UNIVERSITATEA ,,OVIDIUS” CONSTANŢA

FACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ,

INDUSTRIALĂ ŞI MARITIMĂ

SPECIALIZAREA ENERGETICĂ INDUSTRIALĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

Acţionarea electrică cu motorul de curent

continuu a mecanismelor unei macarale portuare.

COORDONATOR ŞTIINŢIFIC:

Ş. l. dr. ING. BUCUR COSMIN

ABSOLVENT:

PETRE Ş OANA

-IULIE -2010-

1

Cuprins

2

Cap. 1 Generalităţi. Maşina de curent continuu.

1.1. Definiţii. 4

1.2.Elemente constructive şi funcţionale.

5

1.3. Principiul de funcţionare. 9

1.4. Regimuri de funcţionare. 10

1.5. Reacţia de indus. 11

1.6. Comutaţia. 14

1.7. Funcţionarea în regim de motor. 18

I.7.1. Motorul de curent continuu cu excitaţie independentă (sau derivaţie). 18

I.7.2. Motorul de curent continuu cu excitaţie în serie. 22

I.7.3. Motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă. 25

Cap. 2 Sisteme de acţionare.

2.1. Structura şi clasificarea sistemelor de acţionare electrică. 26

2.2. Cinematica acţionărilor electrice. 30

2.3. Dinamica acţionărilor electrice. 33

2.3.1. Ecuaţia mişcării. 34

2.3.2. Raportarea la un arbore. 36

Cap. 3 Consideraţii asupra macaralelor.

3.1. Clasificarea macaralelor. 41

3.2. Regimurile de lucru ale macaralelor. 43

3.3. Mecanisme principale ale macaralelor. 46

3.3.1. Mecanisme de ridicare a sarcinii. 46

3.3.2. Mecanisme pentru înclinarea braţelor. 56

3.3.3. Mecanisme de translaţie. 59

3.3.4. Mecanisme de rotire. 64

3.4. Sisteme de frânare electrică folosite la acţionarea mecanismelor macaralelor. 66

3.4.1. Frânarea electrică la sistemele de acţionare cu motoare derivaţie de c.c. 67

3.5. Comanda acţionării electrice a macaralelor. 71

3.5.1. Scheme de comandă în c.c. Scheme de comandă a mecanismelor de ridicare. 72

3

3.5.2. Scheme de comandă în c.c. Scheme de comandă a mecanismelor de translaţie. 79

Cap. 4 Variatoare pentru motoare de curent continuu. 82

1. GENERALITĂŢI. MAŞINA DE CURENT CONTINUU.

1.1. Definiţii.4

Maşina de curent continuu este un sistem de conversie electromecanică a energiei

care, prin intermediul câmpului electromagnetic, transformă energia mecanică în energie

electrică de curent continuu sau invers, energia electrică de curent continuu în energie

mecanică.

Statorul îndeplineşte funcţia de inductor, iar rotorul reprezintă indusul maşinii.

Tensiunile electromotoare induse în bobinele înfăşurării indusului sunt redresate prin

intermediul comutatorului solidar cu rotorul, şi prin perii (solidare cu statorul) care calcă

pe acest comutator. Sistemul comutator - perii oferă posibilitatea transformării energiei

mecanice în energie electrică de curent continuu sau invers.

În practică sunt folosite mai ales maşinile de curent continuu hetero - polare (la

acestea câmpul magnetic inductor are o variaţie periodică în întrefier, în lungul periferiei

indusului), în timp ce maşinile homopolare sau unipolare (la care câmpul magnetic

inductor este invariabil în lungul periferiei indusului) se utilizează rar, ca generatoare de

tensiune joasă şi curenţi foarte mari.

Maşina de curent continuu se construieşte pentru puteri nominale de la zeci de waţi

până la mii de kilowaţi, într-o gamă largă de turaţii şi tensiuni până la 2000 V.

1.2. Elemente constructive şi funcţionale.

Ca orice maşină electrică rotativă, maşina de curent continuu are două părţi

constructive fundamentale : - statorul

- rotorul

5

Fig. 1.1

Fig.1.1. Maşina de curent continuu.

1 – carcasă, 2 – scutul lateral dinspre colector, 3 – scutul lateral dinspre acţionare, 4 – polul

principal de excitaţie, 5 – polul auxiliar, 6 – miezul magnetic al rotorului, 7 – bandajul de consolidare al

capetelor frontale ale înfăşurării rotorice, 8 – înfăşurarea rotorică, 9 – arborele maşinii, 10 – suport

portperii, 11 – teaca cărbunelui periei, 12 – colector, 13 – capac exterior ( casa rulmentului ), 14, 15 –

rulmenţi, 16 – cutia cu borne, 17 – bulon strângere scut lateral, 18 – bobina polului auxiliar, 19 – bobina

polului de excitaţie, 20 – inelul de ridicare al maşinii, 21 – paletă ventilator, 22 – cărbunele periei, 23 –

colier portperie.

Părţile componente ale statorului sunt : carcasa, polii principali sau de excitaţie,

polii de comutaţie (auxiliari), înfăşurarea de excitaţie, înfăşurarea polilor de comutaţie şi

înfăşurarea de compensaţie. Ca părţi componente constructive ale statorului se consideră

şi scuturile cu lagărele maşinii, portperiile şi periile ce calcă pe comutator.

Carcasa de formă cilindrică, se execută din tablă de oţel îndoită şi sudată (la

maşinile mici), respectiv din oţel sau fontă turnată (la maşinile de putere mare). În

general, carcasa constituie jugul inductorului, prin care se închide fluxul magnetic al

maşinii. Tălpile de fixare a maşinii de fundaţie sunt sudate de carcasă sau se toarnă

împreună cu aceasta.

De partea interioară a carcasei se fixează, prin buloane, polii principali şi cei

auxiliari. Aceştia se execută din oţel masiv sau din tole de oţel electrotehnic de grosime 6

Fig. 1.2. Secţiunile longitudinală şi transversală printr-o maşină de current continuu.

0,5 – 1 mm, strânse şi consolidate cu ajutorul unor nituri. Pentru a uşura trecerea

câmpului magnetic inductor prin întrefier, polii principali prezintă o talpă polară, de

lăţime mai mare decât corpul polilor, care serveşte şi ca suport pentru bobina montată pe

pol. În ceea ce priveşte polii auxiliari, aceştia se prevăd numai la maşinile de putere mare

şi medie, fiind fixaţi de carcasă în axele de simetrie dintre polii de excitaţie, adică în

axele transversale ale maşinii.

La maşinile de putere mică, precum şi la cele alimentate prin convertoare statice,

circuitul magnetic al inductorului se realizează în întregime din tole.

Înfăşurarea de excitaţie şi cea de comutaţie se execută din sârmă sau bare de cupru

izolate, sub formă de bobine care se dispun pe poli. Bobinele ce aparţin aceleiaşi

înfăşurări se conectează astfel încât între ele, atunci când sunt parcurse de curent, să

determine polaritatea alternativă N – S – N – S a polilor respectivi. Capetele înfăşurărilor

sunt racordate la bornele din cutia de borne, care este fixată de carcasă.

Înfăşurarea de compensaţie este prevăzută numai la maşinile de putere mare şi la

cele destinate acţionărilor electrice rapide.

Rotorul se compune din arborele maşinii, miezul feromagnetic şi înfăşurarea

rotorului, comutatorul şi ventilatorul. Miezul rotoric, confecţionat din tole de oţel

electrotehnic de 0,5 mm grosime este fixat pe arbore fie direct, fie prin intermediul unui

butuc. Înfăşurarea rotorului este o înfăşurare repartizată în două straturi, fiind plasată în

crestăturile echidistante practicate pe periferia exterioară a miezului. Bobinele (secţiile)

acestei înfăşurări sunt executate din conductoare de cupru izolate. Consolidarea bobinelor

în lungul crestăturilor se realizează cu pene din material izolant, iar la capete cu bandaje

7

Fig. 1.3. Polul de excitaţie (principal).

din sârmă de oţel, fibre poliesterice etc. Capetele bobinelor se racordează ( prin lipire ) la

lamelele comutatorului.

Consolidarea lamelelor comutatorului de butuc se realizează fie prin sistemul

denumit coadă de rândunică fie, la maşinile mici, prin sistemul denumit în H.

8

Fig. 1.4 Construcţia comutatoarelor în H.

Fig. 1.4. Construcţia comutatoarelor în H.

Clasificarea maşinilor de curent continuu după tipul excitaţiei şi modul de

conectare al înfăşurărilor de excitaţie :

maşină cu o singură înfăşurare de excitaţie, care poate fi alimentată :

- de la o sursă separată ( independentă );

- în derivaţie ( paralel ) faţă de înfăşurarea rotorului;

- în serie cu înfăşurarea rotorului.

maşini cu mai multe înfăşurări de excitaţie, care pot fi alimentate :

- de la bornele înfăşurării rotorului, în serie şi derivaţie ( excitaţie mixtă );

- de la surse separate şi de la bornele înfăşurării rotorului, în cazul unor maşini

speciale.

9

Indusul dispus pe stator.

Fig.1.6. Maşina de curent continuu.

A1 A2

F1

F2

A1 A2A1

A2

A1

A2

B1

B2

B1

B2

C2C2

C1

C1

a) b) c) d)

Inductorul dispus pe rotor.

Fig. 1.5. Perie şi portperii.

1.3. Principiul de funcţionare.

La rotirea rotorului cu o turaţie n = const. În câmpul magnetic inductor, creat în

urma trecerii curentului continuu de excitaţie prin înfăşurarea statorică de excitaţie, în

bobinele înfăşurării rotorului se induc tensiuni electromotoare alternative, de frecvenţe

, corespunzător polarităţilor N – S – N – S.... ale câmpului statoric.

Înfăşurarea rotorică fiind o înfăşurare de curent continuu, ale cărei bobine

componente sunt legate în serie prin intermediul lamelelor comutatorului cu, care este

prevăzut rotorul, la perii rezultă o tensiune continuă corespunzătoare tensiunii

electromotoare induse.

Dacă bornele rotorului fiind legate la reţea sau la un receptor, înfăşurarea rotorică

este parcursă de curentul continuu de sarcină IA, ce creează o solenaţie de reacţie, de

valoare constantă şi având o poziţie fixă în spaţiu (determinată de poziţia periilor pe

comutator). Ca urmare, valoarea fluxului Ф rezultat în maşină este determinată şi

constantă, astfel că şi tensiunile Ue respectiv U sunt constante.

Maşina dezvoltă, în condiţiile enunţate, un cuplu electromagnetic :

(1.1)

care, ţinând seama de expresia tensiunii Ue se mai poate exprima şi sub forma :

(1.2)

Caracterul acestui cuplu este determinat de regimul de funcţionare al maşinii şi este

de sens contrar cuplului exterior la arbore, care îl echilibrează.

1.4. Regimuri de funcţionare.

10

Fig. 1.2. Posibilităţi de excitare a maşinilor de curent continuu.

Cu excitaţie independentă Cu excitaţie derivaţie Cu excitaţie serie Cu excitaţie mixtă

Din punctul de vedere al conversiei de energie, maşina de curent continuu poate

funcţiona în trei regimuri distincte : de generator, de motor şi de frână.

În regim de motor, maşina se alimentează cu tensiune pe partea rotorică, primind pe

la borne puterea electrică . În această situaţie, circuitul electric al indusului fiind un

circuit receptor, curentul este de sens opus curentului tensiunilor induse în bobine,

deci considerăm acelaşi sens de rotaţie al rotorului. Drept urmare, la acelaşi sens al

liniilor de câmp de excitaţie, cuplul M dezvoltat de maşină este de sens contrar celui din

regim de generator, având un caracter activ. Acest cuplu este deci capabil să rotească

rotorul (şi maşina de lucru cuplată mecanic cu rotorul), transformând energia electrică în

energie mecanică.

Reprezentarea schematică a maşinii de curent continuu în regim de motor şi schema

echivalentă a ei în acest regim sunt redate în figura 1.8. Reţeaua de alimentare s-a înlocuit

în această schemă cu un generator echivalent de tensiune.

În ceea ce priveşte regimul de frână electrică, acesta este acel regim de funcţionare

în care maşina primeşte energie mecanică prin intermediul arborelui şi energie electrică

pe la bornele indusului, ambele forme de energie transformându-se în căldură în

rezistenţa de frânare . În cazul în care această rezistenţă ar lipsi, suma puterilor

mecanică şi electrică primite s-ar disipa pe rezistenţa de valoare foarte mică, iar

curentul ar depăşi cu mult curentul nominal al maşinii.

+

-

+ -

1A

M

AI

1P1F 2F

EI

U

M 1P

reteaR

AI

U cR

Reţea de alimentare

1A

Fig. 1.3. Maşina de curent continuu în regim de motor :

a – reprezentare simbolică; b – schema electrică echivalentă.

11

a b

1.5. Reacţia de indus.

În situaţia în care indusul maşinii este parcurs de curent, datorită prezenţei

solenaţiei indusului câmpul magnetic al maşinii este determinat de solenaţia rezultată,

diferind de câmpul magnetic de excitaţie creat de solenaţia .

Totalitatea modificărilor care intervin în ceea ce priveşte câmpul magnetic datorită

prezenţei solenaţiei indusului, a primit denumirea de fenomen de reacţie a indusului.

În poziţia normală a periilor, în axa neutră, câmpul magnetic de reacţie determinat

de curentul continuu Ia ce trece prin căile de înfăşurare are configuraţia reprezentată în

figura 1.10.

Închizându-se după direcţia axei transversale (neutre), respectiv străbătând polii

principali ai maşinii transversal, acest câmp reprezintă ceea ce numim un câmp de reacţie

transversal.

Dacă maşina este nesaturată, câmpul magnetic rezultat rezultă prin

suprapunerea peste câmpul magnetic de excitaţie a câmpului de reacţie transversal

. După cum se observă, efectele câmpului de reacţie se manifestă prin :

deplasarea axei neutre magnetice din axa transversală (geometrică) a maşinii:

deformarea curbei de repartiţie spaţială a câmpului magnetic pe periferia maşinii.

Deoarece acţiunea de magnetizare pe câte o jumătate de pol este identică cu aceea

de demagnetizare pe celelalte jumătăţi de pol, valoarea fluxului, corespunzător diferiţilor

paşi polari, rămâne neschimbată, ceea ce înseamnă că valoarea tensiunii U e indusă în

+

-

+ -

1A

1PM

mM

AIfR

1P 1F 2F

EI U

F1P

reteaR

AI

U

12

Fig. 1.4. Maşina de curent continuu în regimul de frână propriu-zisă :

a – reprezentare simbolică; b – schema electrică echivalentă.

înfăşurarea rotorului nu suferă modificări, rămânând egală cu tensiunea UeE indusă de

fluxul de excitaţie.

În cazul în care maşina este caracterizată printr-un grad de saturaţie, astfel că k s>1,

reacţia de indus se manifestă şi printr-o micşorare a fluxului (cresterea câmpului în

jumătăţile de poli magnetizate este mai redusă decât micşorarea câmpului în jumătăţile de

poli demagnetizate). La saturaţiile modeste care intervin în practică această micşorare a

fluxului este însă foarte redusă, de cele mai multe ori neglijabilă.

La declararea periilor din axa neutră, câmpul de reacţie, a cărui axă se deplasează

odată cu cea a periilor, se poate descompune într-o componentă transversală şi într-una

longitudinală. În funcţie de sensul curentului Ia în căile de înfăşurare, câmpul de reacţie

longitudinal poate avea un caracter demagnetizant (dacă sensul liniilor acestui câmp este

opus celui al liniilor câmpului de excitaţie) sau un caracter magnetizant. Ca urmare, în

13

Fig. 1.10. Spectrul câmpului magnetic de reacţie transversală a

indusului.

Fig. 1.11. Câmpul magnetic de reacţie

transversală a indusului: a – variaţia

solenaţiei de reacţie a indusului; b – variaţia

inducţiei magnetice în întrefier, determinată de

solenaţia de reacţie a indusului; c – variaţia

inducţiei magnetice rezultante în întrefier.

b – spectrul câmpului magnetic de reacţie transversală.

acest caz, valoarea câmpului magnetic al maşinii se micşorează respectiv se măreşte, cu

atât mai mult cu cât unghiul de decalare a periilor din axa neutră, respectiv curentul Ia,

sunt mai mari.

Analitic, solenaţiile de reacţie transversală şi longitudinală corespunzătoare unei

perechi de poli se pot exprima, după cum se poate deduce simplu, sub forma :

, (1.3)

(1.4)

unde A reprezintă solenaţia specifică.

Reacţia de indus la maşinile de curent continuu este un fenomen nefavorabil,

deformarea curbei câmpului pe periferia maşinii determinând valori momentane ale

tensiunilor induse în diferite laturi de bobine diferite. Ca urmare, între lamele consecutive

ale comutatorului rezultă diferenţe de potenţial care, dacă sunt mari, pot provoca apariţia

unor scântei care determină o uzură prematură a lamelelor, respectiv a comutatorului.

Pentru a diminua efectele negative ale câmpului de reacţie, maşinile de putere mare

şi medie sunt prevăzute cu o înfăşurare de compensaţie, plasată în crestături practicate în

tălpile polilor principali, prin care să se realizeze un câmp magnetic opus celui de reacţie

şi de aceeaşi valoare. În acest scop, înfăşurarea de compensaţie, dimensionată potrivit, se

leagă în serie cu circuitul rotoric în aşa fel încât la trecerea curentului de sarcină prin

aceasta să rezulte un câmp magnetic având sensul liniilor de câmp necesar.

Maşinile de putere mai redusă sau mică nu sunt prevăzute cu înfăşurare de

compensaţie, având în vedere dificultăţile de realizare care intervin la dimensiunile pe

care le are maşina.

14

a – decalarea periilor din axa neutră.

c – spectrul câmpului magnetic de reacţie longitudinală.

Fig. 1.12. Reacţia magnetică a indusului la decalarea periilor din axa neutră.

1.6. Comutaţia.

În timpul funcţionării maşinii, ca urmare a rotirii indusului, bobinele înfăşurării

rotorului trec succesiv dintr-o cale de înfăşurare în alta. Drept consecinţă, curentul din

bobinele respective se modifică da la valoarea şi sensul avut în prima cale de înfăşurare la

valoarea şi sensul ce caracterizează noua cale de înfăşurare, adică de la + la - .

Această variaţie de curent este însoţită şi de alte fenomene, secundare, cum ar fi : apariţia

în bobina care comută a unei t.e.m. de selfinducţie, fenomene de scânteiere la comutator

etc.

Totalitatea fenomenelor care au loc în bobine la trecerea dintr-o cale de înfăşurare

în alta a primit denumirea de comutaţie.

Pentru studiul comutaţiei vom considera cazul cel mai simplu, când lăţimea periei

este egală cu lăţimea lamelei de comutator . În aceste condiţii, comutaţia are loc în

intervalul de timp ( reprezintă viteza periferică a comutatorului), numit

perioada de comutaţie.

Notând cu , , , rezistenţele bobinei care comută, a legăturilor de la

bobină la lamele şi rezistenţe de contact între perie şi lamelele 3 şi 4, pe care calcă peria

în timpul comutaţiei, integrala de linie a intensităţii de câmp electric, pentru conturul

circuitului considerat, conduce la relaţia :

(1.5)

Observând că :

15

i

aI

3

2

1

4

5

tkT

2kT

aI

Fig. 1.14. Variaţia curentului într-o bobină în comutaţie.

, (1.6)

rezultă că :

(1.7)

în care s-a notat .

Presupunând că datorită ajutorului unui câmp magnetic exterior se induce în bobina

care comută o tensiune şi că , soluţia ecuaţiei este :

(1.8)

1 – comutaţie liniară,

2 – comutaţie neliniară,

3 – comutaţie întârziată,

4 – comutaţie accelerată,

5 – comutaţie accelerată.

16

Fig. 1.13. Explicativă la determinarea variaţiei în timp a curentului într-o bobină care se

află în comutaţie.

Considerând că rezistenţele de contact perie – lamelă variază invers proporţional cu

suprafeţele de contact , 4pS , adică

, , (1.9)

( este lungimea lamelei, t – momentul considerat) rezultă:

(1.10)

Se observă că în acest caz ideal curentul prin bobina care comută are, timpul

perioadei de comutaţie, o variaţie liniară în timp.

În realitate, totdeauna . Ca urmare, chiar şi lipsa t.e.m. variaţia

curentului diferă de comutaţia liniară, având forma curbei 2 din fig. 1.14, corespunzătoare

relaţiei:

(1.11)

Curba 2 caracterizează aşa numita comutaţie rezistivă sau neliniară. şi această

comutaţie, ca şi cea liniară, are însă un caracter teoretic, deoarece mijloacele care stau la

dispoziţie pentru compensarea tensiunii nu asigură anularea riguroasă, în fiecare

moment, a valorii momentane a acestei tensiuni.

Tensiunea electromotoare din bobina care comută are două componente :

tensiunea de selfinducţie :

(1.12)

Şi tensiunea indusă de câmpul de reacţie . Din cauza acestor t.e.m. comutaţia

este întârziată (curba 3 din fig. 1.14).

Comutaţia întârziată, care reprezintă comutaţia reală dacă nu este

compensată, este nefavorabilă prin faptul că, datorită energiei electromagnetice

acumulate în bobină la sfârşitul perioadei de comutaţie, la muchia de ieşire a lamelei de

sub perie apar nişte arce electrice (scântei) care duc la o uzură intensificată a lamelelor.

Acesta este motivul pentru care se tinde, în primul rând, spre micşorarea tensiunilor

şi , în al doilea rând la anularea, pe cât posibil, practic în totalitate, a tensiunii

.

17

În scopul micşorării acestor tensiuni, înfăşurările rotorice ale maşinilor de curent

continuu se execută obişnuit cu număr de spire pe bobina relativ mic (uneori chiar

), prin aceasta inductivitatea bobinei rezultând mică. Cum aceasta înseamnă că

numărul de spire total al înfăşurării se reduce, rezultă că în rotorul maşinii de curent

continuu nu se pot obţine tensiuni induse prea mari; acesta este de fapt motivul pentru

care maşinile de curent continuu se caracterizează prin tensiuni mai mici decât, de

exemplu maşina sincronă.

De asemenea, pentru a reduce valoarea medie a tensiunii de selfinducţie

, valoarea curentului şi a vitezei de rotaţie nu pot avea valori prea mari.

Se trage concluzia că cerinţele ridicate de diminuarea efectelor comutaţiei limitează

puterea a maşinii de curent continuu, respectiv turaţia ei.

Pentru a evita efectele negative ale comutaţiei, cu excepţia maşinilor mici, maşinile

de curent continuu sunt totdeauna prevăzute cu poli de comutaţie, plasaţi în axa

transversală, cu ajutorul cărora se realizează în zona respectivă un câmp magnetic opus

celui de reacţie. Înfăşurarea acestor poli se dimensionează astfel ca să creeze un câmp de

o asemenea valoare încât să inducă în bobina care comută o tensiune medie practic egală

cu , de sens contrar. Pentru compensarea acestor tensiuni la orice valoare a

curentului de sarcină, înfăşurarea de comutaţie se leagă, ca şi înfăşurarea de compensaţie,

în serie cu circuitul rotoric.

Uneori înfăşurarea de comutaţie se dimensionează astfel încât să creeze în zona

axei transversale un câmp de valoare mai ridicată, care să inducă o tensiune, de sens

opus, mai mare decât . În acest fel, comutaţiei i se imprimă un caracter de

grăbire a fenomenului (curbele 4,5 fig. 1.14). Comutaţia accelerată se dovedeşte în mai

multe cazuri favorabilă.

Fenomenul de comutaţie poate fi influienţat negativ şi de cauze de ordin mecanic

(excentricitatea rotorului, vibraţii ale acestuia etc.) sau de calitatea inferioară a periilor.

Asigurarea unei comutaţii corespunzătoare pune prin urmare probleme şi de eliminare a

acestor neajunsuri.

1.7. Funcţionarea în regim de motor.

După modul de conectare a circuitului de excitaţie, motoarele de curent continuu se

clasifică astfel :

18

a

2M

M

M

1C

1B

pRAI

U

+ -

Reţea de alimentare de c.c.

EI EU

b

ARpeR

kR

pR

U

U

ERcR

EI

motorul de curent continuu cu excitaţie independentă. La cest tip de motor,

circuitul de excitaţie este alimentat de la altă sursă de curent continuu decât indusul;

motorul de curent continuu cu excitaţie în derivaţie, la care circuitul de excitaţie

este alimentat de la aceeaşi sursă ca şi indusul. Circuitul de excitaţie este independent de

circuitul indusului, doar sursa de alimentare este comună. Din acest motiv, comportarea

motorului cu excitaţie în derivaţie este identică cu cea a motorului cu excitaţie

independentă;

motorul de curent continuu cu excitaţie serie, la care circuitul de excitaţie este

conectat în serie cu circuitul indusului;

motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă care are două înfăşurări de

excitaţie: una conectată în derivaţie cu indusul, iar cealaltă înseriată cu indusul.

1.7.1. Motorul de curent continuu cu excitaţie independentă (sau

derivaţie).

Ecuaţiile de funcţionare în regim staţionar.

În figura 1.15 a, s-a reprezentat un motor de curent continuu cu excitaţie

independentă prevăzut cu poli de comutaţie şi înfăşurarea de compensaţie, iar în figura

1.15 b s-a reprezentat schema electrică echivalentă a acestuia.

Ecuaţiile de tensiuni se scriu pe baza schemei electrice echivalente :

, (1.13)

(1.14)

19

Fig. 1.15. Motorul de curent continuu cu excitaţie independentă prevăzut cu înfăşurare

de comutaţie ( , ) şi înfăşurare de compensare ( , ) :

a – reprezentare simbolică; b – schema electrică echivalentă în regim staţionar.

Ecuaţiile tensiunii precum şi expresiile , , caracterizează comportarea

electromagnetică a motorului. Comportarea mecanică este definită de ecuaţia cuplurilor :

; (1.15)

, (1.16)

unde M – cuplul electromagnetic dezvoltat de motor; - cuplul de frecări în

lagăre, datorită ventilaţiei etc., denumit cuplul de pierderi mecanice; - cuplul

rezistent datorat pierderilor magnetice în miezul feromagnetic al rotorului; - cuplul

rezistent la funcţionarea în gol.

Caracteristicile mecanice ale motorului de curent continuu cu excitaţie

independentă.

Caracteristicile mecanice sunt dependente între turaţia şi cuplul electromagnetic

M în anumite condiţii. Ele sunt următoarele : caracteristica mecanică naturală,

caracteristicile mecanice artificiale reostatice, caracteristicile mecanice artificiale de

tensiune şi caracteristicile mecanice artificiale de flux.

Caracteristica mecanică naturală reprezintă dependenţa turaţiei funcţie de

cuplul electromagnetic M, la tensiune de alimentare şi curent de excitaţie

Expresia analitică a acestei caracteristici se poate deduce din ecuaţia tensiunii şi din

expresiile mărimilor şi M. Rezultă :

. (1.17)

20

0,n

0

1rR21 rr RR

32 rr RR 43 rr RR

M

12 AnA II

n 1n

nUU

nMM

0

Această caracteristică se determină pentru cele două cazuri ale motoarelor

necompensate şi compensate, unde s-a notat cu turaţia ideală de funcţionare în gol şi

cu turaţia de funcţionare în gol :

; . (1.18)

Scăderea turaţiei, cu creşterea sarcinii, este foarte mică, adică caracteristica este

rigidă.

Caracteristicile mecanice artificiale de tensiune reprezintă dependenţele

la şi la diferite tensiuni de alimentare U; sunt reprezentate în

figura 1.16. Expresia analitică se obţine din relaţia 1.17 unde se înlocuieşte cu U.

Caracteristicile au aceeaşi înclinare.

Caracteristicile mecanice artificiale reostatice reprezintă dependenţele

la şi la diferite rezistenţe de reglare intercalate în serie cu

indusul. Expresia analitică se obţine din relaţia 1.17, înlocuind termenul R cu .

Înclinarea caracteristicii este proporţională cu .

21

M

0,1

0,2

0,3

0,4

Fig. 1.5. Caracteristicile mecanice artificiale

de tensiune ale motorului de curent continuu

cu excitaţie separată.

Fig. 1.6. Caracteristicile mecanice

reostatice ale motorului de curent continuu

cu excitaţie separată.

Fig. 1.7. Caracteristicile mecanice

artificiale de flux ale motorului de curent

continuu cu excitaţie separată.

Caracteristicile mecanice artificiale de flux constituie o familie şi reprezintă

dependenţele la şi la diferite fluxuri de excitaţie. Sunt

reprezentate în figura 1.18. Întrucât curentul de sarcină nu depăşeşte curentul nominal

, odată cu scăderea fluxului de excitaţie sub cel nominal, cuplul maxim scade

proporţional cu scăderea fluxului de excitaţie. Scăderea fluxului de excitaţie nu se poate

face sub 0,3 din cel nominal, deoarece sub această valoare a fluxului, funcţionarea devine

instabilă, ca urmare a influienţei prea mari a câmpului de reacţie a indusului.

Caracteristicile sunt reprezentate în fig. 1.18.

Bilanţul de puteri la motorul de curent continuu cu excitaţie independentă.

Bilanţul de puteri la motorul de curent continuu cu excitaţie independentă se obţine

din ecuaţiile de funcţionare în regim staţionar ale motorului. Bilanţul de puteri este

reprezentat sugestiv în fig. 1.19.

1.7.2. Motorul de curent continuu cu excitaţie în serie.

EE IU 2AAb IRP

Fig. 1.19. Bilanţul de puteri la motorul de curent continuu cu excitaţie separată.

22

Motorul de curent continuu cu excitaţie în serie este reprezentat în figura

1.20 a. Înfăşurarea de excitaţie conectată în serie cu circuitul

indusului are capetele notate cu şi . Motorul este prevăzut cu poli de comutaţie.

Schema echivalentă în regim staţionar este redată în figura 1.20 b. Cu s-a notat

rezistenţa reostatului de pornire.

Ecuaţiile de funcţionare în regim staţionar.

Ecuaţiile de tensiuni se scriu pe baza schemei echivalente din fig. 1.20 b :

(1.19)

IA

RpA1

A2 B1

B2

D1

D2

M

M2

UA

U

+ -

IA

RpRE

A1

Ue

RA

Rpe

A2

Rk

B1

B2

U

a b

Fig.1.20. Motorul de curent continuu cu înfăşurare de excitaţie în

serie (D1, D2), prevăzut cu înfăşurare de comutaţie (B1,B2), cu sens de

rotaţie spre dreapta.

a – reprezentare simbolică; b – schema electrică echivalentă în regim

staţionar.

23

max

Mmin Mn

III

II

I

M

Un

nU5,0nU3,0

Mn M 0

Fig. 1.8. Caracteristica

mecanică a motorului de curent

continuu cu excitaţie în serie.

Fig. 1.9. Caracteristicile

mecanice artificiale de tensiune ale

motorului de curent continuu cu

excitaţie în serie.

(1.20)

Comportarea electromagnetică a motorului este descrisă de ecuaţiile 1.19, 1.20

precum şi de expresiile mărimilor , , .

Ecuaţia de cupluri care descrie comportarea maşinii din punct de vedere mecanic

este aceeaşi ca la motorul cu excitaţie separată.

Caracteristicile mecanice ale motorului de curent continuu cu excitaţie în

serie.

Caracteristica mecanică naturală este reprezentată în fig. 1.21. Este o caracteristică

foarte elastică. Odată cu creşterea cuplului de sarcină, turaţia motorului scade mult. La

cupluri mici de sarcină, turaţia motorului creşte foarte mult, existând pericolul ambalării

la rămânerea în gol. Caracteristicile mecanice artificiale de tensiune reprezintă

dependenţele la diferite tensiuni şi sunt reprezentate în fig. 1.22.

Caracteristicile mecanice reostatice reprezintă dependenţele la diferite

rezistenţe înseriate cu indusul (fig. 1.23).

24

Rr=0

Rr2

Rr1

Mmin Mn

n

M

Rr1<Rr2

U = Un = const.

Fig.1.10. Caracteristicile mecanice reostatice ale motorului de

curent continuu cu excitaţie în serie.

Motorul de curent continuu cu excitaţie în serie se caracterizează prin : cuplu mare

de pornire, puterea rămâne aproximativ constantă la variaţia sarcinii şi suportă

suprasarcini. Are dezavantajul că nu poate funcţiona în gol. Acest tip de motor se

utilizează larg la tracţiunea electrică, precum şi la acţionarea instalaţiilor de ridicare, unde

este necesar un cuplu mare.

1.7.3. Motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă.

Motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă posedă înfăşurări de excitaţie : una

conectată în derivaţie cu indusul, iar a doua conectată în serie. În fig. 1.24 a este

reprezentat motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă adiţională, la care înfăşurarea

de excitaţie în serie este principală, iar înfăşurarea de excitaţie în derivaţie este auxiliară.

Înfăşurarea de excitaţie derivaţie are rolul de a înlătura dezavantajul ambalării la

pierderea accidentală a sarcinii.

Caracteristica mecanică este elastică ca la motorul cu excitaţie în serie (fig. 1.24 b).

Motorul de curent continuu cu excitaţie mixtă diferenţială are înfăşurarea de

excitaţie derivaţie ca înfăşurarea principală, iar înfăşurarea serie diferenţială ca înfăşurare

auxiliară, având rolul de a menţine turaţia strict constantă, indiferent de cuplul de sarcină.

Comportarea sa se apropie foarte mult de comportarea unui motor cu excitaţie în

derivaţie. Un exemplu de utilizare a motorului cu excitaţie mixtă diferenţială este la

acţionarea laminorului de ţevi, unde este necesară o turaţie constantă pe întreg intervalul

de timp de tragere a ţevii, interval în care cuplul de sarcină variază în limite mari.

25

I

U

Sursa de energie

Energie electrică consumată

Dispozitiv de dozare a energiei

(mutator)

Pierderi în mutator

Motor electric Pierderi electrice şi mecanice

în motor

Transmisie mecanică

Maşina de lucru

Pierderi mecanice în organul de

transmisie

Energie mecanică utilă

2. SISTEME DE ACŢIONARE.

2.1. Structura şi clasificarea sistemelor de acţionare electrică.

Sistemele de acţionare electrică realizează conversia energiei electrice în energie

macanică: motorul electric de acţionare absoarbe energia electrică de la reţea şi o

transformă în energie mecanică, pe care o cedează, pe la arbore, maşinii de lucru (fig.

2.1.). Diferenţa dintre energia electrică, consumată şi energia mecanică, utilă, o reprezintă

pierderile electrice şi mecanice, care se transformă, ireversibil, în căldură.

Datorită marii diversităţi a proceselor tehnologice deservite de maşini de lucru

acţionate electric, sistemelor de acţionare li se impun cerinţe dintre cele mai variate

privind turaţia, cuplul dezvoltat la arbore, domeniul de modificare a turaţiei şi a cuplului,

precizia în menţinerea constantă a vitezei unghiulare de rotaţie, rapiditatea atingerii

valorilor de regim staţionar, calităţile dinamice, stabilitatea în funcţionare etc.

26

M

M

Fig. 1.24. Motor de curent continuu cu excitaţie mixtă adiţională prevăzut cu poli de comutaţie: a – reprezentare simbolică; b – caracteristica mecanică naturală.

Fig. 11. Conversia electromecanică a energiei – schemă de principiu.

Pentru ca parametrii energiei mecanice (cuplu, viteză unghiulară) să poată fi

controlaţi pe cale electrică, este necesar ca între motor şi sursa de alimentare să existe

dispozitive de dozare a energiei electrice, prin modificarea parametrilor săi (tensiune,

curent, frecvenţă). Controlul parametrilor mecanici pe cale mecanică, cu ajutorul

reductoarelor de turaţie, cutiilor de viteză sau variatoarelor mecanice de turaţie este

caracterizat de randamente scăzute, fiabilitate redusă, cost ridicat şi puteri unitare limitate

din considerente constructive. Utilizarea maşinilor electrice (grupuri motor – generator)

sau a amplificatoarelor magnetice la modificarea parametrilor energiei electrice absorbite

de motor este legată de costuri mari de investiţii, consum mare de cupru (material

deficitar), randamente scăzute (în cazul grupurilor de maşini) şi inerţie electromagnetică

mare, care afectează rapiditatea şi stabilitatea sistemelor de acţionare electrică prevăzute

cu reglare automată.

Sistemele de acţionare electrică au evoluat de la forma simplă, la care motorul este

legat direct la reţea şi este cuplat nemijlocit cu maşina de lucru, eventual printr-un organ

de transmisie cu roţi dinţate sau curele, la forme dintre cele mai complexe, cu un înalt

grad de automatizare, în scopul satisfacerii cerinţelor tot mai mari impuse de producţia de

bunuri materiale : mărirea productivităţii prin mărirea vitezei de acţionare şi reducerea

timpilor de pornire şi frânare, fără solicitări inadmisibile ale motorului electric; reducerea

consumului de energie prin mărirea randamentului şi a factorului de putere; ridicarea

calităţii producţiei prin respectarea riguroasă şi cu mare precizie a cerinţelor impuse de

procesele tehnologice. În prezent sistemele de acţionare electrică au puteri unitare care

ating zeci de MW şi consumă mai bine de jumătate din toată energia electrică produsă în

centrale. Sistemele moderne de acţionare electrică se integrează tot mai bine în

tehnologie.

În cazul cel mai general, acţionarea electrică este un sistem închis, care cuprinde

(fig. 2.2.) pe lângă motorul electric de acţionare ME şi maşina de lucru ML, cuplajul cu

27

Fig. 12. Structura generală a unui sistem de acţionare electrică.

organul de transmisie T, instalaţia de alimentare de la reţea cu mutatorul M, instalaţia de

comandă automată şi de reglare cu următoarele elemente : elementul de măsură (de

exemplu un tahogenerator TG); dispozitiv de prescriere P care dă valoarea impusă

mărimii de reglat (de obicei turaţia); comparatorul C care compară mărimea măsurată cu

mărimea impusă; amplificatorul A care amplifică semnalul de abatere; dispozitivul de

comandă pe grilă DCG (în cazul în care elementele de execuţie sunt ventile comandate).

Sistemele de acţionare electrică prevăzute cu regulatoare automate asigură

desfăşurarea pornirii, frânării, revărsării şi reglării turaţiei după legi prescrise, menţinând

între anumite limite, cu toleranţe determinate, diferite mărimi electrice şi mecanice

(turaţia, curentul, cuplul etc.). la sistemele de acţionare complexe, de mare importanţă (de

exemplu acţionarea laminoarelor), prescrierea mărimilor este asigurată de calculatoare

electronice de proces sau de microprocesoare.

Principala caracteristică a unui sistem de acţionare electrică este caracteristica

mecanică, care reprezintă dependenţa cuplului electromagnetic de viteza unghiulară a

motorului . În funcţie de sensul vitezei unghiulare şi al cuplului se deosebesc

acţionări electrice într-un singur cadran sau în mai multe cadrane. Acţionările într-un

singur cadran sunt nereversibile, sensul turaţiei şi al cuplului nu se inversează (de

exemplu acţionarea pompelor sau ventilatoarelor). La acţionarea electrică în mai multe

cadrane (fig. 2.2.), sensul uneia sau al ambelor mărimi se poate inversa. La frânarea cu

M ME T ML

D.C.G. A

T.G.

+ -P

C

28

M

I

Motor sens

direct

II

Generator

Frână

Motor sens

invers

III

Generator

Frână

IV

0

Fig. 2.3. Schema acţionării electrice în mai multe cadrane.

recuperare a unui vehicul, sensul turaţiei motorului se păstrează, dar sensul cuplului se

inversează, astfel că punctul de funcţionare a acţionării trece din cadranul I în cadranul II.

La frânarea prin conectare inversă a unui mecanism de ridicat sensul cuplului se

menţine, dar se inversează sensul turaţiei, trecându-se din cadranul I în cadranul IV.

Un laminor reversibil, la care motorul acţionează valţurile în ambele sensuri,

lucrează în toate cele patru cadrane.

Acţionările electrice la care se poate obţine inversarea cuplului sau a vitezei

unghiulare de rotaţie se numesc acţionări reversibile. În cadranul I şi III regimul de

funcţionare al maşinii electrice este de motor, deoarece produsul dintre cuplul şi viteza

unghiulară (puterea mecanică) este pozitiv, ceea ce înseamnă că motorul dezvoltă putere

mecanică la arbore.

În cadranele II şi IV produsul este negativ, motorul primeşte energie

mecanică la arbore şi o transformă în energie electrică; regimul de funcţionare este de

generator când energia electrică este cedată reţelei (frânare cu recuperare) sau unei

rezistenţe (frânare dinamică). Regimul este de frână atunci când motorul absoarbe atât

energie electrică de la reţea, cât şi energie mecanică la arbore, pe care le disipă pe

rezistenţele înfăşurării motorului sau pe rezistoare de frânare.

După tipul motorului electric acţionările pot fi de curent continuu, cu motoare

asincrone, cu motoare sincrone sau cu motoare speciale (motoare pas cu pas,

oscilomotoare etc.).

După numărul de motoare şi de maşini de lucru acţionate se deosebesc :

acţionări de grup (generale), la care un grup de maşini de lucru sunt acţionate

printr-un sistem de transmisie mecanică, de curele, de către un singur motor (nu se mai

29

folosesc din cauza dificultăţii corelării cerinţelor maşinii de lucru cu, caracteristica

motorului de acţionare şi a utilizării neraţionale a puterii motorului);

acţionări individuale, la care un singur motor electric antrenează o singură

maşină de lucru;

acţionări cu mai multe motoare, la care fiecare mecanism al maşinii de lucru are

motorul său de acţionare, încât se poate realiza o automatizare complexă a procesului

tehnologic.

Acţionările la care turaţia motorului poate fi modificată după voie se numesc

acţionări reglabile; la acţionările nereglabile turaţia motorului nu poate fi modificată.

Metodele de modificare a turaţiei pot fi economice sau neeconomice, când o parte din

energia electrică absorbită de la reţea se disipă pe rezistoare de reglare, micşorându-se

considerabil randamentul acţionării. Metodele economice moderne de modificare a

turaţiei motoarelor electrice de acţionare folosesc mutatoare (convertoare) cu tiristoare

(redresoare comandate pentru acţionări cu motoare de curent continuu, invertoare de

frecvenţă reglabilă pentru motoare asincrone sau sincrone, contactoare statice pentru

modificarea turaţiei prin impulsuri de tensiune continuă sau alternativă). Acţionările

moderne asigură, în mod curent, domenii de reglare de 1:100, iar cu scheme speciale

acest domeniu poate fi extins la 1:1000 sau chiar 1:3000.

2.1. Cinematica acţionărilor electrice.

Studiul cinematic al unei acţionări electrice implică cunoaşterea sau determinarea

diagramelor (graficelor) de mişcare, care dau dependenţe de forma:

, , , , , (2.1)

unde este viteza; - acceleraţia; - spaţiul; - viteza unghiulară; - unghiul

de rotaţie; - timpul.

Diagramele de mişcare sunt de foarte multe tipuri, studiul lor fiind necesar în

proiectarea corectă a acţionării. În general, aceste diagrame de mişcare au trei perioade

principale : de pornire, de regim cu viteză constantă, de oprire. Cel mai des întâlnită este

diagrama de viteză (tahograma) trapezoidală, caracterizată prin acceleraţie şi deceleraţie

constantă. O astfel de diagramă, împreună cu aceea a acceleraţiei şi a spaţiului parcurs

sunt date în fig. 2.4.

Pentru prima perioadă, în care acţionarea se accelerează cu acceleraţia a1, putem

scrie :

30

; (2.2)

Aceste funcţii, la sfârşitul pornirii, iau valorile :

, (2.3)

Pentru a doua perioadă, având viteza constantă , acceleraţia este nulă ( ),

ecuaţia spaţiului devenind :

(2.4)

La sfârşitul perioadei, spaţiul parcurs are valoarea :

(2.5)

Pentru a treia perioadă, în care acţionarea frânează cu deceleraţia , avem :

, (2.6)

Spaţiul parcurs până la oprire va fi :

(2.7)

Pentru întreg ciclul vom scrie :

(2.8)

v, a S

sv

1a

3a1t 2t 3t

t

)(tfv S=f(t)

a = f(t)

Fig. 13. Diagrame de mişcare.

31

Această ultimă relaţie arată că spaţiul parcurs în timpul unui ciclu este proporţional

cu suprafaţa trapezului graficului de viteză.

Toate ecuaţiile anterioare arată că determinarea completă a graficelor de mişcare

este posibilă numai prin prescrierea sau cunoaşterea unor parametri, ceilalţi rezultând. De

exemplu, necesităţile tehnologice ale mecanismului de lucru pot impune spaţiul total

parcurs , viteza de lucru , acceleraţiile admise , , rezultând din calcul parametrii

, , , , , .

Optimizarea diagramelor de mişcare se poate face după mai multe criterii, din care

unele sunt generale, iar altele valabile numai pentru anumite tipuri de acţionări.

Un criteriu general luat în considerare la optimizarea graficului de viteză este acela

al încălzirii maşinii de acţionare. Deoarece problemele legate de alegerea maşinilor

electrice de acţionare pe baza criteriului termic vor fi studiate ulterior, nu se vor face

demonstraţii. Trebuie însă reţinut că potrivit acestui criteriu, diagrama optimă are forma

trapezului isoscel, deci , iar viteza de lucru are o valoare ce depinde direct

proporţional de forţa statică rezistentă care se opune motorului şi invers proporţional de

masele în mişcare ale sistemului de acţionare.

Un alt criteriu general de optimizare a diagramelor de mişcare îl constituie creşterea

productivităţii maşinii, adică realizarea procesului tehnologic (deci acelaşi spaţiu total

parcurs) într-un timp total mai scurt, în condiţiile aceloraşi acceleraţii la pornire şi oprire.

Considerând că diagrama vitezei este trapez isoscel, timpul unui ciclu este :

(2.9)

Valoarea vitezei, pentru care durata ciclului este minimă, se obţine prin anularea

derivatei şi este :

(2.10)

Durata ciclului minim este : (2.11)

Prin înmulţirea lor se obţine : , (2.12)

adică spaţiul parcurs este egal cu aria unui triunghi isoscel de bază şi înălţime .

Cu alte cuvinte, se realizează o productivitate maximă dacă tahograma de forma

unui trapez isoscel se transformă într-un triunghi isoscel, dar care are aceeaşi suprafaţă.

Astfel de diagramă este arătată în fig. 2.5.32

t

V

0sV

0ctct

0

Fig. 2.5. Diagrama de viteză optimă după criteriul productivităţii.

Pe lângă avantajul acestei diagrame de a reduce timpul ciclului, există neajunsul că

acţionarea funcţionează numai în regim tranzitoriu. De asemenea, se demonstrează că nu

este util din punct de vedere practic să utilizăm o astfel de diagramă, deoarece viteza

are o valoare prea mare. În plus, odată cu creşterea vitezei de lucru a acţionării către ,

scăderea timpului ciclului devine din ce în ce mai mică. În concluzie, se recomandă totuşi

utilizarea unei diagrame trapezoidale, dar la care viteza de lucru să fie .

Valori superioare ale vitezei nu duc decât la reduceri neînsemnate ale timpului de lucru.

În cazul sistemelor de transport al persoanelor se impune optimizarea diagramelor

la pornire şi oprire, pentru evitarea smuciturii (şocului) care este o mărime proporţională

cu variaţia acceleraţiei :

- la mişcarea liniară, (2.13)

- la mişcarea de rotaţie. (2.14)

În cazul diagramei trapezoidale, variaţia acceleraţiei este bruscă, smucitura având

teoretic valoarea infinită. Acest lucru conduce la senzaţii neplăcute. Pentru diminuarea

lor se poate realiza un grafic de viteză parabolic, la care acceleraţia are o variaţie liniară.

În acest fel smucitura are o valoare constantă. Diagrama optimă, după acest criteriu, este

aceea la care, în timpul pornirii sau opririi, viteza variază sinusoidal.

2.3. Dinamica acţionărilor electrice.

33

Sistemul de acţionare electrică cel mai simplu poate fi reprezentat ca în fig.2.6.

Elementele acestui sistem se mişcă conform legilor dinamicii. Astfel, maşina de acţionare

dezvoltă la arbore un cuplu M, care, învingând cuplul static rezistent , produs de

maşina de lucru, determină mişcarea sistemului. Rezultă că determinarea comportării

acţionării (diagramele de mişcare) este o problemă complexă, în care parametrii

cinematici (viteză, acceleraţie) depind de cei dinamici (forţe, cupluri). Obiectul dinamicii

acţionărilor electrice îl constituie tocmai rezolvarea acestei probleme şi care se realizează

cu ajutorul ecuaţiei mişcării.

2.3.1. Ecuaţia mişcării.

Regimul de lucru al acţionărilor electrice poate fi staţionar sau tranzitoriu.

În cazul regimului staţionar, întreaga putere dată la arbore de către maşina de

acţionare este transmisă mecanismului de lucru. Deci :

( ), (2.15)

care prin simplificare cu , duce la : (2.16)

Această ultimă relaţie reprezintă ecuaţia de echilibru a cuplurilor şi caracterizează

regimul staţionar la care

Regimul tranzitoriu este caracterizat prin variaţia vitezei, deci şi prin modificarea

energiei cinetice a maselor aflate în mişcare. Se defineşte puterea dinamică , ca fiind

variaţia energiei cinetice în unitatea de timp, adică :

(2.17)

ţinând cont că majoritatea sistemelor de acţionare sunt antrenate cu maşini electrice

rotative vom scrie expresia energiei cinetice pentru mişcarea în rotaţie, adică :

MEA ML

MMS

34

Fig. 14. Sisteme de acţionare individuală: M.L. cuplată direct

la arborele M.E.A.

, (2.18)

în care J este motivul de inerţie axial al corpurilor aflate în mișcare de rotație cu

viteza unghiulară .

, (2.19)

în care r – distanţa de la axa de rotaţie la elementul diferenţial de masă dm; -

densitatea locală a corpului; - element diferenţial de volum.

Va rezulta pentru puterea dinamică, expresia :

(2.20)

Această putere este primită de către sistemul de acţionare tot de la maşina de

antrenare astfel că bilanţul puterilor poate fi scris :

(2.21)

Simplificând cu viteza , se obţine : . (2.22)

Ultimele două relaţii arată că, atât puterea cât şi cuplul dinamic nu sunt mărimi

independente, ele fiind determinate de altele. Astfel, puterea dinamică (variaţia energiei

cinetice) se datorează inegalităţii dintre puterea dată de maşina de acţionare şi puterea

cerută de maşina de lucru. Acelaşi raţionament conduce la ideea că nici cuplul dinamic

nu este de sine stătător, el fiind determinat de cuplurile şi , care sunt independente,

produse separat de către motor şi maşina de lucru.

Pe baza relaţiilor 2.20 şi 2.22 se obţine expresia :

ecuaţia mişcării de rotaţie (2.23)

Serveşte la rezolvarea tuturor proceselor tranzitorii, adică la determinarea variaţiei

în timp a mărimilor cinematice.

În ecuaţia mişcării, semnul cuplurilor independente M, , trebuie să fie în

concordanţă cu situaţia momentană a elementelor care le produc. Astfel, maşina de

acţionare poate funcţiona ca motor (având cuplul pozitiv), ca frână. Semnul pozitiv s-a

adoptat prin convenţie în cazul în care sensul cuplului coincide cu cel al vitezei.

Pentru stabilitatea semnului cuplului , se impune o analiză mai atentă, acesta

având două componente :

cuplul de frecare, orientat permanent în sens contrar vitezei;

cuplul util, corespunzător procesului tehnologic executat.

35

Cuplurile utile sunt de două feluri :

a. cupluri reactive, care se datoresc deformărilor plastice (permanente) ale

corpurilor şi care realizează numai frânare având sensul opus vitezei;

b. cupluri potenţiale sau oscilante, care se datoresc deformărilor elastice ale

corpurilor sau, în general, acumulărilor de energie potenţială, ca în cazul unui arc sau al

mecanismelor de ridicare. Aceste cupluri pot avea acelaşi sens sau sens opus cu viteza.

Pentru cuplul static rezistent, convenţia de adoptare a semnului este aceea că un

cuplu este pozitiv dacă are sens contrar vitezei.

Pe baza consideraţiilor anterioare, ecuaţiei mişcării I se poate da forma

generalizată:

, (2.24)

expresie în care s-a considerat că momentul de inerţie al acţionării este constant

(deci ), cazul cel mai întâlnit în practică.

Ecuaţia mişcării de rotaţie dată (2.24) permite şi impune în acelaşi timp tragerea

unor concluzii :

există cuplu dinamic, deci variaţie, numai în cazul inegalităţii cuplurilor M şi

;

cuplul dinamic este nul , dacă rezultând , viteza fiind deci

constantă;

semnul cuplurilor din ecuaţia mişcării se determină ţinând cont de regimul de

lucru al maşinii de acţionare şi al maşinii de lucru, dar numai în corelaţie strictă şi

momentană cu sensul vitezei de rotaţie.

Ecuaţia mişcării a fost scrisă în cazul acţionărilor aflate în mişcare de rotaţie. Un

raţionament similar se poate realiza la acţionările în mişcare de translaţie, obţinându-se :

, (2.25)

în care : F este forţa de tracţiune; - forţa statică rezistentă; m – masa sistemului;

- viteza liniară de deplasare.

2.3.3. Raportarea la un arbore.

Sistemul de acţionare simplificat prezentat în figura 2.6 are maşina de acţionare şi

mecanismul de lucru cuplate pe acelaşi arbore, adică funcţionează cu aceeaşi viteză. În

36

majoritatea acţionărilor utilajelor electro-mecanice există şi o transmisie, care are rolul de

a adapta vitezele de funcţionare ale motorului şi maşinii de lucru. Din cauza vitezelor

diferite ale arborilor acţionării şi cuplurile diferă. Este necesară deci raportarea tuturor

mărimilor la un singur arbore, de regulă cel al motorului (prin raportarea unei mărimi

înţelegând echivalarea ei cu o alta, având aceeaşi influienţă asupra sistemului, dar care

acţionează direct pe arborele la care se face raportarea). În acest fel orice acţionare se

reduce la una de tipul prezentat în figura 2.6, putându-se aplica cu uşurinţă ecuaţia

mişcării.

Raportarea cuplurilor.

Aşa cum s-a arătat, fiecare arbore având altă viteză de rotaţie, cuplul static rezistent

diferă şi el.

Cuplul static rezistent real la arborele maşinii de lucru este . Datorită

transmisiei, cuplul static rezistent la arborele motorului are valoarea raportată .

Raportarea se face pe baza principiului conservării energiei mecanice. Pierderile de

energie care apar în transmisie sunt luate în considerare prin randamente. Astfel, în cazul

în care puterea se transmite de la motor la maşina de lucru, randamentul global al

transmisiei este :

(2.26)

în care : este puterea la arborele maşinii de lucru;

este puterea la arborele motorului.

Raportul total de transmisie al acţionărilor este :

(2.27)

cuplul static rezistent raportat rezultă deci valoarea :

(2.28)

Dacă maşina de acţionare lucrează ca frână, fluxul energetic are sensul opus cazului

anterior, motiv pentru care în expresia cuplului raportat, randamentul apare la numărător,

adică :

(2.29)

trebuie făcută precizarea că în relaţiile 2.27, 2.28, 2.29, reprezintă randamentul şi

I reprezintă raportul de transmitere total al transmisiei. Ele se calculează cu relaţiile :37

(2.30)

(2.31)

Raportarea momentelor de inerţie.

În calculul acţionărilor electrice o deosebită importanţă o prezintă inerţia

sistemului. Sistemele complexe au mai mulţi arbori, fiecare rotindu-se cu o anumită

viteză şi având un moment de inerţie propriu. Prin raportarea momentelor de inerţie se

înţelege înlocuirea maselor reale aflate în mişcare, printr-o singură masă fictivă, aflată pe

arborele maşinii de acţionare, dar care are aceeaşi inerţie cu sistemul real. Rezultă că

momentul de inerţie echivalent trebuie să înmagazineze aceeaşi energie cinetică ca şi

masele reale. La scrierea bilanţului energetic se va ţine cont şi de faptul că energia

cinetică înmagazinată se transmite tot de către motor, pe aceeaşi cale ca şi energia utilă,

deci tot cu pierderi aproximabile prin randament.

Pe baza consideraţiilor anterioare avem :

(2.32)

Prin împărţire cu se determină :

(2.33)

Vom putea scrie deci :

(2.34)

în care :

- momentul de inerţie al maselor aflate pe arborele motorului;

- momentul de inerţie al maselor aflate pe arborele care se roteşte cu viteza

;

- randamentul transmisiei până la arborele k;

- raportul de transmisie până la arborele .

Dacă maşina de acţionare frânează, fluxul energetic fiind inversat, se schimbă locul

randamentului, relaţia 2.34 devenind :

(2.35)

38

În calculele mai puţin pretenţioase, din expresia momentului de inerţie echivalent

se poate elimina randamentul (presupunându-l egal cu 1), deoarece acţionarea are

perioade de accelerare dar şi de frânare, existând deci o oarecare compensare.

În relaţiile 2.34 şi 2.35 se observă că o pondere însemnată o are momentul de

inerţie care se confundă de cele mai multe ori cu cel al rotorului motorului.

Determinarea momentului de inerţie al motorului se face pe baza datelor de catalog.

Există însă situaţii când acest lucru nu este posibil. Se recurge în acest caz la soluţii

experimentale sau teoretice.

Teoretic, se demonstrează că între momentul de inerţie al motorului şi cuplul

său nominal există o relaţie de forma :

(2.36)

Relaţia ne arată că momentul de inerţie creşte mai repede decât cuplul său nominal.

Expresia 2.36 nu permite un calcul direct al momentului de inerţie, deoarece nu se

cunoaşte pentru fiecare motor valoarea constantei k. Totuşi ea este utilă, permiţând

determinarea momentului de inerţie al rotorului , prin comparaţie cu o altă maşină, de

acelaşi tip, cu parametrii apropiaţi, dar al cărui moment de inerţie este cunoscut.

Scriind relaţia 2.36 pentru cele două maşini şi împărţindu-le se obţine :

(2.37)

Raportarea mişcării de translaţie la mişcarea de rotaţie.

Există multe acţionări (vehicule, mecanisme de ridicare etc.) la care mişcarea

efectuată de corpuri este realizată cu motoare rotative. În acest caz, ca parametrii

dinamici avem forţe, iar inerţia sistemului este reprezentată de către masa m. Pentru

ridicarea greutăţii G trebuie învinsă forţa care solicită arborele motorului cu un cuplu

.

Raportarea forţei la arborele motorului se face pe baza bilanţului puterilor :

(2.38)

adică : (2.39)

Dacă maşina de acţionare frânează, în relaţia 2.39 se schimbă locul randamentului,

rezultând :

39

(2.40)

Raportarea masei, ca element inerţial, se face prin echivalarea energiei sale cinetice

cu energia cinetică a unui corp fictiv aflat în mişcare de rotaţie cu viteza . Vom putea

scrie :

(2.41)

Relaţiile 2.39 şi 2.41 pot fi aplicate şi invers, adică la raportarea mărimilor din

mişcarea de rotaţie ( , J) la mişcarea de translaţie, adică la determinarea parametrilor

şi .

3. CONSIDERAŢII ASUPRA MACARALELOR.

3.1. Clasificarea macaralelor.

Prin denumirea de macarale se înţeleg instalaţiile întrebuinţate pentru ridicarea pe

verticală a sarcinilor, combinată sau nu cu mişcări de translaţie sau de rotire.

40

Clasificarea macaralelor se poate face după mai multe criterii; de exemplu în

funcţie de mişcările executate de diverse mecanisme, de modul de acţionare, de regimul

de lucru etc.

Clasificarea macaralelor după mişcările executate de mecanismele lor componente :

Macarale rotitoare staţionare :

- macara tip fereastră

- macara cu braţ cu contrafişă

- macara de perete : - cu rază de acţiune constantă, cu acţionare manuală sau

electrică

- cu rază de acţiune variabilă, cu acţionare manuală sau

electrică

- macara Derrick

- macara ciocan

- macara cu placă turnată.

Macarale rotitoare deplasabile pe căi cu şine :

- macarale cu consolă : - cu rază de acţiune constantă

- cu rază de acţiune variabilă

- macara de tavan

- macara velociped

- macara catarg

- macara portal

- macara semiportal

- macara de cale ferată

- macara turn.

Macarale rotitoare deplasabile pe căi fără şină :

- macara pe cărucior : - cu acţionare manuală sau macanică

- automacara

- macara pe pneuri

- macara pe şenile.

Poduri rulante :

- grindă rulantă suspendată : - cu acţionare manuală sau electrică

- pod rulant monogrindă : - cu acţionare manuală sau electrică

- pod rulant cu două grinzi : - cu acţionare manuală sau electrică

- pod rulant cu graifăr

41

- pod rulant cu magneţi

- pod rulant cu două cărucioare egale

- pod rulant de şarjare

- pod rulant cu traversă

- pod rulant de turnătorie

- pod rulant pentru forjă

- pod rulant Stripper

- pod rulant pentru lingouri

- pod rulant cu braţ rotitor

- pod rulant stivuitor.

Macarale capră :

- macara capră : - cu acţionare manuală sau electrică

- macara semicapră

- macara capră cu graifăr sau magnet.

Poduri transbordore :

- pod transbordor cu graifăr

- pod transbordor cu braţ rotitor

- pod transbordor cu macara rotitoare deplasabilă.

Macarale diverse :

- macara foarfece

- macara funicular

- macara plutitoare

- autostivuitoare

- autotelescop.

După modul de acţionare, macaralele pot fi :

cu sursă de energie automată şi cu acţionare electrică, mecanică, hidraulică sau

pneumatică;

alimentate de la o sursă de energie exterioară şi cu acţionare manuală, electrică,

hidraulică sau pneumatică.

3.2. Regimurile de lucru ale macaralelor.

Regimul de lucru este o caracteristică foarte importantă a macaralei, de care trebuie

să se ţină seama atât la proiectare, cât şi în exploatare. Pe baza regimului de lucru se aleg

rezistenţele admisibile, coeficienţii de siguranţă, care stau la baza dimensionării

mecanismelor şi a construcţiei metalice.

42

Regimul de lucru al macaralei în ansamblu şi al construcţiilor metalice este

determinat în general de regimul de lucru al mecanismului principal de ridicare.

În funcţie de condiţiile de lucru, regimurile nominale de lucru pot fi :

- regim uşor – U;

- regim mediu – M;

- regim greu – G;

- regim foarte greu – FG;

- regim foarte greu continuu – FGC.

Caracteristicile regimurilor de lucru sunt date în tabelul 3.1.

Regimul de funcţionare al macaralelor este determinat deci de următoarele mărimi :

Factorul de încărcare :

(3.1)

unde : este sarcina medie care transportă în timpul unui an;

este sarcina nominală.

Durata relativă de acţionare, care reprezintă raportul dintre durata de funcţionare

a mecanismului, respectiv a motorului, în timpul unui ciclu ( ) şi durata totală a ciclului,

inclusiv pauzele ,

. (3.2)

Tabelul 3.1. Caracteristicile regimurilor de lucru ale macaralelor.

Regimul

nominal

de lucru

Factorii care determină condiţiile de lucru

Temperatura

mediului

ambiant

Durata

de utilizare

anuală

Factorul de

încărcare

Durata

relativă de

acţionare

Frecvenţa

de conectare

43

max.

h /an

% conectări/h

informativ

U

1000 0,50

(mijlociu)

15 <60 25

1000 0,25

(mic)

25

M

1000

(mare)

40

2500

(mare)

15 60 - 120 25

2500 0,50

(mijlociu)

25

G

2500

(mare)

25…40

5000

(mare)

25…40 120 - 240 25

5000 0,50

(mijlociu)

60

FG 7000

(mare)

60 240 - 480 25 - 45

FGC >7000

(mare)

60 480 45 - 60

În mod convenţional durata totală a ciclului este considerată de 10 min. Valoarea

poate fi de 15 %, 25 %, 40 % sau 60 %. În anumite cazuri speciale de funcţionare

(înălţimi foarte mari de ridicare, utilizare rară), motoarele se dimensionează la regimul

uniorar, puterea corespunzătoare acestui regim fiind cuprinsă între puterile pentru

şi .

Coeficientul de utilizare zilnică :

= numărul de ore de lucru pe zi / 24 (3.3)

Coeficientul de utilizare anuală :

= numărul de zile de lucru pe an / 365 (3.4)

44

Diferitele mecanisme de acţionare ale unei macarale pot avea regimuri de lucru

diferite. Astfel, în cazul podurilor transbordoare cu graifăr pentru minereu, mecanismul

de ridicare, cel pentru închiderea graifărului şi cel de translaţie a căruciorului sunt

solicitate în regim foarte greu continuu (FGC), în timp ce mecanismul de translaţie a

podului este solicitat de obicei în regim mediu (M). La macaralele portuare, mecanismele

de ridicare, rotire şi înclinare a braţului sunt solicitate mai intens decât mecanismul de

translaţie a macaralei. Situaţia este aceeaşi şi la macaralele turn pentru construcţii.

Aprecierea corectă a regimului de lucru este necesară atât pentru a se preveni

suprasolicitarea mecanismelor, cât şi pentru evitarea supradimensionărilor.

În exploatarea şi, în special, la proiectarea macaralelor, trebuie respectate

următoarele standarde cu caracter general :

STAS 800 – 63. Poduri rulante de uz general. Poduri rulante electrice cu cârlige,

pentru sarcini de la 5 până la 50 . Caracteristici şi dimensiuni principale.

STAS 1705 – 50. Poduri rulante electrice. Componentele echipamentului electric.

STAS 2844 – 64. Instalaţii de ridicat. Sarcini nominale pe tipuri.

STAS 4660 – 54. Poduri rulante de uz general. Casificare.

STAS 4661 – 64. Poduri rulante de uz general. Deschideri.

STAS 4662 – 64. Instalaţii de ridicat. Regimuri nominale de lucru.

STAS 4663 – 54. Poduri rulante de uz general. Chestionar pentru proiectare.

STAS 4664 – 63. Poduri rulante de uz general. Construcţia metalică.

Prescripţii de proiectare şi date constructive.

STAS 6465 – 61. Instalaţii de ridicat. Sarcini nominale.

STAS 6919 – 64. Poduri rulante de uz general. Poduri rulante electrice,

monogrindă, pentru sarcini până la 5 . Caracteristici şi dimensiuni principale.

STAS 7286 – 65. Instalaţii de ridicat. Macarale, poduri rulante şi electro-palane.

Înălţimi de ridicare.

STAS 7287 – 65. Instalaţii de ridicat. Macarale, poduri rulante şi electro-palane.

Viteze de lucru.

3.3. Mecanismele principale ale macaralelor.

3.3.1. Mecanisme de ridicare a sarcinii.

45

Cu excepţia înălţimilor de ridicare foarte mici, sarcina se suspendă de organe

flexibile (cabluri, lanţuri, funii), care se înfăşoară pe tobe şi pe roţi, formând palane.

Numărul de ramuri ale organelor de suspensie depinde în primul rând de greutatea

sarcinii, dar este influenţată şi de alţi factori ca înălţimea şi viteza de ridicare, gabaritele

etc.

La alegerea numărului de ramuri de cablu trebuie să se ţină seama de faptul că

mărirea acestuia duce la o micşorare a grosimii cablului şi a raportului de transmisie

dintre motor şi tobă, dar în acelaşi timp măreşte proporţional lungimea de înfăşurare şi

uzura cablului. În scopul măririi duratei de funcţionare, se evită ca îndoirea cablului la

trecerea peste role să se facă alternativ; pe cât posibil se aleg scheme de palane cu

înfăşurarea cablului în acelaşi sens.

Mecanisme de ridicare cu cârlig. În figura 3.1 sunt arătate scheme uzuale ale

mecanismelor de ridicare cu cârlig, întrebuinţate la macarale.

Schemele din fig. 3.1, a, b, c, d se întrebuinţează în special la macaralele rotitoare

(portuare, turn, pentru construcţii, cu braţ etc.), în timp ce schemele din fig. 3.1, e, f, g, h

se întrebuinţează la podurile rulante. Dacă sarcina ar fi suspendată de un singur fir care se

înfăşoară pe tobă, o dată cu ridicarea s-ar produce şi o deplasare laterală care ar împiedica

o aşezare precisă. Din acest motiv, la podurile rulante se întrebuinţează palane duble, care

permit o mişcare precisă pe verticală şi împiedică balansarea sarcinii. Două capete ale

cablurilor se înfăşoară pe şanţuri elicoidale practicate pe tobă, în sensuri opuse, ceea ce

asigură deplasarea lor simultană de la exterior spre centru. Celelalte două capete sunt

legate uneori la un balansier, în scopul echilibrării alungirilor neegale. De cele mai multe

ori se utilizează un singur cablu, în acest caz fiind necesară o rolă de egalizare E.

46

Mişcările executate de rola de egalizare fiind foarte mici, este permisă aici

schimbarea sensului de înfăşurare. Rola de egalizare este plasată, în funcţie de numărul

de ramuri de cablu, pe şasiul căruciorului sau pe muflă. Se preferă aşezarea rolei de

egalizare pe şasiu, întrucât permite realizarea mai simplă a limitatoarelor de sarcină

cerute de prescripţiile I.S.C.I.R. în vigoare. Aceste limitatoare fac posibilă ridicarea unor

sarcini mai mari decât cea normală.

Schema cinematică a unui mecanism de ridicare este arătată în figura 3.2. Motorul

de ridicare 1 antrenează reductorul 4, prin intermediul unui cuplaj elastic 3. Pe discul

cuplajului se aplică frâna 2. Legătura dintre reductor şi toba 6 se realizează prin

intermediul unui cuplaj cu bolţuri 5, care pe de o parte serveşte ca sprijin pentru tobă, iar

pe de altă parte permite antrenarea acesteia şi atunci când nu există un paralelism perfect

între axa tobei şi cea a arborelui de ieşire din reductor. Pe partea cealaltă, toba se sprijină

pe lagărul 7. Cuplajul cu bolţuri este înlocuit uneori cu un cuplaj dinţat care prezintă

aceleaşi avantaje, însă este mai scump. De asemenea, în locul cuplajului elastic dintre

motor şi reductor se pot întrebuinţa semicuplaje cu dinţi şi un tronson de arbore liber de

torsiune.

47

Fig. 3.1. Mecanisme de ridicare cu cârlig.

Mecanisme de ridicare cu traversă. Pentru transportul laminatelor cu lungime

mare, se întrebuinţează macarale cu braţe sau magneţi montaţi pe o traversă. Pentru

manevrarea acesteia se întrebuinţează o schemă cinematică destul de complicată (fig.

3.3).

Atunci când traversa este echipată cu electromagneţi de ridicare, se întrebuinţează

schema cinematică din fig. 3.3 a. Motorul 1 antrenează reductorul 4, prin intermediul

unui cuplaj elastic 2, prevăzut cu frână 3. Arborele de ieşire al reductorului 4 antrenează,

prin intermediul a câte două cuplaje cu dinţi 5, angrenajele 6, cuplate cu tobele 8. Tobele

9 lipsesc în această soluţie. Pinioanele angrenajelor 6 se sprijină pe lagărele 7, iar tobele

pe lagărele 10. De la una din tobe este antrenată, prin intermediul angrenajului 11, toba

de cablu pentru alimentarea electromagneţilor.

Schema palanelor este arătată în fig. 3.3 c, în care nu s-a mai reprezentat toba

pentru cablul electric. De cele mai multe ori, întregul ansamblu motor – reductor – tobă

este montat pe o platformă rotitoare a unui cărucior de macara, cu scopul de a permite

aşezarea laminatelor în orice poziţie. În funcţie de lungimea traversei, antrenarea tobelor

se poate realiza şi direct de la reductor, prin cuplaje cu bolţuri, ca în fig. 3.2, în care cea

48

Fig. 3.2. Schema cinematică a unui mecanism de ridicare.

de a doua tobă este cuplată pe stânga reductorului. De asemenea, toba pentru cablul

electric poate fi antrenată uneori prin intermediul unui lanţ cu eclise şi bolţuri.

În cazul în care macaraua este echipată cu traversă cu braţe, se întrebuinţează

schema cinematică din fig. 3.3 a şi b. în acest caz există de fiecare parte două tobe 8 şi 9.

toba pentru cablul electric 12 lipseşte. Primul mecanism (cel de ridicare) funcţionează ca

în cazul precedent. Un al doilea mecanism, format din motorul 14, cuplajul elastic 15,

frâna 16, reductorul 17, cuplajele dinţate 18, angrenajul 19, toba 21 şi lagărele 20 şi 22,

serveşte la răsturnarea braţelor.

49

Fig. 3.3. Mecanisme de ridicare cu traversă.

Din schema palanelor din fig. 3.3 d, se vede că prin intermediul tobelor 9 care se

rotesc sincron cu tobele 8, cablurile mecanismului de răsturnare sunt menţinute întinse în

tot timpul ridicării sau coborârii. Cu ajutorul mecanismului din fig. 3.3 b prin acţionarea

tobelor 21, braţele pot fi răsturnate.

Mecanisme de ridicare cu două motoare. Asemenea mecanisme se întrebuinţează

la macaralele care transportă metal lichid, pentru a se mări siguranţa de funcţionare.

În figura 3.4 este arătat un mecanism de ridicare pentru un pod rulant de oţelărie.

Motoarele 1 antrenează, prin intermediul cuplajelor elastice (sau cu dinţi) 2, reductoarele

4. din motive de siguranţă, pe fiecare motor sunt prevăzute două frâne 3. Ieşirile

reductoarelor sunt prevăzute cu câte două pinioane exterioare 5, care angrenează cu roţile

dinţate 6, solidare cu tobele 7 care se sprijină pe lagărele bloc 8. În reductoare sunt

prevăzuţi clicheţii 9, care permit funcţionarea de scurtă durată cu un singur motor. Se

observă că lanţul cinematic este conceput astfel încât, chiar în caz de rupere a unui organ

de transmisie (arbore motor, cuplaj, arbore reductor), sarcina nu cade datorită

angrenajului dintre coroanele dinţate 6.

Mecanisme de ridicare cu mai multe viteze. Aceste mecanisme se întrebuinţează la

macaralele portuare, de construcţii, de montaj sau tehnologice, pentru ridicarea rapidă a

sarcinilor mici sau pentru ridicarea cu viteze mici a sarcinilor mari. Mijloacele de

schimbare a vitezei pot fi mecanice sau electrice.

50

Fig. 3.4. Mecanisme de ridicare cu două motoare.

Cea mai simplă metodă mecanică de schimbare a vitezei constă în modificarea

raportului de transmisie prin reductor. Se întrebuinţează numai la mecanismele folosite

rar. Schimbarea vitezei se poate face numai fără sarcină, prin deplasarea unei manete, fie

manual, fie cu ajutorul unui servomotor.

O altă metodă mecanică de schimbare a vitezei constă în întrebuinţarea troliilor cu

angrenaje. În figura 3.5 este arătat un astfel de mecanism.

Motorul antrenează pinionul 1, care angrenează coroana 3. Motorul este

frânat, deci şi roata dinţată 2 stă pe loc. Coroana 3 este angrenată în interior cu satelitul 5.

Rotirea acestei coroane produce deci o mişcare planetară a satelitului 5 şi prin aceasta

rotirea carcasei 4 a sateliţilor, carcasă care este solidară cu pinionul 6. De aici mişcarea

de rotaţie se transmite prin intermediul roţii dinţate 7, pinionului 8, roţii dinţate 9 şi în

final, tobelor 10. Se realizează în acest fel viteza de ridicare .

Dacă motorul este frânat şi motorul este conectat, mişcarea se transmite de

la roata 2 la satelitul 5, care se deplasează pe dantura interioară a coroanei 3, antrenând

carcasa 4 a sateliţilor. De aici mişcarea se transmite la tobă. Se realizează astfel viteza de

ridicare . Dacă ambele motoare se rotesc în acelaşi sens, viteza de ridicare devine suma

vitezelor , iar dacă sensurile de rotire sunt contrare, viteza de ridicare este egală cu

. Se obţin în felul acesta următoarele viteze de ridicare : ; ;

; .

De obicei, rapoartele de transmisie se aleg astfel încât cele două viteze şi să

fie apropiate. În felul acesta se obţin practic trei viteze :

- viteza maximă, când ambele motoare se rotesc în acelaşi sens;

- viteza medie, când funcţionează un singur motor;

- microviteza, când motoarele se rotesc în sensuri contrare.

Dacă şi diferă mult, avantajul de a realiza patru viteze diferite este anulat în

mare măsură de faptul că microviteza este prea mare.

51

Mecanisme de ridicare pentru graifăre. Graifărele constituie mecanisme de

prindere a unor sarcini mărunte : cărbune, minereu, pietriş etc.

Pentru a înţelege cerinţele ce se impun mecanismelor pentru ridicarea graifărelor,

vom analiza întâi funcţionarea graifărului celui mai des utilizat (fig. 3.6). Un asemenea

graifăr se compune din două cupe 1, articulate pe de o parte prin intermediul pârghiilor 4

de piesa 2, iar pe de altă parte cu ajutorul pârghiilor 3 de pe piesa 5. în mijlocul piesei 2

se găseşte montat scripetele 6. Cele două cabluri a şi b se leagă la două tobe diferite,

paralele, cu axele într-un acelaşi plan orizontal şi cu sisteme de acţionare independente.

În fig. 3.6 a este reprezentat graifărul deschis. În această situaţie cablul a este întins,

iar cablul b este liber. Sub acţiunea greutăţii cuplelor şi a pisei 2, acestea iau poziţia din

figură. Închiderea graifărului se face rotindu-se toba în sensul ridicării. Prin aceasta

cablul b se înfăşoară pe toba sa, scripetele 6 este tras în sus spre piesa 5, trăgând după

sine piesa 2 şi deci închizând cele două cupe.

În fig. 3.6 b, graifărul este reprezentat închis. El este suspendat pe cablul b, cablul a

rămânând liber. În situaţia aceasta graifărul poate fi ridicat. Pentru a-l deschide este

suficient să se rotească toba în sensul coborârii. Prin aceasta, toată greutatea

graifărului este preluată treptat de cablul a. Sub acţiunea greutăţii cuplelor, a materialului

conţinut şi a pisei 2, graifărul se deschide. Este important de reţinut faptul că din punct de

52

Fig. 15. Mecanism de ridicare cu mai multe viteze.

vedere cinematic graifărul este astfel calculat încât la orice sarcină, în cazul unor tensiuni

egale în cele două cabluri, el rămâne închis.

Din cele scrise mai sus rezultă deci că pentru acţionarea graifărelor de tipul cu două

cabluri este necesar ca tobele să execute mai multe feluri de mişcări singulare sau

simultane, şi anume :

- la umplere graifărului se roteşte în sensul ridicării numai toba de închidere, în

timp ce toba de ridicare trebuie să permită slăbirea cablurilor în scopul unei înfundări în

material şi al unei umpleri mai bune;

- la ridicarea şi coborârea graifărului închis, ambele tobe trebuie să se rotească

sincron, cu toate cablurile întinse uniform;

- la deschiderea graifărului trebuie ca vitezele de rotire a tobelor să fie diferite;

- la coborârea graifărului deschis este necesar ca viteza tobei de închidere să fie mai

mare;

- la ridicarea graifărului deschis trebuie ca viteza tobei de închidere să fie mai mică

decât cea a tobei de ridicare; cablurile de ridicare trebuie să fie tot timpul întinse, în timp

ce cablurile de închidere sunt slăbite treptat. În cazul în care toba de ridicare este oprită,

închiderea graifărului se face pe loc.

53

Fig. 3.6. Graifăr deschis. Graifăr închis.

Tobele mecanismelor de ridicare su graifăr pot fi acţionate cu unul sau două

motoare. În fig. 3.7 este prezentat un mecanism cu graifăr acţionat cu un singur motor.

Motorul M antrenează toba de închidere I prin intermediul cuplajului elastic 1,

pinionului 2, roţii 3, pinionului4 şi roţii 5. Roata dinţată 8 este cuplată cu toba de

închidere prin intermediul pinionului 6 şi al roţii 5. Satelitul 7 este cuplat cu toba de

ridicare R prin intermediul casetei sateliţilor, pinionului 10 şi roţii dinţate 11. Coroana

sateliţilor 9 poate fi frânată prin intermediul frânei 13. dacă aceasta este deschisă, asupra

tobei R nu se poate exercita nici un cuplu; dacă frâna este închisă se stabileşte o cuplare

rigidă a tobei R cu toba I.

La închiderea graifărului, motorul M este conectat în sensul ridicării, antrenând în

acelaşi sens toba de închidere I, în timp ce toba de ridicare R este uşor antrenată datorită

cuplului de frânare produs de arcul 14 al frânei 13 (fig. 3.7 b) şi se întind cablurile de

ridicare. După închidere se trece automat la ridicarea graifărului, greutatea acestuia fiind

preluată aproape în întregime de cablurile de închidere. La golire se închide frâna 12

calată pe caseta sateliţilor. Prin aceasta toba R este oprită. Motorul M este conectat în

sensul coborârii, iar graifărul se deschide.

54

Fig. 3.7. Mecanism cu graifăr acţionat cu un singur motor.

Dacă graifărul trebuie să fie coborât în stare închisă, motorul M este conectat în

sensul coborârii, iar frânele 12 şi 13 sunt deschise, astfel că toba R este antrenată în jos

datorită cuplului creat de arcul 14.

Pentru coborârea graifărului gol deschis, este necesar ca motorul M să fie conectat

în sensul coborârii, frâna 12 să fie deschisă, iar frâna 13 să fie închisă. Trebuie procedat

astfel, deoarece graifărul, atârnând cu întreaga greutate de cablurile de ridicare, ar

accelera toba R, momentul produs de arcul 14 fiind prea mic pentru a asigura

sincronizarea cu toba I.

La ridicarea graifărului gol deschis, se procedează la fel ca la coborâre, numai că

motorul este conectat în sensul ridicării.

Mecanismele pentru graifăr cu un singur motor sunt relativ complicate, din această

cauză în practică se foloseşte mai des mecanismul cu două motoare (fig. 3.8). Aceasta se

compune din două trolii de ridicare, normale, acţionate separat.

Pentru umplere, graifărul gol deschis este aşezat pe material. Acţionându-se

motorul şi toba de închidere I în sensul ridicării, graifărul se deschide umplându-se

cu material. După închidere, mişcarea se transformă în ridicare. În acest moment este

conectat şi motorul , tot în sensul ridicării. Demararea este rapidă întrucât se face în

gol. Sarcina este repartizată de macaragiu pe mabele tobe, prin introducerea treptelor

corespunzătoare de rezistenţă rotorică.

55

Fig. 3.8. Mecanism cu graifăr acţionat cu două motoare.

La coborârea graifărului, ambele motoare sunt conectate simultan în sensul

coborârii. Eventualele tendinţe de deschidere sunt corectate prin poziţii corespuzătoare

ale controlerului. Pentru deschidere se conectează în sensul coborârii, în timp ce

motorul este oprit sau conectat cu o viteză mică (frânare în contracurent).

Pentru coborârea graifărului gol deschis, motorul este conectat în contracurent

întrucât este antrenat de greutatea proprie a graifărului, iar motorul este conectat

normal.

Se mai execută şi mecanisme pentru graifăr cu două motoare şi angrenaje planetare

care se manevrează uşor şi au o mare productivitate, dar sunt relativ complicate şi

scumpe.

Mecanisme speciale de ridicare. În afară de mecanismele de ridicare amintite,

există o serie de mecanisme de ridicare pentru scopuri speciale, ca de exemplu:

mecanismele pentru poduri rulante de tratamente termice, la care ridicarea se realizează

cu un motor, iar coborârea la viteze foarte mari se realizează frânat; mecanismele cu

acţionare hidraulică; mecanismele de ridicare pentru deservirea preselor hidraulice etc.

care depăşesc însă cadrul lucrării de faţă.

3.3.2. Mecanisme pentru înclinarea braţelor.

În principiu, macaralele cu braţ se pot împărţi în trei categorii, după forma curbei

pe care o descrie rola plasată pe vârful braţului şi anume:

macarale la care rola din vârful braţului descrie un arc de cerc (fig.3.9);

macarale la care rola din vârful braţului descrie o curbă oarecare (fig. 3.10);

macarale la care rola din vârful braţului descrie practic o orizontală (fig. 3.11).

La macaralele la care rola din vârful braţului descrie un cerc, este necesar ca, la

înclinarea braţului, sarcina să se deplaseze pe orizontală. Pentru a se realiza această

cerinţă, se pot întrebuinţa mai multe soluţii. În soluţia prezentată în figura 3.9, înclinarea

braţului este urmată de deplasarea pe planul înclinat 9, a căruciorului cu contragreutate 8.

cablul sarcinii 7 este trecut peste rola din vârf 2, rola 3, rola 5, rola 4 (montată pe

contragreutate) Şi se înfăşoară pe toba 6. Rezultă că fiecare înclinare a braţului este

urmată automat de o lungire sau de o scurtare a cablului, iar cârligul se deplasează pe

orizontală.

În figura 3.10 este prezentată schema unui braţ de macara al cărui vârf descrie o

elipsă. Înclinarea se realizează prin deplasarea pe orizontală a rolei 2, fixată de braţ, Şi pe

56

verticală a rolei 3, de asemenea fixată de braţ. Şi aici palanul are un sistem compensator

care depasează cârligul pe orizontală, la orice înclinare a braţului.

În figura 3.11 este reprezentat un mecanism de înclinare a braţului la care vârful

acestuia se deplasează pe o curbă practic orizontală. Baraţul 5 se roteşte în jurul

articulaţiei 7, iar vârful articulat 6 al braţului se roteşte în jurul punctului 1. Tirantul 4

este format din mai multe cabluri care la înclinarea braţului se înfăşoară la vârf pe un

profil astfel ales, încât rola de cablu 2 se deplasează pe o curbă apropiată de orizontală.

Mecanismul de înclinare este format din pinionul 10, care angrenează cu sectorul

dinţat 3. Aceata, prin intermediul tiranului 11, înclină braţul. Contragreutatea 9 este

articulată excentric pe sectorul dinţat 3, astfel încât la înclinarea braţului să dea momente

variabile, în scopul unei mai bune echilibrări. Cablul sarcinii trece peste rolă şi se

înfăşoară pe toba 8. Îtrucât vârful braţului se deplasează orizontal, la palan nu mai este

necesar un sistem de compensare.

Mecanismele pentru înclinarea braţului pot fi de mai multe feluri, şi anume:

- mecanisme de înclinare cu palane, care acţionează aproape de vârful braţului (fig.

3.12, a)

- mecanisme de înclinare cu cremalieră (fig. 3.12, b, c, d);

- mecanisme de înclinare cu şurub (fig. 3.12, e);

- mecanisme de înclinare cu sector dinţat (fig.3.12, f);

- mecanisme de înclinare cu excentric şi pârghii articulate (fig.3.12, g);

57

Fig. 3.9. Macarale la care rola din vârful braţului descrie un arc de cerc.

Fig. 3.10. Macarale la care rola din vârful braţului

descrie o curbă oarecare.

- mecanisme de înclinare hidraulice (fig. 3.12, h).

58

Fig. 3.16. Mecanism de înclinare a braţului la care vârful acestuia se deplasează pe o curbă orizontală.

Fig. 3.12. Mecanisme de înclinare.

3.3.3. Mecanisme de translaţie.

Mecanismele de translaţie servesc la deplasarea cărucioarelor sau a macaralelor.

Pentru căile de rulare cu şine, macaralele sunt echipate cu roţi de rulare antrenate şi

libere. În funcţie de aderenţa necesară, raportul roţilor antrenate faţă de numărul total de

roţi este 1/1; 1/2 sau 1/4. Se mai întrebuinţează uneori şi mecanisme de translaţie cu

tractare prin cablu.

Mecanisme de translaţie pentru poduri rulante. Mecanismele de translaţie ale

podurilor rulante se pot realiza în mai multe variante:

Cu arbore de turaţie mare şi două reductoare de capăt, soluţie care poate

prezenta avantaje economice, dacă deschiderea podului depăşeşte 15 – 20 m (fig.3.13).

Motorul 1 antrenează, prin intermediul cuplajelor elastice 2 şi al cuplajelor dinţate 3,

reductoarele 4, care prin intermediul unor cuplaje dinţate atacă central roţile de rulare 5.

Cu arbore de turaţie joasă şi angrenaj deschis la roţile de rulare. Motorul 1

antrenează, prin intermediul cuplajului elastic 2, reductorul 3. Ieşirea din reductor se face

prin intermediul cuplajelor dinţate 4. Antrenarea roţilor de rulare se realizează prin

intermediul angrenajelor deschise 5. (fig. 3.14).

59

Fig. 3.13. Mecanism de translaţie pentru poduri rulante cu arbore de turaţie mare şi două reductoare de capăt.

Cu arbore de turaţie joasă şi atac central la roţile de rulare (fig.3.15). Schema se

aseamănă în principiu cu cea din fig. 3.14, cu deosebirea că în locul angrenajelor deschise

de la capete se întrebuinţează două reductoare închise, iar roţile de rulare sunt acţionate

central, prin intermediul unor cuplaje dinţate sau cu cruce.

Cu antrenare la cele două capete prin două motoare independente, fără arbore

electric. Motoarele 1, dispuse simetric la capetele podului rulant, antrenează reductoarele

închise 3, prin intermediul cuplajelor elastice 2. Antrenarea roţilor de rulare 5 se

60

Fig. 3.14. Mecanism de translaţie pentru poduri rulante cu arbore de turaţie joasă şi angrenaj deschis la roţile de rulare.

Fig. 3.15. Mecanism de translaţie pentru poduri rulante cu arbore de turaţie joasă şi atac central la roţile de rulare.

realizează central prin intermediul unor cuplaje cu cruce sau cu dinţi. Această soluţie

necesită o anumită rigiditate a construcţiei metalice. (fig.3.16).

Mecanisme de translaţie pentru macarale capră şi poduri transbordoare. Soluţiile

constructive pentru mecanismele de translaţie ale macaralelor capră şi ale podurilor

transbordoare sunt asemănătoare cu acelea pentru macarale portal. În prezent se

întrebuinţează acţionarea roţilor de pe o parte a căii de rulare, după schema din fig. 3.17.

61

Fig. 3.16. Mecanism de translaţie pentru poduri rulante cu antrenare la cele două capete prin două motoare independente, fără arbore electric.

Fig. 3.17. Acţionarea roţilor de pe o parte a căii de rulare.

5 – pinioane dinţate conice

6 – roţi dinţate conice

7 – pinioane cilindrice

8 – coroane dinţate

9 – roţi de rulare

10 – roţi dinţate libere

11 – roţi de rulare

Mecanismele de translaţie ale acestor macarale mai pot fi şi de tipul cu un singur

motor de acţionare, amplasat central. În această situaţie antrenarea roţilor motoare se

realizează cu ajutorul unui reductor cu roţi cilindrice şi cu ajutorul angrenajelor conice

(fig.3.18).

Mecanisme de translaţie cu cabluri. Mecanismele de translaţie cu cabluri se

întrebuinţează de obicei la cărucioarele macaralelor turn, ale macaralelor funicular, ale

macaralelor rotitoare etc., permiţând deplasarea pe planuri înclinate cu viteze şi

acceleraţii relativ mari.

În cazuri speciale, tractarea prin cablu se aplică şi la macarale. În fig. 3.19 este

arătată schema cinematică a unui mecanism de ridicare şi translaţie cu cablu. Tamburul 1

al mecanismului de ridicare antrenează, peste rolele 2, palanul 3 montat pe căruciorul 4.

Mecanismul de translaţie este compus din tamburul 5 pe care sunt înfăşurate mai multe

62

Fig. 3.18. Mecanism de translaţie cu un singur motor de acţionare, amplasat central.

spire. Cablul de tracţiune trece peste rolele de ghidare 6 şi este menţinut întins de

contragreutatea 7. la rotirea tamburului 5 într-un sens sau altul, căruciorul 4 se deplasează

pe calea de rulare. Această operaţie este însoţită de rotirea rolelor 3 şi 8 fără ca sarcina să

înregistreze vreo deplasare pe verticală în raport cu calea de rulare a căruciorului.

Mecanisme de translaţie pentru macarale deplasabile pe linii de cale ferată, pe

pneuri sau pe şenile. Macaralele rotitoare de acest fel se caracterizează printr-o

construcţie foarte strâsă, impusă de condiţiile de gabarit. Se întrebuinţează în depozite,

porturi, şantiere etc. În principiu, toate mecanismele sunt antrenate de la un motor comun

care poate fi cu explozie sau electric. Acţionarea individuală electrică se întrebuinţează

mai rar.

Motorul antrenează de obicei un arbore orizontal de unde se iau, prin cuplaje,

prizele de putere pentru diferitele mecanisme. Pentru mecanismul de translaţie este

prevăzut un angrenaj conic reversibil. La mecanismele de translaţie cu şenile, fiecare

şenilă poate fi frânată separat, în scopul realizării mişcărilor în curbe.

Mecanisme de translaţie păşitoare. Se întrebuinţează numai la acele instalaţii de

ridicat la care se poate admite o vitază mică de deplasare.

La aceste mecanisme, greutatea proprie a maşinii este deplasată prin intermediul a

două organe de sprijin, a căror poziţie reciprocă se modifică în timp. Acţionarea poate fi

realizată printr-un mecanism cu patru articulaţii, cu bielă-manivelă şi culisă, cu excentric

63

Fig. 3.19. Schema cinematică a unui mecanism de ridicare şi translaţie cu cablu.

sau hidrauluic. În figura 3.20 este arătată schema de principiu a unui mecanism păşitor cu

patru articulaţii (1 – saşiul maşinii, 2 – sistemul de rezemare, 3 – articulaţii).

3.3.4. Mecanisme de rotire.

Mecanismele de rotire ale macaralelor pot fi împărţite, după modul de rezemare, în:

mecanisme de rotire cu coloană;

mecanisme de rotire cu placă turnantă.

Coloanele pot fi fixe sau rotative. Plăcile turnante, la rândul lor, pot avea diferite

forme constructive:

cu un singur rând de bile;

cu sistem de rotire asigurat împotriva răsturnării;

cu role pe inel de rulare.

După modul de antrenare dintre mecanism şi partea rotitoare se deosebesc:

mecanisme de rotire cu angrenaj cilindric;

mecanisme de rotire cu angrenaj cu bolţuri;

mecanisme de rotire cu antrenare prin roţi de rulare;

mecanisme de rotire cu antrenare prin cablu.

În figura 3.21 este arătat un mecanism de rotire, la care motorul de antrenare 1 este

plasat orizontal. Antrenarea se realizează prin cuplajul elastic 2, angrenajul conic 3 – 4 şi

64

Fig. 3.20. Schema de principiu a unui mecanism păşitor cu patru articulaţii.

angrenajele cilindrice 5 – 6; 7 – 8. Pinionul exterior în consolă 9 angrenează în coroana

dinţată sau cu bolţuri 10.

În figura 3.22 este arătat un mecanism de rotire cu motor orizontal, care prin

intermediul cuplajului elastic 2 antrenează angrenajul cu melc 3 – 4. pe arborele roţii

melcate 4 este montat pinionul cilindric exterior 5, care angrenează cu roata dinţată 6.

Aceasta la rândul ei antrenează pinionul în consolă 7, care angrenează coroana fixă cu

dantură normală sau cu bolţuri 8.

65

Fig. 3.21. Mecanism de rotire cu motorul de antrenare plasat orizontal.

Privite din punctul de vedere al acţionării electrice, mecanismele de rotire se

aseamănă cu mecanismele de translaţie atât în ceea ce priveşte rezistenţele la rulare, cât şi

în privinţa influenţei vântului şi a maselor care trebuie accelerate şi frânate.

3.4. Sisteme de frânare electrică folosite la acţionarea mecanismelor

macaralelor.

Mecanismele macaralelor sunt prevăzute în general cu frâne mecanice, cu acţionare

manuală sau electromagnetică, pentru frânarea şi oprirea precisă în anumite poziţii.

Acţionarea manuală directă se realizează de obicei greu, datorită distanţei mari dintre

frână şi locul de comandă. În plus, sunt necesare eforturi mari din partea manipulantului.

Datorită acestor cauze, pentru acţionarea frânei mecanice se folosesc, de cele mai multe

ori, electromagneţi de frână.

Frânele folosite la podurile rulante, atât cele cu saboţi cât şi cele cu panglică, sunt

acţionate de un electromagnet. Când bobina acestuia nu este alimentată, mecanismul

respectiv al podului este frânat fie sub acţiunea unui resort, fie a unei greutăţi.

În afară de frânarea mecanică, la acţionarea macaralelor se foloseşte de cele mai

multe ori şi cea electrică, prima fiind păstrată ca o rezervă a celei de-a doua. Principalele

avantaje ale frânării electrice, care se impun faţă de cea mecanică, sunt:

caracteristica mecanică de funcţionare a motorului, în regimul de frânare la

coborârea sarcinii, asigură stabilitatea sistemului; la o eventuală creştere a vitezei la

66

Fig. 3.22. Mecanism de rotire cu motor orizontal şi angrenaj cu melc.

arbore, creşte şi cuplul de frânare, ceea ce duce sistemul la un nou regim de funcţionare

stabilă. La frânarea mecanică, dimpotrivă: efortul de frânare este dat de produsul dintre

forţa de apăsare şi coeficientul de frecare. Acesta din urmă scade cu creşterea vitezei,

astfel încât rezultă o micşorare a cuplului de frânare la creşterea vitezei.

dă posibilitatea să se utilizeze energia provenită din coborârea sarcinii

(recuperare).

evită uzura pieselor de frânare.

ridică siguranţa în exploatarea instalaţiei, prin dublarea celei mecanice.

Dezavantajul principal al frânării electrice constă în faptul că atunci când motorul

electric este prevăzut să lucreze şi în regim de frânare, el trebuie să fie dimensionat ca

atare, adică la o putere mai mare decât dacă ar funcţiona numai în regim de motor.

Cu ocazia prezentării regimurilor de funcţionare ale motoarelor electrice s-au

definit principalele regimuri de frânare:

frânare prin funcţionare ca generator cu recuperare;

frânare dinamică;

frânare prin cuplare inversă.

3.4.1. Frânarea electrică la sistemele de acţionare cu motoare derivaţie de

curent continuu.

Frânarea prin funcţionare ca generator cu recuperare. În ipoteza că motorul

electric de acţionare este cuplat pentru coborârea unei sarcini, după pornirea sistemului,

punctul de funcţionare se poate găsi la un moment dat în A, pe caracteristica mecanică

naturală a motorului (fig. 3.23). În acest punct, motorul ar funcţiona în regim stabilizat

numai dacă, sarcina ce coboară fiind mică, ar trebui să dezvolte pe arborele său un cuplu

pozitiv (motor), necesar pentru învingerea momentului static rezistent, care, în cazul de

faţă, poate fi datorat frecărilor. Dacă, însă, se coboară sarcini mari, astfel încât cuplul

static rezistent util (negativ deoarece acţionează în sensul coborârii sarcinii, ajutând

mişcarea) este mai mare decât cel datorat frecărilor (pozitiv), cuplul rezistent static total

M, este negativ, iar punctul de funcţionare nu se mai stabilizează în A.

În această situaţie, sistemul se accelerează sub acţiunea celor două cupluri, motor şi

rezistent static care, în acest caz, se adună. Creşterea vitezei de coborâre face ca punctul

de funcţionare să se deplaseze pe caracteristica mecanică naturală I spre B. În felul

acesta, cuplul dat de motor scade în valoare absolută, se anulează în punctul B şi apoi,

dacă accelerarea continuă, îşi schimbă semnul devenind negativ. Regimul de funcţionare

67

al sistemului se stabilizează în acest caz, într-un punct C, în care cuplul dat de motor

. Se observă că este negativ.

Deoarece, conform ipotezei, motorul electric este cuplat la reţea în sensul coborârii

sarcinii, iar în punctul C, , rezultă că acest cuplu acţionează în sens invers mişcării,

fiind un cuplu de frânare. Motorul funcţionează deci în regim de frânare. În plus fiind

negativ, rezultă că şi curentul corespunzător , deci motorul nu va absorbi curent din

reţea, ci va ceda. Prin urmare, motorul funcţionează în regim de frânare cu recuperare de

energie.

Cu privire la funcţionarea motorului în regim de frânare cu recuperare de energie se

fac următoarele observaţii:

motorul poate funcţiona în acest regim numai dacă viteza sa este mai mare

decât viteza de mers în gol ideal ( ). Înseamnă deci, că frânarea se poate face numai la

viteze ridicate, ceea ce constituie un dezavantaj. De asemenea, rezultă că frânarea cu

recuperare nu poate fi folosită pentru oprirea motorului, ci numai pentru limitarea vitezei

în cazul coborârii sarcinilor mari.

68

Fig. 3.23. Caracteristica mecanică naturală a motorului.

pentru a se realiza o viteză de coborâre mai mică, ar trebui să se reducă

tensiunea de alimentare, astfel încât să se treacă funcţionarea motorului pe o

caracteristică mecanică artificială 2, iar punctul de funcţionare, pentru aceeaşi sarcină, să

treacă în . Acest lucru este posibil şi frecvent utilizat în cazul acţionărilor electrice cu

grup generator – motor, dar nu se poate aplica în mod curent alimentării motorului de la o

sursă cu tensiune constantă.

introducerea unei rezistenţe suplimentare în circuitul indusului motorului ar

duce la trecerea funcţionării acestuia pe caracteristica mecanică artificială 3. Se observă

că în acest caz, pentru acelaşi cuplu de sarcină, punctul de funcţionare trece în , pentru

care viteza de regim este , ceea ce nu este recomandabil. În consecinţă, la

funcţionarea motorului în regim de frânare cu recuperare, nu se recomandă introducerea

de rezistenţe suplimentare în circuitul indusului, deoarece ale duc la creşterea vitezei

coborâre, fără a mări valoarea energiei recuperate. Surplusul de putere, datorat unei

viteze mai mari, se pierde inutil pentru încălzirea rezistenţei.

Frânarea dinamică. În regimul de frânare dinamică, cuplul de frânare al motorului

derivaţie de curent continuu variază proporţional cu viteza acestuia. Deci cuplul de

frânare variază între limite foarte largi, fiind mare la începutul frânării şi scăzând o dată

cu viteza motorului, dacă rezistenţa exterioară de frânare rămâne aceeaşi.

Frânarea dinamică nu poate fi folosită pentru oprirea completă a sistemului, la

coborârea sarcinii, deoarece în momentul când cuplul de frânare dat de motor devine egal

cu cel rezistent static (negativ în acest caz), funcţionarea se stabilizează la o viteză

(fig. 3.24). Pentru a micşora viteza sub această limită sau pentru oprirea motorului,

trebuie să se treacă fie la frânarea prin cuplare inversă, fapt care complică mult instalaţia

electrică de comandă, fie la frânarea mecanică, care să asigure un cuplu de frânare mai

mare decât cel rezistent static, până la oprirea completă.

La coborârea sarcinilor, frânarea dinamică este recomandabilă când viteza de

coborâre trebuie să fie mai mică decât viteza de mers în gol ideal , când nu se poate

folosi frânarea prin recuperare. Frânarea dinamică dă rezultate bune la oprire, în cazul

ridicării sarcinilor mici.

Frânarea dinamică prezintă dezavantajul că timpul de frânare este mai lung, cuplul

scăzând o dată cu viteza.

Rezistenţele de frânare sunt în funcţie de cuplul iniţial de frânare :

69

Frânare prin cuplare inversă. Trebuie remarcat de la început că, deoarece pirderile

de energie în cazul acestui sistem de frânare sunt foarte mari, folosirea acestuia se

recomandă numai în cazul regimurilor tranzitorii de scurtă durată. Se demonstrează că

pierderile de energie în cazul regimului de cuplare inversă sunt de trei ori mai mari decât

în timpul regimului tranzitoriu de pornire a motorlui electric.

Totuşi, frânarea prin cuplare inversă prezintă unele avantaje incontestabile faţă de

celelalte sisteme de frânare electrică, principalele fiind:

Duce la scheme de comandă mai puţin complicate decât în cazul frânării

dinamice, deci la instalaţii mai sigure în exploatare.

Viteza de coborâre a sarcinii se poate modifica după voie, prin alegerea

convenabilă a rezistenţei din circuitul indusului.

Frânarea prin cuplare inversă este singurul regim care poate fi utilizat pentru

coborârea sarcinilor mari. De asemenea, este singurul regim de frânare electrică prin care

sarcina în coborâre poate fi oprită complet, reglând cuplul de frânare la o valoare

superioară faţă de valoarea cuplului static redus, pe toată durata incetinirii mişcării.

Este de ramarcat însă că, panta caracteristicilor de funcţionare în acest regim fiind

în general mare, stabilitatea de funcţionare a agregatului motor – mecanism acţionat este

mică (la o variaţie mică de sarcină corespunde o variaţie mare de viteză), constituind încă

un motiv pentru care această frânare nu se recomandă decât în regim de scurtă durată.

70

Fig. 3.24. Frânarea dinamică.

Pentru calculul rezistenţei ce se introduce în circuitul indusului motorului în regim

de cuplare inversă, se pleacă de la relaţia:

(3.1)

(3.2)

Deoarece această rezistenţă este de obicei mai mare decât cea totală la pornire,

reostatul de pornire se prevede cu o treaptă suplimentară de rezistenţă, numită de cuplare

inversă , dată de relaţia:

(3.3)

Ca şi în cazul frânării dinamice, rezistenţa de cuplare inversă poate fi împărţită în

trepte, impunându-se un cuplu mediu şi unul minim de frânare.

3.5. Comanda acţionării electrice a macaralelor.

Pentru realizarea practică a diferitelor sisteme de acţionare, motoarele şi aparatele

de comandă aferente se conectează după anumite scheme electrice. La alegerea acestora

trebuie să se ţină seama de o serie întreagă de condiţii, dintre care cele mai importante

sunt:

pornirea motoarelor la sarcina nominală trebuie să se realizeze într-un timp scurt,

fără ca în cazul unei sarcini reudse să apară oscilaţii. Pentru realizarea acestei condiţii

este necesar ca numărul de trepte de pornire să fie cu atât mai mare, cu cât viteza şi

sarcina, deci puterea motorului sunt mari. Aceeaşi atenţie trebuie acordată frânării,

trebuind să se verifice dacă cea mecanică este suficientă sau este necesară şi o frânare

electrică.

posibilitatea de reglare a vitezei de lucru. În general, este necesar ca sarcinile

mari să fie deplasate cu viteze mici în scopul obţinerii capacităţii maxime de transport, la

o putere dată a motoarelor de acţionare. În acelaşi timp, pentru anumite operaţii de

montaj este necesar ca, pe lângă viteza de regim, sarcina să poată fi ridicată şi coborâtă cu

o viteză redusă de 0,1 – 0,3 , care să fie pe cât posibil independentă de sarcină.

manevrarea să fie simplă şi comodă, pentru ca întreaga atenţie a macaragiului să

se concentreze asupra sarcinii. Sensurile de deplasare ale diverselor manete trebuie să

corespundă pe cât posibil cu sensul de deplasare al sarcinii.

71

întreţinerea să fie cât mai simplă şi să permită utilizarea unui personal fără

calificare înaltă.

soluţia să fie ieftină, pentru a permite obţinerea unor indici tehnico-economici

ridicaţi.

Se poate afirma că nici una din schemele electrice de acţionare nu răspunde

simultan, în aceeaşi măsură, la toate condiţiile de mai sus. Cu cât cerinţele la care

răspunde o schemă sunt mai ridicate, cu atât schema se complică şi probabilitatea

apariţiei de defecte creşte. De aceea, nu trebuie pierdut din vedere că, în multe cazuri,

soluţiile cele mai simple dau şi cele mai bune rezultate.

Deoarece numărul de scheme pentru comanda acţionării electrice a mecanismelor

macaralelor este foarte mare, în cele ce urmează, pentru descrierea lor, s-a făcut o

clasificare a acestora în: scheme de comandă în curent continuu şi scheme de comandă în

curent alternativ. De asemenea, sunt tratate separat schemele pentru mecanismele de

ridicare şi pentru cele de deplasare.

3.5.1. Scheme de comandă în curent continuu. Scheme de comandă a

mecanismelor de ridicare.

La alegerea schemelor de comandă pentru mecanismele de ridicare trebuie să se

ţină seama de faptul că, la deplasarea sarcinii în sensul ridicării, maşina de acţionare

lucrează în regim de motor, în timp ce la coborâre, datorită cuplului sarcinii, de acelaşi

sens cu cuplul dat de motor, maşina de antrenare lucrează, de obicei, în regim de

generator, adică de frânare. Excepţie fac numai mecanismele de ridicare cu autofrânare,

la care maşina de acţionare lucrează atât la ridicarea, cât şi la coborârea sarcinii în regim

de motor.

În cazul acţionării cu motoare de curent continuu cu excitaţie derivaţie, când

rezistenţa de pornire este scurtcircuitată, turaţia este foarte apropiată de cea nominală,

indiferent de sarcină. La coborârea sarcinilor, maşina derivaţie poate dezvolta un cuplu de

frânare (funcţionare în regim de generator cu recuperare), numai dacă turaţia depăşeşte

turaţia nominală. Din aceste motive motorul derivaţie se întrebuinţează rar pentru

mecanismele de ridicare.

În cazul motorului serie, dacă pentru coborâre se întrebuinţează o schemă de

comandă similară cu cea de ridicare, maşina nu poate dezvolta un cuplu de frânare. Din

acest motiv schema de coborâre diferă de schema de ridicare. Cu o schemă de comandă

72

asimetrică, motorul serie cu o slabă caracteristică de motor derivaţie este superior

motorului derivaţie sau compound.

În figura 4.1 a, b este arătată schema de principiu a unui motor derivaţie, ce poate fi

folosită la mecanismele de ridicare. Această shemă se execută simetric pentru ridicare şi

coborâre.

În această schemă, RP este rezistenţa de pornire, RF – rezistenţa de frânare, iar RP

– o rezistenţă de protecţie a înfăşurării de excitaţie, la trecerea din regim de motor în

regim de frânare. Motorul derivaţie cu rezistenţă suplimentară în paralel cu rotorul

prezintă caracteristici bune de frânare, însă caracteristica mecanică este prea rigidă şi nu

se adaptează sarcinii, din care cauză se întrebuinţează rar. Schema de principiu, pentru

poziţia de zero a controlerului (b), este caracterizată prin scurtcircuitarea rotorului peste o

parte a rezistenţei de pornire, excitaţia fiind constantă.

În figura 3.26 a,b este indicată schema de principiu a unui motor compound cu

înfăşurare de excitaţie în serie slabă, deci cu un caracter pronunţat de motor derivaţie.

Această schemă se execută asimetric pentru sensurile de ridicare şi coborâre. În figură

este reprezentată schema pentru ridicare (a) şi schema pentru coborâre (b), în care maşina

lucrează ca generator, debitând pe rezistenţe. Efectul de frânare este cu atât mai mare cu

cât rezistenţa are o valoare mai mică. Rezistenţa de amortizare RA are ca scop să

împiedice scurtcircuitarea completă a rotorului. Prezentând aceleaşi caracteristici

mecanice rigide şi acestă schemă se întrebuinţează rar.

73

Fig. 3.25. Schema de principiu a unui motor derivaţie.

a b

În figura 3.27 a,b este indicată schema de principiu a unui motor serie. Şi acestă

schemă este asimetrică. Pentru ridicare (a), este prevăzută uneori pe primele două trpte, o

rezistenţă în paralel cu rotorul. Datorită curentului suplimentar care trece prin rezistenţă,

înfăşurarea de excitaţie este străbătută de un curent mai mare, ceea ce permite ca şi

sarcinile mici să poată fi ridicate cu viteze reduse. Schema pentru coborâre (b) se

caracterizează prin funcţionarea maşinii în regim de generator, cu debitare pe rezistenţă.

Această schemă se întrebuinţează la sarcini constante şi la puteri medii.

74

Fig. 3.26. Schema de principiu a unui motor compound de excitaţie în serie slabă.

a – schema pentru ridicare; b – schema pentru coborâre

Fig. 3.27. Schema de principiu a unui motor serie.

a – pentru ridicare; b – pentru coborâre.

În figura 3.28 a, b, c este prezentată schema de principiu a unui motor compound cu

o caracteristică pronunţată de motor serie. Şi în acest caz, schema de conectare pentru

ridicare (a) diferă de cea de coborâre (b,c). La schema de ridicare, pe primele poziţii ale

controlerului se prevede o rezistenţă în paralel cu rotorul, schema fiind asemănătoare

principial cu cea din figura 3.27 a. Schema de coborâre (b) este caracterizată prin

funcţionarea maşinii în regim de generator cu frânare dinamică, adică cu debitare pe

rezistenţe. Schema aceasta este potrivită pentru coborârea sarcinilor mari, întrucât cuplul

de frânare dezvoltat este ridicat.

În figura 3.28 c este prezentată schema de principiu pentru poziţia zero a

controlerului. Se observă că înfăşurarea de excitaţie în paralel este deconectată de la

reţea. Rotorul este deconectat monopolar de la reţea, fiind conectat pentru funcţionare ca

generator, pe rezistenţa de amortizare, o parte a rezistenţei de pornire şi înfăşurarea de

excitaţie.

În figura 3.29 sunt prezentate schemele secvenţelor de conectare, pentru un motor

serie de curent continuu folosit la mecanismele de ridicare. Pe poziţia 1 de ridicare, în

75

Fig. 3.28. Schema de principiu a unui motor compound cu o caracteristică pronunţată de motor serie.

a – pentru ridicare; b, c – pentru coborâre

paralel cu rotorul, este conectată o rezistenţă care face ca prin înfăşurarea de excitaţie EF

să treacă un curent mai mare decât acela care o străbate în mod normal. Datorită întăririi

câmpului magnetic, turaţia motorului nu poate depăşi o anumită limită, nici chiar la

sarcini mici, care în felul acesta pot fi ridicate cu viteze reduse. Pe poziţia 2 de ridicare

schema este similară, cu deosebirea că efectul de şuntare a motorului este micşorat şi

vitezele obişnuite sunt mai mari. Pe poziţiile 3 – 6 de ridicare, rezistenţa de pornire RP

este scurtcircuitată în trepte succesive, pană când, pe ultima poziţie, ajunge la valoarea

zero. Când se revine cu controlerul către poziţia de zero, poziţiile 2 şi 1 dau o frânare

electrică suplimentară.

Pe poziţia de zero rotorul, înfăşurarea de excitaţie şi rezistenţa de amortizare sunt

conectate într-un circuit închis. Magnetul de frână este deconectat de la reţea şi frâna

mecanică este închisă. Chiar dacă din cauza unei defecţiuni, frâna mecanică nu

acţionează, sarcina poate coborâ numai cu viteză redusă, datorită frânării electrice, în

regim de generator cu frânare dinamică. Pe poziţia 1 de coborâre, înfăşurarea de excitaţie

este conectată la reţea în serie cu o parte a rezistenţei de pornire. Rotorul este conectat în

paralel cu înfăşurarea de excitaţie şi datorită faptului că aceasta împreună cu rezistenţa de

pornire joacă rolul unui divizor de tensiune, i se aplică o tensiune redusă. Câmpul

magnetic fiind puternic, tensiunea electromotoare indusă în rotor capătă valori relativ

mari, vhiar la turaţii reduse. Sarcinile mari au tendinţa de a antrena rotorul şi, datorită

tensiunii electromotoare induse, care depăşeşte tensiunea aplicată la borne, maşina trece

în regim de generator, dezvoltând un cuplu de frânare puternic. Curentul rotoric, cu atât

mai mare, cu cât sarcina, deci viteza de coborâre este mai mare, întăreşte la rândul lui

câmpul magnetic, ceea ce face să se obţină un efect de compoundare, adică viteza de

coborâre este relativ puţin dependentă de sarcină. Pe poziţiile II – IV, datorită măririi

rezistenţei conectate în serie cu înfăşurarea de excitaţie, câmpul magnetic este din ce în

ce mai mare, deci trecerea în regim de generator se poate realiza numai la turaţii mai

ridicate. Datorită acestor efecte suprapuse, turaţia motorului deci viteza de coborâre

creşte succesiv.

76

Rezultate similare se obţin şi cu alte variante. De exemplu, în figura 3.30 este

reprezentată schema de principiu pentru poziţiile 1 şi 2 de ridicare. Rezistenţa în paralel

cu rotorul (RF) este aceeaşi pentru ambele poziţii, numai că la rezistenţa de pornire este

scurtcircuitată o treaptă în plus pe poziţia 2.

În figura 3.31 este indicată poziţia I de coborâre, realizată după un principiu

asemănător celui din figura 3.29, dar cu mici diferenţe constructive.

77

Fig. 3.29. Schemele secvenţelor de conectare pentru un motor serie de curent continuu folosit la mecanismele de ridicare.

Fig. 3.30. Schema de principiu pentru poziţiile 1 şi 2 de ridicare.

În figura 3.32 este indicată schema secvenţelor de conectare pentru un mecanism de

ridicare cu motor serie, la care electromagnetul de ridicare al frânei este conectat tot în

serie.

În figura 3.33 este arătată schema secvenţelor de conectare pentru un motor

compound de curent continuu, cu o pronunţată caracteristică de motor serie.

78

Fig.3.31. Poziţia I de coborâre.

Fig. 3.32. Schema secvenţelor de conectare pentru un mecanism de ridicare cu motor serie.

3.5.2. Scheme de comandă în curent continuu. Scheme de comandă a

mecanismelor de translaţie.

Deosebirea fundamentată dintre schemele de comandă pentru mecanismele de

translaţie şi cele de ridicare, constă în faptul că, în timp ce la ultimele este necesară

pentru coborâre o schemă diferită de cea de ridicare, datorită faptului că sarcina

antrenează motorul, la acţionarea mecanismelor de translaţie se poate folosi aceeaşi

schemă pentru deplasarea în ambele sensuri.

Schemă cu inversare a sensului de rotaţie. Aceasta este schema folosită cel mai des

pentru mecanismele de translaţie, datorită simplităţii ei.

În figura 3.34 sunt indicate secvenţele de conectare la o schemă cu inversare, în

care este folosit un motor serie. Pornirea acestuia se face pe trepte de rezistenţă, la

dimensionarea cărora trebuie să se ţină seama ca pe prima poziţie a controlerului, cuplul

dezvoltat să fie egal cu aproximativ jumătate din cel nominal al motorului. Acest cuplu

mic este necesar pentru obţinerea unei porniri linie la mers în gol sau la sarcini reduse.

79

Fig. 3.33. Schema secvenţelor de conectare pentru un motor compound.

Fig. 3.34. Secvenţele de ocnectare la o schemă cu inversare.

Pentru a asigura viteze reduse de deplasare şi la sarcini mici, pe primele două

poziţii de controler se prevăd rezistenţe în paralel cu rotorul, care fac să treacă prin

înfăşurarea de excitaţie serie un curent mai mare, limitând astfel turaţia (fig. 3.35).

Pe poziţia de zero se poate prevede o frânare în scurtcircuit. Pe poziţia 1 a

controlerului, valoarea rezistenţei în paralel cu rotorul se alege aproximativ egală cu

jumătate din valoarea acekei serie şi se dimensionează pentru aproximativ 1,3 . Pe

poziţia a doua a controlerului, valoarea rezistenţei în paralel cu rotorul se alege egală cu

cea a rezistenţei serie şi se dimensionează pentru 0,7 . Rezistenţa serie se alege astfel

încât motorul să pornească abia pe poziţia 3 a controlerului, la curentul nominal.

80

Fig. 3.35. Schemă pentru viteze mici de deplasare la sarcini mici.

4 VARIATOARE PENTRU MOTOARE DE CURENT CONTINUU.

Prezentarea macaralei turn MTA125

Macaraua MTA 125 este de fabricaţie românească, fiind produsă în perioada 1972

– 1989 la fosta întreprindere Uzina de Reparaţii Bucureşti. Principalele caracteristici ale

macaralei sunt :

- sarcina nominală 12,5 tf / 6 tf palan în 4/ 2 fire

- momentul nominal 125 tfm

- lungimea maximă de braţ 45m

- înălţimea maximă de montaj 147/ 74 m pala în 4/ 2 fire

- înălţimea maximă de montaj fără ancorare de clădire 51m

- sarcina maximă la vârful braţului de 45m şi 2,15 tf.

Momentul maxim calculat este momentul produs de sarcina de 2150 kg la vârful

braţului, care este de maxim  :

Nm (4.1)

- masa sarcinii utile maxime la vârf (2150 kg) ;

- masa mufei cu cârligul de 12 tf (379 kg) ;

- masa căruciorului de 12 tf (611 kg) ;

81

- masa cablului de sarcină desfăşurat considerat în 4 fire la înălţimea maximă de

76 m (300 kg).

- lungimea braţului macaralei

Calculăm şi momentul produs de sarcina nominală de 12,5 tf la R =11,5 m :

Nm (4.2)

, deci vom alege ca valoare în calcule momentul al sarcinii de 12,5 tf

la braţ maxim de 11,5m.

In final calculăm şi momentul produs de greutatea braţului în punctul 0 :

Nm (4.3)

- masa braţului în configuraţia de 45 m (9000 kg) ;

- poziţia centrului de greutate al braţului (19,6 m).

Momentul maxim total în punctul 0 devine:

Nm (4.4)

82

Fig. 4.1. Schema macaralei cu dimensiunile corespunzătoare pentru determinarea cuplului.

Simulare.

Acest circuit foloseşte blocul DC 4. Aceste modele de variator trifazat cu patru

cadrane se folosesc pentru motorul de curent continuu de 200CP.

Motorul de curent continuu este excitat separat cu o constantă de 310V curent

continuu. Tensiunea bobinei este furnizată de cele 2 trei faze conectate anti-paralel a

convertoarelor, controlate de cele două regulatoare PI. Acest lucru permite trecerea

83

Fig. 4.2. Schema de acţionare a motorului de curent continuu.

curentului bidirecţional prin armătura motorului de curent continuu şi permite

funcţionarea celor patru cadrane.

Convertoarele sunt conectate la o sursă de 380V şi 50Hz curent alternativ.

Regulatoarele controlează unghiurile de aprindere a tiristoarelor. Primul regulator

este regulatorul de turaţie, urmat de regulatorul de curent. Din moment ce avem un cuplu

reglat, regulatorul de turaţie este dezactivat şi doar regulatorul de curent este activ.

Regulatorul de curent controlează curentul bobinei calculând unghiurile de

aprindere ale celui mai apropiat tiristor. Acestea generează tensiuni de ieşire necesare

pentru a obţine curentul dorit şi astfel şi cuplul electromagnetic dorit.

Ambele convertoare acţionează simultan şi cele două unghiuri de aprindere sunt

controlate astfel încât suma lor să dea . Acest lucru produce tensiuni opuse la

terminalele convertorului de curent continuu şi tensiuni identice la armătura motorului de

curent continuu, convertoarele fiind conectate anti-paralel. Un convertor lucrează ca

redresor iar celălalt ca invertor.

Circulaţia curentului produsă de diferenţa tensiunii instantanee la terminalele

ambelor convertoare este limitată de 5mH, inductoarele fiind conectate înainte de aceste

terminale.

84

85

Fig. 4.3. Parametrii maşii de curent continuu.

Elemente componente.

1. Sursă.

86

Fig. 4.4. Parametrii convertoarelor.

Fig. 4.5. Sursa de alimentare a

maşinii.

Sursa trifazată implementează o sursă echilibrată trifazată de tensiune cu o

impedanţă internă R-L. Cele trei surse de tensiune sunt conectate în Y cu o conexiune

neutră care le poate face mai accesibile. Se poate specifica că rezistenţa internă a sursei şi

inductanţa se pot calcula, fie în mod direct introducând valorile lui R şi L, fie în mod

indirect prin specificarea nivelului de scurt circuit al sursei şi a raportului X / R.

2. Variator trifazat.

Schema este formată din următoarele elemente :

- regulator de turaţie

- comutator

- regulator de curent

- tiristorul 1

- tiristorul 2

- motorul de curent continuu

87

Fig. 4.6. Parametrii sursei.

88

Fig. 4.7. Regulator de turatie.

Fig. 4.8. Regulator de curent.

89

Fig. 4.9. Parametrii pentru controller de curent.

Fig. 4.10. Variator de c.c. cu patru cadrane.

3. Subsistem nonvirtual.

Aplicaţie

Se pot observa tensiunea şi curentul din bobina motorului, unghiurile de aprindere,

cuplul electromagnetic şi turaţia motorului pe scope. Curentul şi cuplul de referinţă sunt

de asemenea arătate. Al doilea scope ne ajută să vedem valorile medii ale tensiunilor şi

curenţilor.

90

Fig. 4.11. Valorile medii ale variatorului trifazat cu circulaţie de curent.

Fig. 4.12. Subsistem format din motor, convertor şi controller.

Motorul este cuplat la o sarcină liniară, ceea ce înseamnă că, cuplul mecanic al

sarcinii este proporţional cu turaţia.

Cuplul de referinţă iniţial este de 0 Nm şi curentul este nul. Fără cuplu

electromagnetic motorul nu porneşte.

La timpul t = 0,2s cuplul de referinţă sare la 335,2 Nm. Acesta duce la un curent de

180A. Curentul este furnizat de convertorul 1, iar curentul total în acest convertor este dat

de suma dintre curentul sarcinii şi curentul de circulaţie.

Convertorul 2 are grijă de circulaţia curentului. Se observă că, curentul bobinei faţă

de curentul de referinţă este destul de precis, cu timp de răspuns rapid şi de depăşire mic.

Se observă de asemenea că unghiurile de aprindere sunt simetrice în jur de şi

tensiunile medii de ieşire (c.c.) sunt egale dar de semne opuse.

91

Fig. 4.13. Diagrama unghiurilor de aprindere, a curentului, tensiunii, cuplului electromagnetic şi a turaţiei.

Cuplul electromagnetic produs de curent duce la accelerarea motorului. Turaţia

creşte şi începe să se stabilizeze la t = 4s, cam pe la 480 rpm; suma sarcinii şi a cuplurilor

vâscoase de frecare începe să egaleze cuplul electromagnetic.

La timpul t = 4s, cuplul de referinţă este setat la 0 Nm şi şi cuplul sarcinii duce la

decelerarea motorului. Se observă că cele patru reactoare ţin oscilaţiile curentului foarte

mici.

La timpul t = 8s cuplul de referinţă este setat la -176,4 Nm. Curentul ajunge la -

90A şi este emis de convertorul 2.

Cuplul electromagnetic negativ duce de asemenea la accelerarea motorului în

planul de viteză negativ.

92

Fig. 4.14. Diagrama tensiunilor şi curenţilor la ieşirea din convertor.

Diagramele pentru M=154,8 Nm.

93

Fig. 4.15. Diagrama tensiunilor de comandă.

Fig. 4.16. Diagrama unghiurilor de aprindere, a curentului, tensiunii, cuplului electromagnetic şi a turaţiei.

94

Fig. 4.17. Diagrama tensiunilor şi curenţilor la ieşirea din convertor.

Fig. 4.18. Diagrama tensiunilor de comandă.

Diagramele pentru M=158,58 Nm.

95

Fig. 4.19. Diagrama unghiurilor de aprindere, a curentului, tensiunii, cuplului electromagnetic şi a turaţiei.

Fig. 4.20. Diagrama tensiunilor şi curenţilor la ieşirea din convertor.

La coborâre, în ipoteza că sarcina utilă devine egală cu zero, cuplul rezistent va fi

dat de frecările în lagăre. Neglijând timpul scurt necesar desfacerii sarcinii de la cablu de

ridicare şi legării alteia, având greutăţile diferite, pentru care cuplul rezistent este

constant, se poate trasa diagrama de variaţie a cuplului sub forma M = f(t).

96

Fig. 4.21. Diagrama tensiunilor de comandă.

Fig. 4.22. Diagrama unghiurilor de aprindere, a curentului, tensiunii, cuplului electromagnetic şi a turaţiei.

Pentru maşinile de lucru din grupa celor de ridicat este necesar să se ţină seama şi

de timpii de pauză, când maşina este oprită pentru legarea sau desfacerea sarcinii de la

cablul de ridicare. În acest caz se presupune că sarcina de ridicat ramâne aceeaşi,

diagrama se modifică luând forma:

97

Fig. 4.23. Diagrama unghiurilor de aprindere, a curentului, tensiunii, cuplului electromagnetic şi a turaţiei.

BIBLIOGRAFIE

1. ‚Acţionarea electrică a macaralelor şi podurilor rulante’ – Nicolae V Boţan,

Liviu Coman, Leopold Srbastian, Editura Tehnică Bucureşti 1968;

2. ‚Curs de acţionări electromecanice şi automatizări’- Boţan N. V., Bejan I.,

Editura Didactică şi Pedagogică Bucureşti 1962 ;

3. ‚I.S.C.I.R. Îndrumător pentru construcţia şi exploatarea macaralelor’– Editura

Tehnică Bucureşti;

4. ‚Acţionări electrice reglabile cu maşini de curent continuu’ – Iulian Topa,

Laurenţiu Diaconu, Editura Matrixrom 2008;

5. ‚Sisteme de acţionare electrică’ – Ioan Felician Soran, Editura Matrixrom 2010;

6. ‚ Acţionarea electrică şi automatizarea maşinilor de construcţii’ – Virgil

Ciubotaru, Editura Matrixrom 2009;

7. ‚ Sisteme de acţionare electrică – Convertoare statice’ – Alexandru Bitoleanu,

Editura Universitaria Craiova 1994;

8. ‚Maşini electrice şi acţionări’ - Nicolae V Boţan, Editura Didactică şi

Pedagogică Bucureşti 1982;

9. ‚Despre o metodă de frânare electrică la macarale’ – Braşovan M., Editura

Tehnică Bucureşti 1952;

10. ,Cum se aleg motoarele electrice ale mecanismelor industriale’ - Boţan N. V.,

Editura Tehnică Bucureşti 1963;

11. ‚Maşini şi acţionări electrice – elemente de execuţie’ – Alexandru Fransua,

Răzvan Măgureanu, Editura Facla 1986;

12. ‚Simularea a acţionărilor electrice cu maşini de curent continuu’ – Gheorghe

Antonescu, Editura Matrixrom 2000;

13. ‚Maşini şi acţionări electrice’ – Mihaela Morega, Editura Tehnică Bucureşti

1986;

98