatizat; aceasta, deoarece nsi
proiectarea procesului tehnologic de prelucrare sau montaj (n construcia de maini) ca
proces susceptibil de automatizare, presupune existena unor particulariti, comparativ cu
procesul tehnologic neautomatizat.
Introducerea mecanizrii, automatizrii i cibernetizrii n industria constructoare de
maini este difereniata pentru dou situaii posibile:
a) cazul proceselor tehnologice existente (care se desfoar), pentru care rezolvrile sunt
uneori limitate de utilaje i organizarea existent;
b) cazul proceselor tehnologice nou proiectate, pentru care utilajele urmeaz a fi proiectate
sau procurate, iar organizarea trebuie astfel fcut nct s favorizeze introducerea
automatizrii i cibernetizrii.
n etapa actual de dezvoltare a tehnicii pe plan mondial i naional, mecanizarea i
automatizarea produciei reprezint principala modalitate de asigurare a creterii
productivitii muncii. Este de remarcat faptul c productivitatea muncii i costurile de
producie pot fi modificate favorabil printr-un ansamblu de msuri de natur tehnic care
trebuie s precead introducerea mecanizrii i automatizrii.
Msurile de natur tehnic se difereniaz n raport cu etapele pregtirii produciei.
Astfel, n etapa pregtirii constructive ele constau n:
-
standardizarea i tipizarea proceselor, a subansamblelor i pieselor, aciuni care permit
reducerea volumului activitilor de proiectare, crearea de ntreprinderi specializate,
asigurndu-se n acest mod condiii optime pentru introducerea mecanizrii i
automatizrii produciei;
proiectarea tehnologic a formelor geometrice, astfel nct piesele s poat fi obinute
n condiii economice i s permit montaje mecanizate i automatizate.
n etapa pregtirii tehnologice a produciei, msurile sunt concentrate n direcia
optimizrii proceselor tehnologice i astfel se poate aciona pentru:
reducerea timpului de baz prin:
intensificarea parametrilor regimului de prelucrare;
prelucrarea simultan a unor suprafee, cu mai multe scule;
prelucrarea simultan a mai multor piese;
utilizarea sculelor combinate etc.;
reducerea timpului auxiliar prin:
utilizarea dispozitivelor cu acionare rapid;
reducerea numrului de prinderi desprinderi ale piesei;
aezarea pe paleta, prinderea i desprinderea piesei n afara zonelor de lucru;
suprapunerea timpului auxiliar cu timpul de baz etc.;
proiectarea procesului tehnologic pentru maini speciale sau specializate care lucreaz
n ciclu automat sau semiautomat.
n desfurarea procesului de producie, msurile tehnice se completeaz cu cele de
natur organizatoric, care, urmrind creterea productivitii muncii i reducerea costurilor
de producie, vizeaz n principal:
eliminarea timpului de reascuire a sculelor consumat de muncitorii productivi,
organizarea ascuitoriilor centralizate;
reducerea timpilor de aprovizionare cu semifabricate;
lansarea n fabricaie a pieselor n loturi economice etc.
Dup aplicarea msurilor prezentate, efectele de cretere a productivitii muncii i
reducere a costurilor de producie mai pot fi amplificate prin introducerea mecanizrii i
automatizrii, asigurnd totodat condiii de cretere a calitii produciei i reducere a
efortului fizic.
n ceea ce privete aspectul economic al acestor soluii, trebuie remarcat c, dac
productivitatea muncii i reducerea costurilor de producie realizate prin msuri tehnice i
-
organizatorice sunt eficiente din punct de vedere economic n orice tip de producie (masa,
serie sau individual), obinerea acelorai efecte prin mecanizare i automatizare dup unii
autori poate fi posibil numai n anumite condiii de stabilire a produciei i pentru produse de
o anumita complexitate constructiv i tehnologic.
Concluzia este parial eronata, deoarece mecanizarea i automatizarea pot s constituie
mijloace eficiente de cretere a productivitii muncii de orice tip de producie. Soluiile care
se adopt sunt dependente de tipul produciei, astfel c, dac pentru producia de unicate i
serie mic sunt adoptate variante corespunztoare, eficiena economic poate fi substanial.
Aplicarea msurilor de mecanizare sau (i) de automatizare se poate face parial pentru fiecare
dintre etapele de realizare, ct i pentru fiecare din componentele procesului de munc.
Particulariti ale proiectrii proceselor tehnologice automatizate
Procesele tehnologice pentru sistemele automatizate de prelucrare se proiecteaz dup
principiile generale ale proiectrii tehnologiilor, ele trebuie s mplineasc, pe lng cerinele
tehnologice i tehnico-economice generale, i o serie de cerine specifice:
succesiunea de prelucrare stabil s asigure posibilitatea automatizrii tuturor
micrilor de lucru i auxiliare necesare realizrii procesului;
stabilirea bazelor de orientare trebuie s fie fcut astfel nct s se ndeplineasc
condiia tehnologic (de erori n limitele admise) i n acelai timp, pentru liniile
tehnologice automate, s se reduc la minim numrul schimbrilor de poziie ale
pieselor, crendu-se posibilitatea fixrii automate a pieselor la posturile de lucru;
pentru sistemele de prelucrare automatizate la care piesele sunt deplasate pe palete,
bazele rmn unice pn la prsirea paletei, iar suprafeele de fixare stabilite s nu
mpiedice prelucrrile;
pentru liniile tehnologice automatizate se impune realizarea unor timpi de main egali
pentru toate posturile, sau a unor timpi multipli pentru diferite operaii, n vederea
asigurrii sincronizrii funcionrii posturilor liniei i a unor depozite inter-
operaionale de capaciti convenabile;
prevederea unor operaii, respectiv a unor posturi i a unor echipamente care s
asigure funcionarea fr avarii a sistemului de prelucrare.
Procesul tehnologic pentru sistemele automatizate de prelucrare trebuie astfel proiectat
nct acesta s cuprind un numr ct mai mic de maini sau de posturi de lucru. Aceasta se
poate utiliza prin concentrare la maxim a operaiilor (prevznd la acelai post de lucru un
-
numr mare de axe principale, folosind magazine de scule sau de capete de for etc.).Nu se
va accepta concentrarea la acelai post sau main a operaiilor de degroare sau de finisare.
n procesele tehnologice pentru sisteme automatizate trebuie prevzute numai acele tipuri de
procedee de prelucrare care asigur condiii pentru automatizare (de exemplu nu vor fi
prevzute procedee neconvenionale la posturile liniei).
n cazul proiectrii liniilor tehnologice automatizate flexibile, toate operaiile care
difer de la o pies la alta, se vor plasa ctre sfritul fluxului, asigurnd astfel timp minim
pentru reglarea liniei la trecerea de la o pies la alta. Tot n aceast situaie, de comun acord
cu proiectantul de produs, se pot propune modificri constructive neeseniale ale pieselor
(prevederea unor bosaje sau lamaje etc.) care s asigure prelucrarea lor fr reglaje importante
ale liniei. Stabilirea bazelor de orientare la prelucrare n sisteme automatizate trebuie astfel
fcut nct ele s coincid pe ct posibil cu bazele de msurare, s fie permanente pe tot
parcursul prelucrrii, s asigure o fixare comod, un transport uor i un numr minim de
schimbri de poziie ale piesei.
Concepte ale mecanizrii i automatizrii fabricaiei
Automatizarea i mecanizarea produciei este facilitat mult dac se au n vedere unele
concepte fundamentale, cum sunt: conceptul de flexibilitate tehnologica i conceptul de
construcie modular.
Conceptul de sistem de fabricaie
Oricrei uniti de producie, posibil de automatizare a diverselor procese, i se poate
asocia noiunea de sistem de fabricaie. Folosind notaiile curente din teoria sistemelor, un
sistem de fabricaie (SF) reprezint un ansamblu structurat de mijloace de producie, legate
intre ele prin relaii ale crui funciuni sunt sarcinile de producie considerate.
innd seama de aceast definiie, orice proces tehnologic se poate reprezenta ca un
sistem de fabricaie, ale crui intrri sunt, pe de o parte materialele i energia care se
transform n acest proces i pe de alt parte instruciunile (informaiile, reelele, regimurile,
operaiile) referitoare la modul de desfurare a procesului, ieirea din sistem fiind produsul
rezultat n urma procesului, aa cum este prezentat n figura 1.
-
Figura 1. Principiul unui sistem
n general un sistem de fabricaie (SF) poate fi descompus n subsisteme, figura 2. care
corespund funciunilor sale de baz astfel:
ST=subsistem tehnologic n care se efectueaz operaiile tehnologice propriu-zise;
SM=subsistem de manipulare, care asigur transferul, orientarea, poziionarea, depozitarea
pieselor;
SC=subsistem de control, care efectueaz verificarea calitii de execuie a operaiilor;
SP=subsistem de comand, care asigur succesiunea corect a operaiilor n cadrul sistemului.
Prin urmare strile sistemului sunt urmtoarele: tehnologie (T), manipulare (M),
control (C), care prin comanda (P) fac, ca n cursul funcionrii sistemului intrrile s
determine trecerea lui succesiv de la o stare la alta.
Figura 2. Structura unui sistem de fabricaie
Orice SF are sarcina de a realiza un produs finit cu caracteristici de form i de dimensiuni
bine stabilite pornind de la semifabricat. Complexitatea acestor sisteme poate fi gradat n
conformitate cu funciunile pe care le poate executa. Astfel n figura 2.3. se reprezint
schematic complexitatea sistemelor din care se desprind sistemele de fabricaie de:
ordinul 1 care pot executa operaii tehnologice; exemplu un centru de prelucrare
(CP), maina unealt agregat (MU);
ordinul 2 reprezentat prin concentrarea mai multor maini pentru prelucrarea
complex a unei sarcini de fabricaie a uneia sau a mai multor piese. n aceast
categorie se ncadreaz cele mai multe sisteme de fabricaie n industria constructoare
de maini: linii de fabricaie, linii de transfer, linii de montaj, etc.
ordinul 3 construit din secii automatizate integral i conduse prin calculator;
ordinul 4 cel mai complex realiznd inclusiv comercializarea produsului incluznd
n acest scop elementele i personalul necesar reprezint de fapt o ntreprindere.
-
Tratarea procesului tehnologic n concepia de sistem aduce un avantaj de metod
producnd i o inovaie n gndire prin faptul c proiectarea tehnologiei ca sistem
implic adoptarea specializri produs n opoziie cu specializarea proces.
Specializarea proces presupune gruparea mijloacelor de producie n funcie de
nrudirea lor tehnologic; astfel o unitate tehnologica va fi compus dintr-un sector de
maini de strunjit, unul de maini de frezat, altul de maini de rectificat sau de maini de
prelucrat prin deformare plastica, etc.
Specializarea produs reprezint punctul de plecare pentru automatizarea complex a
produciei n construcia de maini iar concepia sistemic a procesului de fabricaie reprezint
metoda specific pentru proiectarea tehnologic a unitilor de producie cu nalt nivel de
automatizare.
Conceptul de flexibilitate tehnologic
Cercetarea fabricaiei ca fenomen de producie arat c extinderea automatizrii i
mecanizrii este posibil numai prin dezvoltarea unor noi categorii de mijloace de producie,
orientate spre satisfacerea cerinelor specifice acestui fenomen. Termenul general prin care se
definete totalitatea caracteristicilor noi ale acestor mijloace de producie este cel de
flexibilitate. n domeniul produciei industriale, termenul apare relativ recent n legtur cu
automatizarea fabricaiei, ca trstur ce definete un sistem automat de fabricaie bazat pe
maini transformabile att pentru procese de prelucrare ct i pentru cele de transport al
materialelor. Ulterior, termenul de flexibilitate este utilizat i cu referire la capacitatea unui
sistem de a trece la fabricaia produselor de un alt tip, caracteristic definit ca elasticitate
tehnologic.
Termenele de flexibilitate i elasticitate utilizate n legtur cu fenomenul de fabricaie
sunt folosite n paralel cu toate c cel de flexibilitate este mai recent i a fost de la nceput
orientat spre noi concepte n automatizare i mecanizare.
n ceea ce privete termenul de elasticitate, cu referire la fabricaie, acesta desemneaz
caracteristicile unei ntreprinderi: adaptarea, regruparea, modificarea, mobilitatea i comport
doua componente:
elasticitatea structurilor tehnice sau elasticitatea propriu-zisa;
elasticitatea comercial, respectiv elasticitatea fa de pia.
n acest context, capt semnificaia i termenii de elasticitate cantitativ i cel de
elasticitate calitativ, primul cu privire la cantitatea produselor diferite ce pot fi realizate; cel
-
de-al doilea cu privire la spectrul performanelor realizate. Aceti termeni pot fi considerai ca
pri definitorii ale conceptului de elasticitate a investiiei; ei sunt luai n considerare la
determinarea profilului obiectivelor i eficienei investiiilor pentru realizare de obiective
industriale.
n raport cu aceast extindere a termenului de elasticitate, termenul de flexibilitate este
folosit pentru a exprima elasticitatea propriu-zisa a structurilor tehnice, respectiv a elasticitii
tehnice de fabricaie. Astfel, prin flexibilitate se nelege capacitatea de modificare a
sistemelor tehnice i a condiiilor organizatorice ale unui proces de fabricaie n vederea
adaptrii sale la noi sarcini de fabricaie n mod automat
Totodat, sistemele de fabricaie mecanizate i automatizate flexibile vor trebui
definite n comparaie cu sistemele de fabricaie mecanizate i automatizate rigide. n timp
ce sistemele rigide sunt de la nceput concepute pentru realizarea unei singure sarcini de
fabricaie, sistemele flexibile sunt astfel concepute nct s se poat transforma n vederea
realizrii mai multor sarcini diferite de fabricaie.
Conceptul de flexibilitate este utilizat pentru caracterizarea unor soluii tehnice diferite,
ncepnd de la linia de transfer adaptat la cteva variante ale sarcinii de producie i de la
centrul de fabricaie cu comand numeric pn la linia de fabricaie cu comand numeric i
sisteme integrate de maini unelte i instalaii logistice, comandate de ctre structuri
ierarhizate de dispozitive de prelucrare a datelor.
Automatizarea pe baza specializrii-produs n zona seriilor mici de fabricaie i a
produselor care se diversific intensiv, presupune asocierea noiunii de sistem de fabricaie cu
noiunea de flexibilitate.
Flexibilitatea presupune capacitatea sistemului de a se adapta la sarcini de producie
diferite, att din punct de vedere al formei i dimensiunilor produsului ct i din punct de
vedere al procesului tehnologic care trebuie efectuat.
Nivelul de automatizare al unui sistem poate fi exprimat i n funcie de flexibilitatea
lui. Astfel, se consider c un echipament tehnologic are un nivel de automatizare cu att mai
nalt cu ct prezint dependen fa de operatorul uman, att pentru executarea repetat a unei
sarcini, ct i pentru adaptarea sa de la o sarcin la alta.
Sistemele flexibile de fabricaie (SFF) se caracterizeaz prin:
capacitatea de prelucrare a pieselor de forme diferite i dup tehnologii diferite.
Loturile de piese putnd fi prelucrate fie n paralel (concomitent) fie n serie (succesiv);
capacitatea de adaptare a MU componente la specificul pieselor de prelucrat;
-
transferul automat al pieselor de la un post de lucru la altul;
acceptarea fluxului de informaii pentru prelucrarea automat pe MU precum i
desfurarea organizat a procesului de fabricaie pe alte uniti componente ale
sistemului. Aceasta implic corelarea informaiilor tehnice cu cele organizatorice i
codificarea lor ca atare.
Nivelul de automatizare al unui sistem depinde, n general, de posibilitile tehnicii n
momentul crerii lui. Scopul urmrit este ntotdeauna exploatarea maxim a unitilor de
prelucrare n condiii de flexibilitate maxim, desfurarea programului executndu-se cu
precizie orar.
Din cele artate mai sus reiese c un SFF reprezint o serie de MU i instalaii legate
printr-un sistem comun de transport i de comand astfel nct s poat avea loc o fabricaie
automat pentru piese diferite.
Adoptarea SFF conduce la modificri avantajoase comparativ cu fabricarea tradiional cu
consecine directe n:
reducerea personalului productiv;
creterea productivitii i calitii produselor;
reducerea timpilor auxiliari;
reducerea spaiilor de producie;
mbuntirea n ansamblu a desfurrii fabricaiei;
exploatarea superioar a disponibilitilor (regim de funcionare n trei schimburi cu
aceeai productivitate).
Evident, aceste realizri se pot obine numai prin eforturi traduse prin:
creterea cheltuielilor necesare ntreinerii;
mutarea unei pri a activitii de producie n domeniul de pregtire a fabricaiei cu
alte cuvinte mai mult gndire tehnologic i organizatoric dect execuie propriu-
zis.
n figura 3. este redat interdependena dintre productivitatea i flexibilitatea SF
Semnificaia cifrelor din grafic este urmtoarea:
linii de transfer (producie stabil de serie mare),
linii de transfer cu posibiliti de reglare (serie mare productivitate programabil),
sisteme de fabricaie conduse cu calculatorul de proces,
centre de prelucrare cu comand numeric NC.
-
Figura 3. Relaia productivitate-flexibilitate
Concluzionnd, se poate spune c sistemele flexibile de fabricaie se ntreptrund la limita
superioar cu liniile de transfer, iar la limita inferioar cu centrele de prelucrare luate unitar.
CAPITOLUL 1
1. REALIZAREA MICRILOR N PROCESELE
INDUSTRIALE
Procesele industriale se bazeaz pe elemente de execuie, elemente de conversie
electromecanic a energiei prin care se obine lucru mecanic. Lucrul mecanic presupune
micare, deplasare liniar sau de rotaie n prezena forelor sau cuplurilor mecanice.
Elementele de execuie le regsim sub forma motoarelor electrice de acionare cum ar fi:
motorul asincron, motorul de curent continuu, motorul pas cu pas, motorul universal. Tot
elemente de execuie sunt i sistemele electro-hidro-pneumatice. Se folosete tot mai mult
termenul de actuator ca un ansamblu format din sursa de micare urmat de elemente
intermediare cinematice i mecanice cu rol de a asigura adaptarea acestuia la aplicaie.
Elemente de execuie
Elementul de execuie (E) ocup locul central n orice sistem de automatizare.
Mrimea de intrare n elementul de execuie se numete mrime de comand (c) iar mrimea
de ieire este mrimea de execuie (m) cea care asigur parametrii fizici ai procesului (P),
parametrii dorii de utilizator prin care procesul s respecte o anumit evoluie.
-
Figura 4. Structura unui sistem de programare i control al proceselor
Aa cum reiese din figura 4 elementul de execuie, prim mrimea de execuie m
acioneaz asupra procesului industrial (P). Procesul industrial i va schimba starea i, ca
urmare apar o serie de parametrii fizici (e) care vor fi monitorizai de ctre sistemul de senzori
(M). Senzorii, traductoarele transform parametrii fizici ai procesului n mrimi electrice r
care ajung ntr-un sistem de comparare. Sistemul de comparare poate realiza i o sum
algebric ntre mrimea prescris de utilizator (i) i mrimea (r) furnizat de traductor.
Rezultatul nsumrii ntre i i r va fi a. Mrimea a ajunge la intrarea unui sistem foarte
important n automatizarea proceselor, sistemul regulator (R). n regim staionar elementul de
execuie E trebuie s transmit spre ieire mrimea m proporional cu mrimea de intrare c.
Factorul de proporionalitate va avea o valoare numeric i ar trebui s fie constant indiferent
de valoarea lui c sau m. Valorile lui m se pot schimba datorit evoluiei procesului industrial.
Regulatoarele liniare, caracterizate printr-o relaie ntre mrimile c i a ca integro-diferenial
cu coeficieni constani sunt cele mai des ntlnite n practic. Regulatorul proporional se
caracterizeaz printr-un coeficient de amplificare. Regulatorul integral are o aciune n
legtur direct cu integrala mrimii sale de intrare a. Regulatorul proporional-integral (PI)
are o aciune cu dou componente, una fiind proporional cu abaterea a iar cealalt
proporional cu integrala abaterii. Regulatorul proporional-derivativ (PD) va avea o aciune
dependent att de componenta proporional ct i de cea derivativ. Regulatorul de tip
proporional-integral-derivativ (PID) va avea aciuni n concordan cu cele trei tipuri:
proporional, integral i derivativ.
1.1. Acionri electromecanice
Componenta de baz a sistemelor de acionare electromecanic este convertorul
electromecanic, motorul electric cu micare de rotaie sau de translaie. Motorul electric preia
energia electric i o transform n energie mecanic, lucru mecanic, fore i deplasri, cupluri
de rotaie i unghi de rotaie. Parametrii fizici care apar n procesele industriale sunt:
-
deplasarea, viteza i acceleraia. Majoritatea surselor de micare sunt motoare electrice de
rotaie. Relaiile fizice arat:
;Rv =
,60
22
nN
==
n care R este raza de rotaie, este rotaia unghiular dat n rad/s, N-numrul de rotaii pe
secund i n numrul de rotaii pe minut. Din punct de vedere dinamic trebuie luate n
consideraie i variaiile forei, rotaiei, cuplului, puterii i curentului n funcie de timp.
Motorul electric de acionare dezvolt un cuplu mecanic de rotaie, momentul de rotaie M. La
nivelul procesului industrial apare cuplul de torsiune rezistent Mr, figura 5.
Figura 5. Maina electric de acionare i procesul industrial
n regim staionar, cnd exist egalitate M=Mr, turaia va avea o valoare constant. n
cazul n care dispare echilibrul ntre cele dou cupluri mecanice va apare o component
dinamic dat de ineriile pieselor aflate n micare.
rMdt
dJM +
=
.
n funcie de componenta derivativ din expresie, n procesul industrial putem avea
accelerarea micrii cnd M>Mr, sau frnarea micrii atunci cnd M
-
O acionare electromecanic se bazeaz pe un dispozitiv de comand (DC) prin
intermediul cruia se prescrie valoarea dorit pentru mrimea vitezei din proces, figura 6.
Acionarea electromecanic, AEM are n componena sa maina electric de acionare,
motorul electric, actuatorul. Grupul de elemente DC-AEM le gsim n practic sub forma
moto-reductoarelor cu drivere specifice, servomotoarele de curent continuu etc. Sistemele de
ultim or sunt concepute spre a fi interfaate uor cu microcontrolere, cu controlere logice
programabile (PLC) sau cu alte structuri de calculator. Acionrile moderne nu pot fi
concepute fr o gndire sistemic, mecatronic, fr s aib n vedere cele trei componente
de baz: mecanica, electronica i informatica. Soluiile viitorului din domeniul acionrilor
vor fi tot mai complexe astfel c va fi tot mai dificil s le separm n componentele din care
sunt concepute. Pentru a gsi soluia cea mai potrivit pentru o automatizarea trebuie
cunoscui foarte bine parametrii procesului (adesea mecanici) ca apoi s putem decide
modalitatea de realizare a micrilor, sursele de micare, tipul de motor sau actuator,
traductoarele sau senzorii cu care controlm procesul i soluia informatic cea mai simpl i
fiabil. Toate acestea spre a asigura fiabilitatea ntregului sistem de automatizare, reducerea
consumului de energie, mbuntirea randamentelor i a efectelor negative asupra mediului i
a operatorului uman.
1.1.1. Raportarea mrimilor mecanice la arborele motorului
n aplicaiile practice se opereaz cu putere, cuplu, turaii, frecvene etc. O main
electric de acionare (MEA), dup ce este alimentat la tensiunea nominal de lucru
specificat n documentaie, poate porni n gol sau n sarcin. Cnd pornete n gol la axul su
va apare un cuplu rezistent determinat de frecrile n lagrele motorului, frecrile rotorului cu
aerul din zona ntrefierului (spaiul dintre rotor i stator), de elicea care are rolul de a ventila i
rci motorul, figura 7.
-
Figura 7. Maina electric de acionare i mrimile procesului
Prin urmare i la mersul n gol maina electric consum energie iar la cuplul rezistent
care apare corespunde o valoare a turaiei de pe caracteristica natural a mainii. Cel mai
adesea motorul ca surs de micare este urmat de un mecanism de reglare (MR), de o cutie de
viteze, de un reductor. n afar de mainile de rectificat unde vitezele de achiere trebuie s fie
foarte mari i unde dup motor nu avem reductor ci avem un amplificator de turaie, n cele
mai multe cazuri avem nevoie de reducerea turaiei, la fel ca i la automobil. Sistemele
moderne de maini-unelte au la baz sisteme mecatronice care au simplificat foarte mult
partea mecanic, cinematic reglajul parametrilor finali ai procesului, acetia asigurndu-se
electronic i informatic, reglarea turaiei prin reglarea frecvenei tensiunii de alimentare a
motorului. Referina fiind, adesea, prescris printr-un semnal PWM.
Dac analizm structura clasic: motor urmat de mecanism de reglare (MR) observm
c la axul motorului, a mainii electrice de acionare avem turaie mare i cuplu mic. Puterea
motorului va putea fi calculat ca produsul dintre turaia mare i cuplul mic. Dup
mecanismul de reglare vom avea turaie mai mic dect cea a motorului, n schimb vom avea
cuplul mecanic mai mare dect cel de la axul motorului. Cu ct scade turaia, respectiv cu ct
crete cuplul mecanic depinde de raportul de transfer iT. Prin urmare MPI va fi mai mare dect
MM, respectiv nPI va fi mai mic dect nM. Situaia prezentat arat c n realitate mecanismul
de reglare MR este un amplificator de cuplu n detrimentul turaiei. Oricum motoarele au
turaii mari, de obicei peste 1000 rot/min i cuplu insuficient pentru cele mai multe din
procesele industriale aa c mecanismul de reglare rezolv o problem important, acea a
asigurrii unei turaii corespunztoare procesului i un cuplu suficient de mare. n procesul
industrial vom avea o putere dat de produsul dintre turaia i cuplul din proces, mai mic
-
dect puterea de la axul mainii electrice. Apare firesc o pierdere de energie ntre motor i
proces, mecanismul de reglare risipete o parte din aceasta prin nclzire, zgomot, vibraii etc.
n multe cazuri avem, asemenea ca la automobil, un mediu de lubrifiere, un ulei pentru
ungerea componentelor din mecanismul de reglare. Barbotarea acestuia va consuma o parte
din energia care curge de la motor spre proces. Pentru realizarea unor proiecte de
automatizare care s rspund cerinelor tot mai diversificate ale utilizatorilor va trebui ca
dup cunoaterea bun a parametrilor procesului, s pornim de la elaborarea acionrii
electrice sau electro-pneumatic, electro-hidraulic etc. Oricare dintre acestea au la baz un
motor electric. Pentru alegerea celei mai bune soluii de acionare mai cu seam din punct de
vedere al nclzirii motorului, al serviciului de funcionare a acestuia, se face reducerea
mrimilor la arborele motorului. Practic analizm procesul, deducem mrimea turaiilor,
vitezelor, ale cuplului mecanic necesar ca apoi s le calculm valoarea acestora la nivelul
axului motorului. Dup ce tim valorile cuplului i a turaiei la nivelul axului motorului putem
face verificri legate de puterea acestuia. Urmeaz apoi verificrile la nclzire.
n figura ... este prezentat, n principiu, structura unui mecanism de reducere a turaiei,
respectiv de amplificare a cuplului mecanic. ntre motorul electric de acionare (MEA) i
procesul industrial (PI) apar grupuri de angrenaje fiecare oferind un raport de transfer i. La
nivelul unui ax oarecare k vom avea raportul:
k
ki
= 1
Raportul total de transmisie va fi:
,...321 nLn
iiiii =
=
=
Cuplul mecanic redus la axul mainii de lucru va fi:
iMM rLrLred
1=
Unde MrL este cuplul rezistent la axul mainii de lucru, iar randamentul total al transmisiei,
figura 8.
-
Figura 8. Elemente intermediare MEA-PI
n cazul n care procesul industrial l gsim la: macarale, poduri rulante, raboteze,
epinguri etc. Apar micri de translaie. n aceste cazuri este necesar s se raporteze forele i
masele din micarea de translaie, la micarea de rotaie a arborelui motor, determinndu-se
un cuplu rezistent echivalent sau un cuplu de inerie echivalent. n acest caz din condiia
conservrii puterii rezult:
FvM r =
Figura 9. Poziia MEA fa de procesul industrial
Produsul Mrx este puterea la nivelul motorului ca micare de rotaie iar (F)x(v) este
produsul dintre for i viteza de translaie din proces, adic puterea la nivelul procesului.
este randamentul transmisiei.
Respectiv:
=
FvM r
n final avem valoarea cuplului Mr la nivelul axului motorului de acionare.
-
Dup ce am determinat valoarea parametrilor redui la arborele motorului de acionare
se alege un motor din catalogul de produse ale diferitelor firme. Cel mai important document
pentru motor este caracteristica mecanic a acestuia. Dependena funcional =f(M), viteza
unghiular n funcie de cuplul electromagnetic al motorului, reprezint caracteristica
mecanic. Aceste caracteristici, n funcie de scderea turaiei odat cu creterea cuplului, pot
fi: 1 sincron, 2 dur sau rigid i 3 elastic sau moale. Prin modificarea unor parametrii
ai motorului: flux magnetic, frecven, tensiune de alimentare, rezistena rotoric etc. Se pot
obine caracteristici artificiale dorite n diferite cazuri de procese industriale, figura 10.
Figura 10. Caracteristici ale MEA
Caracteristica de tip 1 sincron o gsim n cazul motoarelor sincrone, cum este i
motorul pas cu pas. n acest caz, n limita cuplului de care este capabil motorul, turaia are
aceeai valoare. Caracteristica de tip 2 rigid o ntlnim n cazul mainilor unelte, a roboilor
industriali, a diverselor instalaii industriale unde turaia nu trebuie s se modifice foarte mult
odat cu creterea cuplului rezistent din proces. Caracteristica de tip 3 o ntlnim n cazul
traciunii electrice. n acest caz motorul va avea la axul su un cuplu rezistent dat de ineria
maselor care urmeaz a fi puse n micare i prin urmare va trebui s aib o turaie mic
pentru a demara ncet din starea de repaus iar efectele ineriale asupra pasagerilor sau
pasagerului s fie minime.
Ecuaia general a micrii
Se consider un motor electric cuplat la o main de lucru aa cum reiese din figura 11.
-
Figura 11. Raportarea mrimilor la arborele MEA
Motorul electric ca i convertor electromecanic consum energie electric din reea, o
transform n energie mecanic corespunztoare procesului tehnologic pe care-l deservete
respectiv unitatea de lucru (UL).
S presupunem c toate masele n micare sunt concentrate n volantul V, caracterizat
de momentul de inerie J, cuplul dezvoltat la arborele motorului este m, iar cel rezistent de la
nivelul mainii de lucru este ms.
Acionarea funcioneaz cu regim tranzitoriu, astfel c bilanul energetic evideniaz
energiile astfel:
Energia la arborele motorului
=t
m dmW0
(1)
Energia la arborele ML
=t
sL dmW0
(2)
Energia cinetic a maselor n micare
2
2JWc =
(3)
Avnd n vedere c energia degajat de motor este consumat de ML i masele n
micare, vom putea scrie:
+==t t
sm JdmdmW0 0
2
2
(4)
Pentru a obine bilanul puterilor se va raporta energia la timp (t) i se obine:
-
.2
2
+=
J
dt
dmm s
(5)
respectiv:
.dt
dJmm s
+=
(6)
n situaia n care J este constant (momentele de inerie nu se schimb, distribuia maselor n
jurul axei de rotaie rmne aceeai).
Dac viteza este diferit de zero, prin mprirea ecuaiei cu , se obine ecuaia
general a micrii:
dt
dJmm s
+=
(7)
Se pot distinge urmtoarele situaii:
Momentul de inerie este constant i viteza diferit de zero;
Acionarea se afl, sau nu, n regim tranzitoriu n funcie de valorile cuplului dezvoltat de
motor fa de cuplul opus de ctre sarcin, astfel:
m > ms, atunci d/dt > 0 i acionarea este accelerat;
m < ms, atunci d/dt < 0 i acionarea decelereaz;
m = ms, acionarea este n regim staionar, iar punctul static de funcionare se gsete
la intersecia caracteristicilor mecanice ale motorului (M) i mainii de lucru (MS).
Raportarea mrimilor la arborele motorului
n situaia n care ntre motor i maina de lucru se interpune un mecanism de
transmisie caracterizat de raportul de transmisie i i randamentul , figura 12, ntre energiile
mecanice totale la arborele motorului i la arborele mainii de lucru exist relaia:
sm WW
1=
(8)
dac energia se transmite de la motor spre maina de lucru.
-
Figura 12. Mrimile mecanice MEA-PI
Expresia energiilor totale va fi:
=t
mm JdmW0
2
;2
(9)
unde Jm2/2, reprezint energia cinetic a elementelor mobile ale motorului electric,
cuplajelor, frnelor etc. i care se scade din energia debitat de motor.
+=t
sssm JdmW0
2
;2
(10)
ntre viteze exist relaia:
s = /i (11)
Dac nlocuim n relaia (8) se obine:
++=t t
ss
mi
Jd
i
mJdm
0 0
2
2
2
2
1
2
(12)
Prin derivare n raport cu timpul i n ipoteza Jm = ct., Js = ct i prin mprire prin se obine
ecuaia general a micrii:
dt
d
i
JJ
i
mm sm
s
++=
2
(13)
Comparnd ecuaia (13) cu ecuaia (7) se pot pune n eviden:
cuplul static raportat la arborele motorului
ms red = ms/i;
-
momentul de inerie al mainii de lucru raportat la arborele motorului
Js red = Js/i2;
momentul de inerie total la arborele MEA
J = Jm + Js red.
Este evident c, raportarea vitezei unghiulare i a acceleraiei se face prin
nmulire cu raportul de transmisie:
s red = i s ;
sr = i s ;
Alegerea puterii motoarelor electrice
n cazul unei aplicaii concrete, pentru alegerea puterii motorului electric de acionare,
se pornete de la diagrama cuplului static, reprezentat de variaia acestuia ntr-un ciclu de
funcionare i de la diagrama de variaie n timp a vitezei mainii de lucru.
Diagrama vitezei i acceleraiei mainii de lucru (figura 13) este, de cele mai multe ori,
trapezoidal i este caracterizat de un timp de accelerare ta , un timp de funcionare n
regim staionar ts, un timp de decelerare td i un timp de pauz to.
Diagrama cuplului static poate avea forme relativ complicate dar, de cele mai multe
ori, se echivaleaz cu o variaie n trepte, figura 13.
Figura 13. Caracteristica de vitez i acceleraie
-
Unde:
tl timpul de lucru (timpul n care motorul este cuplat la sursa de alimentare i absoarbe
curent din reea);
tc timpul reprezentnd durata unui ciclu
tc = tl + to (to timpul de staionare, motor nealimentat)
Pentru calculul puterii necesare se determin cuplul static mediu care apare pe durata unui
ciclu de funcionare astfel:
=ct
ssmed dtmM0
c
n
k
ksk
smedt
tM
M
== 1
o
cu condiia ca cuplul static s fie constant pe intervale.
Puterea static medie va fi:
Ps med = Ms med b
Unde b este viteza unghiular la arborele mainii de lucru, cnd motorul funcioneaz pe
caracteristica natural i se numete viteza de baz.
Puterea nominal a motorului electric va trebui s satisfac relaia:
smedNsmed PPP oo 3,11,1 Majorrile care se aplic de 10% pn la 30% in seama de cuplurile dinamice (care apar n
timp ce elementele mainii electrice i ale procesului acionat se afl n micare).
4. Verificarea termic a MEA
O metod general de verificare termic impune obinerea diagramei de sarcin,
reprezentnd variaia n timp a cuplului dezvoltat de motor. Acesta se obine prin rezolvarea,
pe fiecare interval de timp, a ecuaiei generale a micrii:
Mk = Ms r k +J r k ,
n care Ms r k i r k sunt cuplul static i, respectiv, acceleraia corespunztoare intervalului
de timp k, raportate, (reduse) la arborele motorului, iar J este momentul de inerie total,
raportat (redus) la arborele motorului.
Cuplul dinamic:
Md = J
-
Dac raportul dintre cuplul electromagnetic dezvoltat de motor i curentul absorbit,
este aproximativ constant pe ntreaga durat a ciclului de funcionare, verificarea termic se
poate face prin metoda cuplului, echivalent, care se calculeaz cu relaia:
=ct
c
e dtmt
M0
21
c
n
k
kk
et
tM
M
=
= 1
2
dac cuplul este constant pe intervale.
Motorul electric se consider verificat din punct de vedere termic dac:
Mc < MN,
Unde
MN = PN/N,
Este cuplul nominal al motorului.
Se impun urmtoarele precizri:
n funcie de specificul acionrii (serviciul nominal tip al ME, serviciul n care este
utilizat, condiiile de mediu etc.), problematica verificrii termice poate fi mai complex;
este necesar i verificarea la suprasarcin mecanic:
Mmax Mad
Pentru motoarele asincrone i, respectiv,
Imax Iad
Pentru motoarele de curent continuu, Mmax, Imax sunt cuplul maxim i, respectiv
curentul maxim, rezultate din diagrama de sarcin, iar valorile admisibile Mad, Iad sunt date
care se pot obine din catalogul motorului electric.
EXEMPLE REZOLVATE
E1. La un strung se execut prelucrarea unei piese de font. La arborele principal al strungului,
care se rotete cu 20 rot/min, rezult cuplul produs de mecanism MR4 = 4120 Nm.
ntre arborele principal i maina electric de acionare, care are turaia de 960 rot/min,
sunt intercalate patru angrenaje de roi dinate, fiecare angrenaj avnd randamentul 0,95.
Se dau urmtoarele valori:
J = 0,6 kgm2; n = 960 rot/min; J1 = 0,25 kgm2 - n1 = 360 rot/min;
J2 = 0,625 kgm2 - n2 = 180 rot/min; J3 = 0,625 kgm2 - n3 = 60 rot/min;
-
J4 = 100 kgm2 - n4 = 20 rot/min;
S se calculeze:
a - momentul de inerie echivalent raportat la arborele mainii electrice;
b - cuplul i puterea necesare pentru acionare;
c - durata opririi n ipoteza c s-ar ntrerupe alimentarea mainii electrice n timpul strunjirii.
Rezolvare:
a - Momentul de inerie echivalent se calculeaz cu expresia (1.46), innd cont c n
n
1 1=
etc.
J J Jn
nJ
n
nJ
n
nJ
n
n
kgm
e = +
+
+
+
=
= +
+
+
+
=
11
2
22
2
33
2
44
2
2 2 2 220 6 0 25
360
9600 625
180
9600 625
60
960100
20
9600 703, , , , ,
b - Cuplul raportat la arborele mainii electrice se calculeaz din relaia (1.36):
M Mi
NmR R= =
=
=44
1 4120960
200 95
4120
48 0 8145105 4
, ,,
Puterea necesar pentru acionare va fi:
P M WR R= =
=2 960
60105 4 10596
,
c - Maina electric nefiind alimentat, se consider n ecuaia (1.18) cuplul M = 0. Rezult:
t Jd
MJ
Mse
R
e
R
RR
= = = =
0 703100 53
105 40 67
0
,,
,,
E2. Un mecanism execut ridicarea unei piese de mas m = 5000 kg cu viteza v = 15 m/min.
Turaia mainii electrice de acionare este n = 960 rot/min i randamentul total al transmisiei
este = 0,8.
S se calculeze:
a - momentul de inerie echivalent Je al piesei de mas m;
b - cuplul rezistent raportat la arborele mainii electrice;
c - puterea necesar pentru ridicare;
d - cuplul motor mediu Mp necesar pentru pornirea n timpul tp = 1,4 s, tiind c momentul de
inerie echivalent al pieselor n micare de rotaie este Je = 0,85 kgm2.
Rezolvare:
Cu ajutorul relaiilor (1.49) i (1.38) se obine:
-
a - J kgme
' ,=
=5000
15
60
30
9600 0309
22
,
respectiv
b - M NmR =
=
9 81 5000 15 30
0 8 960 60152 5
,
,,
c - Puterea mecanic pentru ridicare va fi:
P M WR R= =
= 152 5960
3015331,
d - Pe baza ecuaiei (1.18), tiind c cuplul de pornire Mp se consider constant i egal cu
valoarea medie, se obine timpul de pornire:
tJ
M Md
J
M Mp p R
R
p R
R
=
=
0
de unde:
( )M
J
tM
J J
tMp
R
p
R
e e R
p
R= + =+
+
' ' '
nlocuind valorile numerice rezult:
( )M Nmp =
+
+ =
0 85 0 0309 960
1 4 30152 5 215 7
, ,
,, ,
E3. O acionare cu mecanism biel-manivel are urmtoarele date:
r = 0,25 m, l = 1,25 m, a = 0,55 m, b = 0,70 m, J1 = 1 kgm2,
m2 = 23,5 kg, 1 = 18,9 rad/s, J kgm23 23 10= , m3 = 49 kg.
S se calculeze i s se reprezinte grafic variaia momentului de inerie total echivalent Je i a
componentelor sale, raportate la arborele manivelei.
Rezolvare:
Calculele se efectueaz cu ajutorul relaiilor (2.58), (2.62), (2.63), (2.64), (2.65), (2.66). Pe
baza ecuaiilor obinute s-au reprezentat curbele din figura 1, notate cu 1,2,3 i 4 n ordinea
termenilor din partea dreapt a egalitii (2.58). Cu cifra 5 s-a notat curba momentului de
inerie total echivalent, Je = f().
-
Figura 14. Curbele de variaie ale momentului de inerie i componentelor sale
n cazul mecanismului biel-manivel
Alegerea motorului de acionare
n cazul motorului de curent continuu, la alegerea acestuia pentru acionare se pornete
de la procesul industrial acionat. Acesta poate impune un motor cu caracteristic rigid sau
elastic. Se poate recurge la motor cu excitaie derivaie sau cu excitaie serie. n cele mai
multe cazuri de aplicaii industriale ntlnim motorul de curent continuu cu excitaie derivaie
(paralel). Excitaia (statorul) mainii poate fi o inductan (o bobin) sau un magnet
permanent. n cazul acionrilor de puteri mici, unde i gabaritul este o problem, se folosesc
tot mai mult motoarele cu excitaie derivaie magnet permanent. Realizrile tehnologice n
domeniul magneilor ca densitate de putere raportat la gabarit, au dus la folosirea pe scar
larg a acestor tipuri de motoare n cazul roboilor, tehnica medical, mainilor unelte, a mini
roboilor pentru concursuri etc.
n continuare vor fi prezentate elementele care se vor avea n vedere la proiectarea
unei acionri cu un astfel de motor.
Cuplul, viteza, puterea i energia
Cuplul mecanic luat n considerare este cuplul de torsiune dat de fora pe care motorul
o poate dezvolta la anumite valori ale razei de aciune fa de axul de rotaie al acestuia. De
exemplu, un cuplu de 1Nm este dat de o for de 1N care acioneaz la o raz de 1m fa de
axul de rotaie a motorului, figura 56. Greutatea este G = m g, cuplul de torsiune va fi
T=Gr. Cu ct raza la care motorul trebuie s dezvolte cuplul, este mai mare cu att cuplul
dezvoltat va fi mai mic. Cu ct motorul va aciona la raz mai mic, cuplul va fi mai mare.
-
Relaia cuplu T turaie ( = 2n/60) se deduce din puterea P = T. La o putere dat a
motorului, de exemplu 12W putem avea turaie mare i cuplu mic sau turaie mic i cuplu
mare. De obicei motoarele au turaii mari (peste 2000 rot/min), n procese fiind nevoie de
turaii de aproximativ de 10 ori mai mici, 200 rot/min. Aceast situaie ne este favorabil,
reducem turaia i cretem cuplul n limitele aceleai puteri P. Prin urmare puterea este cel
mai important parametru de care se ine seama la alegerea unei acionri.
Figura 15. Cuplul mecanic de rotaie
Dac motorul are putere mai mare dect cea necesar n proces (o parte din putere se
pierde prin transferul energiei de la motor la proces prin nclzire, vibraii, zgomote, frecri cu
aerul i n lagre etc.) atunci acesta va putea asigura acionarea la cuplurile i turaiile
necesare.
Aa cum se tie de la fizic fora de 1N este egal cu masa de 1Kg nmulit cu
acceleraia, m/s2.
1 1 2 Puterea de 1W va fi egal cu energia de 1 Joule consumat timp de o secund.
1 1 Dac considerm motorul electric cu excitaie derivaie alimentat la tensiune V, prin
indusul (rotorul) acestuia va trece un curent I, R rezistena echivalent a rotorului, e
tensiunea contra-electromotoare, puterea electric consumat de motor va fi:
-
Figura 16. Transmiterea puterii din electric-mecanic
De la fizic se tie c:
1 1 1 1 1 1, Motorul este un convertor electromecanic, la axul acestuia vom gsi mrime mecanic,
puterea mecanic, Pm, obinut din cea electric. . 2! 1 2!1 11 1 11
Pm=Pe.
Datorit faptului c puterea este energia raportat la timp, nseamn c 1 Joule de
energie poate fi exprimat n dou moduri: ca i Newton metru sau ca i CoulombVolt.
Rotorul fiind supus tensiunii V i avnd rezistena R, va fi parcurs de un curent I care,
datorit comutaiei la periile colectoare ale rotorului va fi variabil, di/dt, rotorul fiind o bobin
i avnd o inductan L. Tensiunea pe rotor va fi v=Ldi/dt.
Cu ct turaia rotorului crete, acest lucru se ntmpl cnd motorul este pus sub
tensiune, crete numrul de treceri ale periilor colectoare pe colectorul motorului, crete
frecvena comutaiei i astfel crete tensiunea contra-electromotoare. Aceast tensiune are
sens opus tensiunii de alimentare V iar creterea ei datorit creterii turaiei va duce la
limitarea curentului prin rotor care are rezistena R. Scderea curentului I prin rotor va duce la
scderea fluxului i, implicit la scderea cuplului mecanic dezvoltat de motor. Se ajunge,
-
astfel la relaia turaie-cuplu, creterea turaiei este nsoit de scderea cuplului. Tensiunea de
alimentare V se va regsi n cderea de tensiune pe rotor i tensiunea contra-electromotoare e. " # Cnd turaia este zero-motorul nu se rotete e=0V iar curentul prin rotor va fi egal cu
V/R. Acesta este curentul de care are nevoie motorul s porneasc din poziia de repaus, cnd
turaia este zero sau motor blocat IS.
$ " Pe msur ce turaia motorului crete, tensiunea contra-electromotoare crete
proporional cu turaia, % Ke se numete constanta tensiunii contra-electromotoare.
Putem scrie relaia ntre tensiunea de alimentare V i turaia rotorului mainii de curent
continuu cu excitaie derivaie magnet permanent: " # % Creterea cuplului rezistent la axul motorului va duce la creterea proporional a
curentului cu constanta de proporionalitate Kt. & nlocuim curentul I cu I=Kt/I n relaia precedent obinem:
"& # % Putem considera constantele Kt i Ke avnd aceeai valoare.
Putem scrie ecuaia puterilor: ' % ( )" Unde se poate vedea c puterea mecanic dezvoltat de motor, Pm este egal cu puterea
electric, Pe din care se scade pierderea prin efect Joule n rezistena electric a nfurrii din
rotor.
Sau, ( )R nlocuind cuplul T i tensiunea V cu expresiile anterioare obinem: & +" # % , ( )R
Considernd, & %
-
Obinem relaia ntre tensiunea electric de alimentare V, cuplul mecanic T i viteza
unghiular :
" # Vom exprima viteza unghiular n funcie de cuplu i vom obine:
(") # Din aceast relaie se poate vedea caracteristica mecanic =f(T), viteza de rotaie
funcie de cuplul mecanic la arborele motorului, ca fiind o relaie liniar (o dreapt) cu panta
negativ (-R/K2).
n figura 58 sunt prezentate mai multe caracteristici pe acelai grafic. Pe axa vertical
avem randamentul , puterea P, curentul I i turaia N. Caracteristica mecanic de baz, relaia
turaie-cuplu, N = f(T), este aa cum s-a obinut matematic, o caracteristic liniar cu panta
negativ. La cuplu zero vom avea turaia maxim N0 iar la cuplul maxim TS vom avea turaie
zero, motor blocat mecanic, moment n care curentul absorbit de motor va avea valoarea
maxim IS. La mersul n gol, turaia va fi maxim N0 iar curentul absorbit va fi minim i egal
cu I0. Pentru o valoare oarecare T1 a cuplului mecanic vom avea valoarea corespunztoare a
turaiei N1. Pentru acest cuplu rezistent, pe dreapta curentului gsim valoarea I1, pe curba
puterii gsim punctul P1, iar pe curba randamentului, punctul 1. Din grafic se pot vedea
situaiile n care avem randamentul maxim i puterea maxim.
-
Figura 17. Caracteristicile turaie-cuplu-putere pentru motorul de c.c.
Caracteristica turaie-cuplu este liniar cu panta negativ iar caracteristica curent-
cuplu va fi o dreapt cu panta pozitiv, cu ct crete cuplul rezistent la axul motorului va
crete curentul absorbit de acesta.
n continuare vom explica relaiile ntre mrimile mecanice i electrice care apar pe
graficul din figura 58. Deoarece puterea este: ' Dac nlocuim cu valoarea dat de expresia
(") # Vom obine:
' (- "). ) # VKT Care este o parabol cu ramurile n jos, cu un maxim la valoarea Pmax.
inem seama c viteza unghiular n funcie de frecvena de rotaie f este 2!2 2 60
-
Frecvena se msoar n Hz i arat numrul de cicli pe secund, cte rotaii complete execut
rotorul motorului ntr-o secund.
2!60 " Valoarea turaiei N apare n expresia vitezei unghiulare .
Figura 18. Puterea mecanic maxim
Pentru a nelege mai bine puterea mecanic, n figura 59 este prezentat relaia
turaie-cuplu prin aria unor dreptunghiuri, cu laturile turaia i cuplul, vrfurile de pe dreapta
turaie-cuplu sunt: A, B, C, D. Suprafaa cea mai mare o va avea dreptunghiul format de
turaia la putere maxim NPmax i cuplul mecanic la putere maxim TS/2.
Din relaia
(") # La mersul n gol cnd cuplul rezistent este egal cu zero vom obine:
'56
-
Curentul I va avea valoarea I0, o valoare mic determinat de frecrile n lagre, frecrile cu
aerul, ventilaia intern etc.
Valoarea maxim a cuplului mecanic va fi atunci cnd acesta are valoarea TS, cnd
turaia tinde spre zero iar curentul crete la valoarea IS astfel c
$ " Deoarece la cuplul maxim turaia fiind zero, curentul are valoarea V/R.
Valoarea maxim a puterii mecanice se poate determina pornind de la expresia de
gradul 2 prin derivare i egalnd derivata cu zero, astfel: ' 0 (2") # Din care dac scoatem cuplul mecanic T obinem:
2" Care ne arat c la putere mecanic maxim valoarea cuplului mecanic va fi:
12'56 Expresia vitezei unghiulare poate fi scris i astfel:
( ")2" # 2 Sau
12 '56 Iar puterea maxim va fi:
' 14 '56'56 Din punct de vedere al randamentului acesta nu va avea valoarea maxim la putere
mecanic maxim ci la o valoarea mai mic a cuplului i turaiei.
Randamentul maxim se obine cu relaia:
8'56 91 ( :;$ IA,
Prin urmare relaia caracteristicii naturale turaie funcie de cuplu va fi:
KKK
MR
K
Un
ME
A
E
A
2
=
Relaia final a caracteristicii naturale turaie funcie de cuplul mecanic va fi, figura 32:
= Knn 0
-
Figura 38. Caracteristica natural a mainii de curent continuu cu excitaie derivaie
Caracteristica natural a mainii de curent continuu cu excitaie derivaie este liniar cu panta
negativ egal cu (K). Aceasta nseamn c avem o caracteristic cu panta negativ ceea ce
nseamn c odat cu creterea cuplului rezistent, la arborele mainii turaia va scdea cu o
valoare dependent de panta caracteristicii, de rigiditatea caracteristicii.
Figura 39. Schema conexiunii serie a motorului de cc cu excitaie serie
Figura 40. Caracteristica turaie cuplu
n cazul mainii de curent continuu cu excitaie serie caracteristica mecanic este
elastic, ceea ce nseamn c odat cu creterea cuplului rezistent la arborele motorului turaia
scade cu valori din ce n ce mai mari funcie de elasticitate.
-
Figura 41. Comanda start-stop i schimbarea sensului
Figura 42. Comanda START-STOP, circuitul de for i de comand
-
Figura 43. Comanda START-STOP, comanda rotaiei ntr-un sens
-
Figura 44. Comanda START-STOP, comanda rotaiei n sens opus
Figura 1 1
Figura 45. Circuitul de for-punte simpl, pentru MCC
Figura 46. Circuitul de for i de comand, rotaia ntr-un sens
-
Figura 47. Circuitul de for i de comand, rotaia n sens opus
Figura 48. Circuitul de for i comand, varianta 2
-
Figura 49. Circuitul de for i comand, varianta 2 sensul de rotaie 1
Figura 50. Circuitul de for i comand, varianta 2 sensul de rotaie 2
-
Figura 51. Puntea H
A 0 -> 1 + B 0-> 2
A 0 -> 1 + B 0-> 1 STOP
A 0 -> 2 + B 0-> 1
A 0 -> 2 + B 0-> 2 STOP
All OFF = STOP
1+4 ON =
2+3 ON =
1+3 ON = STOP
2+4 ON = STOP
1+2 ON
3+4 ON
-
Figura 52. Puntea H, circuitul de for i de comand
-
Figura 53. Puntea H, circuitul de for i de comand, rotaia ntr-un sens
Figura 54. Puntea H, circuitul de for i de comand, rotaia n sens opus
Figura 55. Motorul de curent continuu alimentat de la dou surse
-
Figura 56. Circuitul de for reprezentat n FluidSim
Figura 57. Circuitul de for reprezentat n FluidSim, rotaia n sens opus
Figura 58. Motorul de curent continuu alimentat de la dou surse
Figura 59. Circuitul de for i de comand MCC alimentat de la dou surse
-
Figura 60. MCC alimentat de la dou surse, rotaia ntr-un sens
Figura 61. MCC alimentat de la dou surse, rotaia n sens opus
Comutaia se poate realiza cu elemente electrodinamice de tipul contactoarelor,
releelor sau al tranzistorilor de comutaie, de putere corespunztoare, figura 56. Sarcina poate
-
fi bobina unui releu sau chiar rotorul motorului de curent continuu. Poziia sarcinii fa de
elementul activ depinde de tipul tranzistorului PNP sau NPN.
Figura 62. Comutaia dinamic, comutaia static
1.1.4. Acionri cu motorul pas cu pas
Problematica acionrilor electrice cu motor pas cu pas
Motoarele pas cu pas sunt motoare sincrone speciale, adaptate funcionrii discrete.
nfurrile fazelor sunt alimentate cu impulsuri de curent. Se produce un cmp magnetic
nvrtitor a crui ax ocup numai anumite poziii, ceea ce determin rotorul s ocupe anumite
poziii discrete. Pasul motorului reprezint trecerea de la o poziie la alta i se face sub
influena schimbrii repartiiei discrete a cmpului magnetic. Motorul pas cu pas poate fi
privit ca un convertor discret impuls/deplasare.
Din punct de vedere al construciei circuitului magnetic motoarele pas cu pas se
clasific n:
motoare pas cu pas cu magnet permanent n rotor (rotor cilindric/rotor disc)
motoare pas cu pas cu reluctan variabil (rotor cilindric din tole, dinat)
motoare pas cu pas hibride (cu magnet permanent i reluctan variabil)
Motorul cu magnet permanent are uzual patru faze - opt poli apareni n stator i unul
sau mai muli magnei n rotor. Pentru simplificare prezentm grafic cazul motorului cu patru
faze: A, B, C i D, constituind patru poli decalai cu 900 i un magnet n rotor.
La motorul unipolar curentul prin bobinele motorului este asigurat doar ntr-un singur
sens. n figura 2.1 este reprezentat grafic modul de comand al motorului n secven simpl.
La un moment dat este activat doar o bobin care creeaz un cmp magnetic echivalent unui
magnet ce are polul nord spre rotor. Polul nord creat de bobin atrage polul sud al magnetului
din rotor (vrful acului). La primul pas este activat bobina A, polul sud al magnetului fiind
-
orientat spre bobina A. Dac dorim ca motorul s se roteasc n sens orar la urmtorul pas se
activeaz bobina B i se dezactiveaz bobina A, motorul se rotete n sens orar cu un unghi de
900. Dac dorim s se roteasc n sens antiorar la urmtorul pas se activeaz bobina D i se
dezactiveaz bobina A. Secvena pentru sens orar va fi: A-B-C-D iar pentru sens antiorar
secvena va fi A-D-C-B, dup cum se poate vedea i n figura 2-1.
Modul de comand simpl pentru motorul pas cu pas unipolar
Figura 63. Pirea normal, secven simpl
Figura 64. Distribuia impulsurilor pe bobinele MPP
Figura 0-65. Curenii prin bobine pentru secvena simpl de comand a motorului
unipolar
n cazul secvenei duble de comand a motorului unipolar sunt activate dou faze
simultan, de exemplu faza A i B pentru pasul 1. Polul sud al magnetului va fi poziionat de
data aceasta ntre cei doi poli. La urmtorul pas se activeaz faza C i se dezactiveaz faza A,
rotirea este de 900 n sens orar. n figura 2-3 se prezent figurativ comanda dubl pentru
rotirea n sens orar, secvena fiind: AB-BC-CD-DA.
Modul de comand dubl pentru motorul pas cu pas unipolar
D
C
B
A
1 32 14 32 14 4 23 341 12
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
-
Figura 66. Rotirea MPP unipolar n cazul secvenei duble
n cazul comenzii duble cuplul dezvoltat este mai mare dect n cazul comenzii simple,
dar consumul este dublu. n cazul comenzii n secven mixt, pasul va fi de 450, o rotaie
complet se efectueaz n opt semipai. Pentru rotirea n sens orar secvena mixt va fi: A-
AB-B-BC-C-CD-D-DA, iar n sens antiorar secvena va fi A-AD-D-DC-C-CB-B-BA. Cuplul
dezvoltat nu este constant pentru acest tip de comand.
Pentru motorul bipolar se asigur curent n ambele sensuri prin bobinele motorului. n
felul acesta se poate crea att polul nord ct i polul sud la captul dinspre rotor al bobinei.
Bobinele sunt grupate dou cte dou, fiind legate fie n serie fie n paralel. Vom avea patru
borne disponibile. Pentru figura 2-4 s-a fcut urmtoarea convenie: bobinajul care creeaz
polul nord este de culoare roie, iar bobinajul care creeaz polul sud este de culoare albastr.
Deplasarea unghiular a rotorului este la fel ca n cazul motorului unipolar, dar cuplul
dezvoltat este mai mare.
Modul de comand simpl pentru motorul pas cu pas bipolar
Figura 67. Rotirea MPP unipolar n cazul comenzii simple
-
Figura 68. MPP bipolar, curenii prin bobine la secvena simpl
n cadrul secvenei duble de comand a motorului bipolar n fiecare moment sunt
active toate bobinele, avem cuplul maxim dezvoltat la arborele motorului i maximum de
consum.
n cazul comenzii n micropai curentul prin bobinele motorului are i alte valori dect
valorile nominale (cazul comenzii simple sau duble). Compunerea forelor cu care acioneaz
cmpul magnetic produs de trecerea curentului prin bobinele motorului asupra rotorului
determin rotorul s ocupe i poziii intermediare. Pentru motorul bipolar cu magnei
permaneni, prezentat prin simplificare n figurile anterioare, exemplificm n cele ce urmeaz
compunerea forelor pentru diferite moduri de comand a motorului.
Figura 69. MPP bipolar, secvena simpl, compunerea forelor la fiecare pas
A-C
B-D
21 43 321 14 34 412 23 1
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
A-C
B-D
1 2 3 4 1 2 3 4 1 4 3 2 1 4 3 2 1
Rotire dreapta ( CW ) Rotire stnga ( CCW )
1
2
3
4
-
Figura 70. MPP bipolar, secvena dubl, compunerea forelor la fiecare pas
Figura 71. MPP bipolar, secvena mixt, compunerea forelor la fiecare pas
Figura 72. MPP unipolar, comanda liniar prin pai, compunerea forelor
B-D
A-C
321 214 43 1 234 41 123
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
2
14
3
A-C
21
B-D
43 765 818 67 345 12
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
1
3
2
6 5 4
8
7
21 543 76 218 5 4 37 6 18
B-D
A-C
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
1
3
2
4
5
7
6
8
-
Figura 73. MPP bipolar, comanda liniar prin pai, compunerea forelor
Pentru comanda cu pas ntreg, figurile 2-6 i 2-7, fora cea mai mare se obine la
comanda dubl. Pentru comanda cu jumtate-pas, figurile 2-8, 2-9 i 2-10, for constant se
obine la comanda sin-cos.
Figura 74. Cronogramele curenilor prin bobine, comand liniar prin pai
Figura 75. Cronogramele curenilor prin bobine, comand sin-cos prin pai
1 432 65 187 4 3 26 5 18 7
A-C
B-D
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
2
1
3
5
7
8
6 4
9 121110 1413 11615 12 11 1014 13 916 15
Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )
21 43 765 3 28 5 48 7 6 1
B-D
A-C
Rotire dreapta ( CW ) Rotire stnga ( CCW )
109 1211 151413 10116 12 1115 14 131 91632 654 287 4 37 6 5 18
B-D
A-C
-
Figura 76. Comanda prin micropai, compunerea forelor
i la comanda 1/4 pas forele sunt constante dac prin bobinele motorului curenii au form sinusoidal. Micornd i mai mult micropasul aproximarea sinusului devine tot mai
bun, salturile sunt din ce n ce mai mici, motorul se rotete din ce n ce mai lin, asemntor
motorului de curent continuu. Cu ct paii sunt mai mici, cu att fenomenul de oscilaie
mecanic se diminueaz. Alimentnd puntea H la tensiune mare i controlnd curentul prin
bobinele motorului se pot obine viteze de rotaie, fr pierderi de pai, mult mai mari dect la
alimentarea cu tensiune nominal.
Motorul cu reluctan variabil are rotorul cu crestturi, cu un anumit numr de dini,
pe stator fiind plasate bobinele care creeaz un numr de poli magnetici. n figura 2-14 este
prezentat seciunea printr-un motor cu patru faze, opt poli i ase dini rotorici. Circuitul
magnetic tinde s se nchid pe drumul cu reluctan minim. Forele care apar tind s reduc
reluctana la minim, componenta tangenial determinnd rotirea motorului. Distana
unghiular dintre doi poli este: 3600/8=450, iar distana dintre doi dini rotorici este de:
3600/6=600. Rezult unghiul efectuat la deplasarea cu un pas: p=600-450=150. De remarcat
c rotorul se nvrte n sens invers cmpului magnetic nvrtitor.
2
1
5
4
3
7
6
10
9
8
13
12
11
15
14
5
16
12
6
4
3
8
711
109
14
13
12
16
15
Comanda sin-cosComanda liniara
-
Figura 77. MPP cu reluctan
Figura 78. For
Motorul hibrid (cu magnet permanent
aplicaiile industriale, varianta cea mai r
decalai. n figura 2-16 se observ
alctuite din tole feromagnetice. n figura 2
rotoare, seciunea X-X' fiind cu linie continu
sunt legate dou cte dou n serie, n figura prezentat
. MPP cu reluctan variabil, pirea n sens antiorar
. Forele care apar la activarea bobinelor
Motorul hibrid (cu magnet permanent i reluctan variabil) este cel mai utilizat n
iile industriale, varianta cea mai rspndit este cu un stator i dou rotoare cu din
16 se observ magnetul permanent dispus axial i cele dou
tuite din tole feromagnetice. n figura 2-17 se observ decalajul dintre din
X' fiind cu linie continu, iar seciunea Y-Y' cu linie ntrerupt
n serie, n figura prezentat bobina fazei A este activ
) este cel mai utilizat n
rotoare cu dini
i cele dou rotoare
e dinii celor dou
Y' cu linie ntrerupt. Bobinele
bobina fazei A este activ. Circuitul
-
magnetic se nchide de la miezul bobinei c
magnetul permanent i rotorul din stnga, la miezul bobinei care creeaz
cu reluctan minim. Fiecare rotor are cinci din
de dini Zr=10. Numrul de faze fiind m=2, rezult
Figura 79. Motorul pas cu pas hibrid
Figura 80. Motorul pas cu pas hibrid
Pentru rotire n sens orar, secven
faza B, apoi faza A cu semn schimbat
magnetic se nchide de la miezul bobinei care creeaz polul nord, prin rotorul din dreapta, prin
i rotorul din stnga, la miezul bobinei care creeaz polul sud, pe traseul
. Fiecare rotor are cinci dini, ceea ce echivaleaz cu un rotor cu num
rul de faze fiind m=2, rezult unghiul de pas:
(2.1)
. Motorul pas cu pas hibrid-seciune longitudinal
. Motorul pas cu pas hibrid-seciune transversal
Pentru rotire n sens orar, secvena simpl de comand, la urmtorul pas se activeaz
faza B, apoi faza A cu semn schimbat i la pasul al patrulea se activeaz faza B cu semn
polul nord, prin rotorul din dreapta, prin
polul sud, pe traseul
cu un rotor cu numrul
torul pas se activeaz
faza B cu semn
-
schimbat conform diagramelor prezentate n figura 2-6. Pentru celelalte tipuri de comand se
respect diagramele din figurile 2-7......2-12.
Varianta constructiv cea mai rspndit pentru motorul hibrid este cu un singur stator
cu opt poli apareni i dou rotoare cu 50 dini fiecare, un rotor fiind polul nord al magnetului
permanent, iar cellalt rotor fiind polul sud. Fiecare pol are 5 dini iar dinii celor dou rotoare
sunt decalai. Se asigur n acest fel o rotaie cu 1,80 la fiecare pas. n figura 2.18 este
prezentat fotografia motorului pas cu pas hibrid folosit n lucrrile experimentale i simbolul
electric creat n programul de editare grafic a schemelor electrice. n partea de jos se prezint
fotografia unui motor similar, desfcut.
Motorul are opt bobine fizice, dou cte dou nseriate n interior. Rezult patru
bobine disponibile n exterior prin fiecare capt, total opt fire. n felul acesta poate fi legat n
trei moduri: unipolar, bipolar serie, bipolar paralel. Culorile sunt : A- maro, B- Rou, C-
Portocaliu, D- Galben; A', B', C', D' sunt de culoarea respectiv cu alb.
Figura 81. Exemplu de MPP-modelul RS 340-3733
-
Pentru comanda motorului avem nevoie de comutatoare care s asigure o anumit
secven pentru curenii care circul prin bobine. Diodele sunt necesare pentru a elimina
energia nmagazinat n cmpul magnetic creat de bobin, n situaia n care comutatorul se
ntrerupe (asigur cale de circulaie a curentului, deoarece curentul prin bobin nu trebuie
ntrerupt brusc). Pe parcursul acestei lucrri le vom numi "diode de drum liber". n figura 2-19
este prezentat varianta cea mai simpl pentru schema electric a circuitului de for pentru
comanda motorului pas cu pas unipolar. Se asigur curent doar ntr-un sens prin fiecare
bobin dac este nchis comutatorul asociat. Cnd comutatorul se deschide curentul bobinei
respective continu s circule prin dioda de "drum liber" pn se elimin energia
nmagazinat n cmpul magnetic al bobinei. Acest circuit se folosete n cazul alimentri cu
tensiune nominal. Varianta din figura 2-20 se folosete cu precdere la alimentare cu
tensiune mare i controlul curentului prin tehnica impulsurilor modulate n durat.
Figura 82. Comanda MPP n conexiune unipolar
Figura 83. Comanda MPP cu nfurri separate
A' C'
D1 D2 D3 D4
SW1 SW2 SW3 SW4Valimentare
1
23
4
5 6 7 8
Conexiune unipolar
C'
A'
com
D'
B'
B' D' com
D
C'
C
A
D2
SW2
Valimentare
1
23
4
5 6 7 8
motor unipolar "8 FIRE"
A'
B'
A
D'
A'
D1
SW1
B
D4
SW4
B'
D3
SW3
C
D6
SW6
C'
D5
SW5
D
D8
SW8
D'
D7
SW7
B
-
Figura 84. Comanda MPP n conexiune bipolar serie
Figura 85. Comanda MPP n conexiune bipolar paralel
Comanda motorului pas cu pas n conexiune bipolar paralel
n prezent cele mai folosite comutatoare sunt:
tranzistoarele bipolare n cazul motoarelor de mic putere, unde curenii sunt mici i
tensiunea de alimentare este mic
tranzistoarele MOS n cazul motoarelor de putere mare, unde cureni sunt mari i
tensiunea de alimentare este mic (pn n 100 V)
tranzistoarele IGBT n cazul motoarelor de putere mare, unde cureni sunt mari i
tensiunea de alimentare este mare (peste n 300 V)
Pentru motoarele de putere mic se gsesc circuite integrate care asigur comanda i
controlul motorului, singure sau prin interfaare cu un microprocesor / microcontroler.
Pentru motorul hibrid prezentat mai sus s-au folosit n circuitele experimentale
comutatoare de tip NMOS (tranzistor cu efect de cmp Metal Oxid Semicondutor cu canal
indus de tip N), produse de firma International Rectifier, codul IRF1010Z. Tranzistorul este
comandat cu o tensiune aplicat ntre gril (G) i surs (S).
Avem patru situaii posibile n funcionarea pe post de comutator:
D5
D6
D7
D8
SW5
SW6
SW7
SW8
1
23
4
5 6 7 8
Conexiune bipolar serie
B
C
A
D
A C B D
D1
D2
D3
D4
SW1
SW2
SW3
SW4
Valimentare
D5
D6
D7
D8
SW5
SW6
SW7
SW8
A BC D
D1
D2
D3
D4
SW1
SW2
SW3
SW4
Valimentare
1
23
4
5 6 7 8
Conexiune bipola
top related