1. ARGUMENT

Un sistem de acţionare se compune, în principal, din:• maşina de lucru sau maşina care trebuie acţionată;

• motorul de acţionare, care pune în mişcare maşina de lucru; el poate fi electric, hidraulic, pneumatic etc.• organul de transmisie, care face legătura dintre motorul de acţionare şi maşina de lucru, şi, eventual, modifică parametrii mişcării: planul acesteia, viteza, tipul (de translaţie, de rotaţie etc);

• instalaţia de comandă a întregului sistem.În funcţie de motorul folosit pentru acţionarea unei maşini de lucru, se pot

distinge următoarele tipuri de acţionări:- acţionări electrice;- acţionări hidraulice;- acţionări pneumatice.Maşina de lucru primeşte de la motor energia necesară pentru a învinge toate

forţele ce apar în timpul procesului de lucru, respectiv a forţelor rezistente statice Fs şi a forţelor rezistente dinamice Fd.

Forţele rezistente statice sunt constituite din forţe utile şi din forţe de frecare. Forţele rezistente dinamice apar datorită inerţiei pieselor în mişcare din întregul sistem de acţionare; deci, ele apar numai pe durata variaţiilor de viteză (porniri, opriri, frânări, accelerări).

În cazul acţionărilor cu mişcare liniară, motorul poate pune în mişcare o maşină de lucru dacă dezvoltă o forţă F egală cu suma tuturor forţelor rezistente statice şi dinamice:

F = FS + Fd (1.1)Această relaţie este cunoscută sub denumirea de ecuaţia fundamentală a mişcării.Ecuaţia de mai sus poate fi scrisă şi astfel:F = FS + ma, (1.2)

deoarece forţa dinamică este exprimată prin ecuaţia Fd = ma.Pentru v = const.(deci în lipsa acceleraţiei), Fd = 0, şi în acest caz, sistemul

funcţionează în regim stabilizat (mărimile care-1 caracterizează nu variază).În cazul acţionărilor cu mişcare de rotaţie, care sunt cele mai numeroase, ecuaţia

(1.1) capătă o formă specifică, în care forţele se înlocuiesc cu momente:M = MS + Md (1.3)

în care:M - cuplul motor [Nm],

1

Ms - cuplul rezistent static [Nm];Md - cuplul rezistent dinamic [Nm].

Relaţia (1.3) reprezintă ecuaţia fundamentală a mişcării pentru acţionări cu mişcare de rotaţie. Două dintre problemele de bază ale acţionărilor electrice (cu motoare electrice) sunt:

• alegerea corectă a tipului de motor;• determinarea cât mai precisă a puterii acestuia.

Înainte de alegerea unui motor de acţionare este necesar să fie investigate şi cunoscute în detaliu condiţiile în care va funcţiona motorul, condiţii referitoare la:

-mediul de lucru (curat sau cu praf ori impurităţi; umed sau uscat; cu pericol de incendiu ori explozie etc.) în funcţie de care se alege gradul de protecţie a motorului;

-procesul tehnologic realizat de maşina de lucru (cu viteză constantă ori reglabilă - continuu sau în trepte - cu precizarea limitelor de reglare, adică a vitezei minime şi a celei maxime necesare) în funcţie de care se alege tipul de motor şi schema de comandă;

-caracteristica mecanică a maşinii de lucru (adică a modului în care depinde cuplul rezistent al acesteia în funcţie de un anumit parametru, de regulă viteza/turaţia sau unghiul de rotaţie), în funcţie de care se alege tipul de motor şi puterea acestuia;

-regimul de funcţionare a maşinii de lucru (dat de modul în care se modifică, în timp, cuplul rezistent al acesteia) în funcţie de care se alege puterea motorului, pornind de la condiţiile de încălzire;

-consideraţii de ordin economic (cheltuieli de investiţii, de exploatare determinate de consumul de energie, necesităţile de întreţinere, siguranţa în funcţionare etc).

Motorul de acţionare se consideră ales atunci când pot fi precizate:• datele sale nominale (putere, turaţie, tensiuni, curenţi etc);• clasa de protecţie.

Un motor de acţionare a fost corect ales atunci când îndeplineşte toate condiţiile de verificare (la încălzire, la şocuri de sarcină etc).

2. ALEGEREA MOTOARELOR ELECTRICE DE ACȚIONARE2.1 Alegerea motoarelor electrice de acţionare în funcţie de gradul de protecţie

Gradele normale de protecţie se referă la protecţia persoanelor contra atingerii accidentale a pieselor interioare mobile sau sub tensiune şi la protecţia maşinilor contra pătrunderii corpurilor străine şi contra pătrunderii apei; ele sunt reglementate prin standarde.

Tipurile normale de protecţie sunt simbolizate prin literele majuscule IP urmate de două cifre, dintre care prima simbolizează gradul de protecţie contra atingerilor şi contra pătrunderilor de corpuri străine, iar cea de-a doua caracterizează tipul de protecţie contra pătrunderii apei.

Sunt standardizate 6 grade normale de protecţie contra atingerilor şi a pătrunderii corpurilor solide străine şi 9 grade normale de protecţie contra pătrunderii apei.

Protecţia contra atingerii accidentale şi a pătrunderii corpurilor străine este simbolizată după cum urmează:

2

Simbolul 0 corespunde maşinilor electrice fară protecţie, existând posibilitatea atingerii părţilor aflate în mişcare sau sub tensiune, precum şi a pătrunderii corpurilor străine. De aceea, o asemenea execuţie se adoptă foarte rar.

Simbolul 1 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva atingerii întâmplătoare cu o mare parte a corpului omenesc, de exemplu, cu mâna, carcasa sau învelişurile de protecţie putând avea deschideri până la 50 mm în diametru sau lărgime. Verificarea acestei protecţii se face cu o bilă de Φ 52,5 mm care -împinsă cu o forţă de 50 N - nu trebuie să pătrundă prin găurile învelişului. Acest tip de protecţie este folosit mai mult la maşinile mari şi la cele destinate a fi instalate în locuri închise unde are acces numai personalul specializat.

Simbolul 2 corespunde maşinilor electrice cu protecţie împotriva atingerii cu degetele şi a pătrunderii corpurilor străine solide cu dimensiuni peste 12,5 mm, ele putând avea deschideri până la 12,5 diametru sau lărgime. Această protecţie se adoptă în special la maşinile care lucrează în încăperi, deoarece - pe de o parte - posibilitatea pătrunderii corpurilor străine este înlăturată, iar - pe de altă parte - permite autoventilarea interioară a maşinilor, factor hotărâtor în reducerea dimensiunilor acestuia. Verificarea protecţiei simbolizate astfel se efectuează cu un deget de control cu Φ 12,5 mm şi, în plus, cu o bilă de control de Φ 12,5 mm, care nu trebuie să pătrundă prin găurile învelişului.

Simbolul 3 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva atingerii cu unelte ascuţite sau a pătrunderii corpurilor străine cu dimensiuni peste 2,5 mm, ele putând avea deschideri până la 2,5 mm diametru sau lărgime. Şi această execuţie permite autoventilarea maşinilor, asigurând totodată o protecţie mai bună împotriva atingerii şi pătrunderii corpurilor străine.

Simbolul 4 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva atingerii cu unelte foarte ascuţite şi a pătrunderii corpurilor străine cu dimensiuni sub 1 mm. Această execuţie este suficientă, în general, pentru maşini destinate să funcţioneze în locuri descoperite, cu procent redus de praf. Carcasa sau învelişul maşinii nu poate avea deschideri, admiţându-se interstiţii de maximum 1 mm la îmbinări, la trecerea arborelui şi la intrarea cablurilor în cutia de borne. Verificarea protecţiei se face cu o sârmă rotundă de oţel cu diametrul de 1 mm, care nu trebuie să pătrundă în interiorul învelişului şi să atingă piese interioare în mişcare sau aflate sub tensiune; se exceptează de la această verificare partea refulării de la învelişul ventilatorului maşinilor răcite prin ventilare exterioară.

Simbolul 5 corespunde maşinilor cu protecţie contra atingerii cu orice mijloace şi contra pătrunderii prafului. Deşi pătrunderea prafului nu este complet împiedicată, protecţia este totuşi suficientă pentru a permite montarea maşinilor în locuri cu mult praf, de exemplu, în fabricile de ciment sau în morărit. La verificarea protecţiei IP 5, se examinează cantitatea de praf pătrunsă în maşină, fiind luate în consideraţie, în special, depunerile pe liniile de fugă dintre părţile sub tensiune sau între părţile sub tensiune şi masă.

Protecţia contra pătrunderii apei este simbolizată după cum urmează:Simbolul 0 corespunde maşinilor fară protecţie. O asemenea execuţie se adoptă

pentru maşini destinate a fi montate în încăperi închise, în care nu există pericolul ca aburii să condenseze şi să cadă apoi sub formă de picături pe maşină.

Simbolul 1 corespunde maşinilor cu protecţie contra picăturilor de apă condensată, fiind prevăzute cu acoperiş la partea superioară.

3

Simbolul 2 corespunde maşinilor cu protecţie contra picăturilor de apă care cad vertical. Această protecţie caracterizează maşinile care necesită o puternică autoventilaţie, de exemplu, maşinile de curent continuu de mare intensitate, la care problema răcirii colectorului este esenţială.

Simbolul 3 corespunde maşinilor cu protecţie contra pătrunderii picăturilor de apă care cad pe direcţii înclinate până la 45° faţă de verticală. Este cea mai răspândită protecţie la maşinile auto ventilate. Utilizarea maşinilor cu această protecţie în locuri complet neferite de precipitaţii atmosferice trebuie făcută însă cu multă prudenţă, deoarece picăturile de apă pot cădea şi pe direcţii cu înclinaţie mai mare de 45° faţă de verticală.

Simbolul 4 corespunde maşinilor cu protecţie contra stropirii cu apă, fară presiune, din orice direcţie. In principiu, maşinile cu această protecţie pot fi montate în locuri expuse precipitaţiilor atmosferice, însă se recomandă evitarea montării lor în regiuni caracterizate prin ploi torenţiale frecvente.

Verificarea protecţiei la pătrunderea apei, pentru gradele de protecţie 1 -2-3 şi 4 se face, în general, prin examinarea desenelor. în caz de dubiu, mai ales la gradul 4 de protecţie, maşina se supune unor încercări prevăzute în standarde.

Simbolul 5 corespunde maşinilor cu protecţie contra jeturilor de apă aruncate cu un furtun cu diametrul de 12,5 mm ţinut la o distanţă de 3 m de maşină. Presiunea apei trebuie să fie de 3.104 N/m2, iar debitul de aproximativ 50 l/min. Durata încercării va fi de 10 minute.

Simbolul 6 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva jeturilor de apă aruncate din toate direcţiile de un furtun cu diametrul de 12,5 mm ţinut la o distanţă de 3 m de maşină, însă de data aceasta presiunea apei trebuie să fie de 105 N/m2, iar debitul de aproximativ 100 l/min. Durata încercării este de 10 minute şi maşinile cu această protecţie sunt destinate funcţionării pe puntea navelor maritime.

Simbolul 7 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva cufundării în apă, dar nu sub presiune.

Simbolul 8 corespunde maşinilor cu protecţie împotriva cufundării în apă sub presiune. Condiţiile de încercare pentru gradul de protecţie 8 (presiunea, durata) fac obiectul unui acord care se încheie între producător şi beneficiar. Maşinile electrice care, după construcţia lor şi după izolaţia folosită, sunt destinate a funcţiona în apă şi la care apa pătrunde normal în interiorul maşinii în timpul funcţionării (cum este cazul unor motoare pentru pompe submersibile) se consideră având gradul de protecţie 8.

Între cele două tipuri de protecţie asigurate maşinilor electrice există o anumită corelaţie, ele neputându-se asocia oricum între ele. În tabelul 1.1. sunt indicate gradele normale de protecţie pentru maşinile electrice rotative.

4

Litera S indică faptul că verificarea se efectuează cu maşina staţionând. La înţelegere între producător şi beneficiar, în cazuri bine justificate, se admit şi alte grade de protecţie în afara celor prevăzute în tabel. Gradul de protecţie IP00 se poate alege numai la înţelegere între producător şi beneficiar.

Trebuie remarcat faptul că maşinile nu au totdeauna o protecţie unitară. Astfel, este posibil ca o maşină să fie construită în protecţia IP23, însă cutia de borne să aibă protecţia IP55. în acest caz, notaţia se efectuează înscriind mai întâi protecţia generală a maşinii, urmată de protecţia specială a unei anumite părţi a acesteia, indicându-se denumirea subansamblului cu protecţie specială. De exemplu, cazul descris se notează: „IP23S, cutia de borne IP55".

În unele cazuri, protecţia maşinilor electrice trebuie completată la montarea lor cu măsuri de protecţie suplimentare. Astfel, motoarele de tracţiune trebuie prevăzute cu protecţii suplimentare la integrarea lor pe vehicul, deoarece dacă se lasă protecţia contra pătrunderii apei numai pe seama motoarelor rezultă construcţii complicate.

Încadrarea condiţiilor existente în exploatare într-unul din tipurile normale de protecţie este foarte importantă, deoarece alegerea unei maşini având o protecţie superioară celei necesare înseamnă - pentru aceleaşi caracteristici electrice - o maşină mai voluminoasă, mai grea şi deci mai scumpă, în timp ce alegerea unei protecţii inferioare celei necesare conduce, mai devreme sau mai târziu, la deteriorarea maşinii.

2.2 Alegerea motoarelor electrice de acţionare în funcţie de regimul de funcţionare

Regimul de funcţionare al unei maşini de lucru este definit de ansamblul valorilor variabilelor de intrare-ieşire (cuplu, viteză, putere etc.) care caracterizează funcţionarea acesteia la un moment dat.

Cunoaşterea regimurilor de funcţionare este necesară pentru alegerea corespunzătoare a mecanismului de transmisie, a motorului electric de acţionare şi a ansamblului de comandă.

Ţinând seama de regimul de funcţionare caracterizat prin dependenţa cuplului static funcţie de timp, maşinile de lucru se împart în şapte grupe

1. Maşini de lucru cu funcţionare de durată şi sarcină constantăTimpul de funcţionare este mai mare de 10 minute, iar sarcina rămâne constantă

(fig. 1) sau se modifică cu cel mult 10-20 % în jurul unei valori medii. În această categorie intră: pompele şi ventilatoarele antrenate la viteză constantă, maşinile de fabricat hârtie, benzile transportoare magistrale din cariere.

Fig.1 Diagrama cuplului static pentru regimul de duratăși sarcină constantă

5

2. Maşini de lucru cu funcţionare de durată şi sarcină variabilăTimpul de funcţionare este mai mare de 10 minute, iar sarcina se modifică în timp

(fig. 2). Duratele ti şi cuplurile Msi se pot modifica de la un ciclu la altul. Din această categorie fac parte macaralele, ascensoarele, vehiculele de transport, laminoarele reversibile, majoritatea maşinilor-unelte.

Fig. 2 Diagrama cuplului static pentru regimul de durată cu sarcină variabilă

3. Maşini de lucru cu funcţionare intermitentăRegimul de funcţionare intermitent este format dintr-o succesiune de cicluri

identice, fiecare ciclu fiind format dintr-un interval de lucru t1 la sarcină constantă şi un interval de pauză tp (fig. 3). Durata unui ciclu tc = t p + ti este mai mică de 10 minute.

Pentru regimul de funcţionare intermitent se defineşte durata relativă de funcţionare.

Fig. 3 Diagrama cuplului static pentru regimul intermitenta) cu sarcină constantă; b) cu sarcină variabilă

Funcţie de durata relativă de funcţionare, regimurile de funcţionare pot fi:• regim de funcţionare uşor 10% < DF% ≤ 25%;• regim de funcţionare mediu 25% < DF% ≤ 60%;• regim de funcţionare greu 60% < DF% ≤ 80%.

Dacă DF% > 80% sau tc mai mare de 10 minute se consideră că regimul de funcţionare e de durată. Din această grupă fac parte instalaţiile de ridicat materiale

6

(instalaţii de extracţie cu schip), maşinile-unelte automate care efectuează o singură operaţie etc.

4. Maşini de lucru cu funcţionare de scurtă duratăRegimul de scurtă durată este format dintr-o succesiune de cicluri (fig. 4). Fiecare

ciclu are durata de 10, 30, 60, 90 minute şi este format dintr-un interval de lucru la sarcină constantă t1 şi un interval de pauză tp, durata relativă de funcţionare DF% < 10%.

Exemple: polizoare industriale, macazuri de cale ferată, stăvilarele ecluzelor, dispozitivele de strângere ale maşinilor-unelte etc.

Fig. 4 Diagrama cuplului static pentru regimul de scurtă durată5. Maşini de lucru cu funcţionare de durată şi şocuri de sarcinăTimpul de lucru este mai mare de 10 minute, intervalele de funcţionare la sarcină

constantă alternează cu intervalele de funcţionare în gol sau la sarcină redusă (fig. 5).

Fig. 5 Diagrama cuplului static pentru regimul de durată cu șocuri de sarcină

Exemple: prese, ciocane mecanice pentru forje, gatere etc.6. Maşini de lucru cu funcţionare de durată şi sarcină pulsatorieTimpul de funcţionare este mai mare de 10 minute, iar maşina de lucru conţine ca

organ principal un mecanism bielă-manivelă (fig. 6).

Fig. 6 Diagrama cuplului static pentru regimul de durată cusarcină pulsatorie

7

7. Maşini de lucru cu funcţionare de durată şi sarcină aleatoareTimpul de funcţionare este mai mare de 10 minute, iar sarcina are o variaţie

aleatoare (fig. 7).Regimul de funcţionare a maşinii de lucru permite determinarea cuplului rezistent

echivalent (în funcţie de care se calculează puterea necesară a motorului de acţionare) şi a serviciului real de funcţionare a motorului (în funcţie de care se face încadrarea într-un serviciu tip).

Cuplul rezistent echivalent este o mărime de calcul stabilită pe baza egalităţii între încălzirea produsă de regimul real şi încălzirea produsă de un regim de durată cu sarcina constantă egală cu cuplul echivalent medie pătratică.

În timpul funcţionării, motorul electric se încălzeşte, curba de variaţie a temperaturii θ având o formă exponenţială (fig. 8). Relaţia matematică corespunzătoare acestei curbe este:

în care: T - constanta termică de timp a încălzirii motoruluiθ - temperatura de regim stabilizat.

Fig. 7 Diagrama cuplului static pentru Fig. 8 Curba de variație a încălzirii regimul de durată cu sarcină aleatoare unui motor electric

Semnificaţia fizică a constantei termice de timp este aceea a duratei necesare pentru atingerea temperaturii Qmax în ipoteza încălzirii adiabatice (toată căldura primită este înmagazinată).

Regimul stabilizat se atinge atunci când cantitatea de căldură degajată în motor este integral evacuată în mediul exterior (motorul nu mai înmagazinează căldură, deci temperatura sa nu mai creşte). Regimul stabilizat se atinge teoretic pentru , însă, practic, după aproximativ 4T.

Puterea motorului de acţionare trebuie să aibă o valoare astfel încât funcţionarea acestuia să aibă loc la o temperatură cât mai apropiată de temperatura θmax admisă de clasa de izolaţie a materialelor electroizolante utilizate la construcţia sa:

• depăşirea acestei temperaturi conduce la deteriorarea rapidă a izolaţiei;• funcţionarea sub limita maximă este echivalentă cu o supradimensionare a

motorului cu consecinţele evidenţiate la punctul 3.

8

Pentru regimul de durată cu sarcină variabilă (figura 2), relaţia de calcul al cuplului echivalent este:

Pentru regimul intermitent cu sarcină variabilă (fig. 3, b), relația de calcul al cuplului echivalent este:

În relațiile de mai sus Msi reprezintă treptele de sarcină ale regimului de funcționare, iar ti – durata de aplicare a fiecărei trepte.

Dacă diferenţa între durata de acţionare reală şi cea standardizată este mare, puterea motorului se corectează cu relaţia:

în care Pncalc este puterea nominală calculată pe baza cuplului echivalent.

2.3 Alegerea motoarelor electrice de acționare în funcție de caracteristicile mașinii de lucru

Cuplul pe care îl opune maşina de lucru motorului electric de acţionare în timpul desfăşurării procesului tehnologic se numeşte cuplu static, notat cu Ms, şi caracterizează comportarea mecanismului executor în regim staţionar.

În general, Ms este o funcţie de viteze unghiulară Ω, de spaţiul x, de poziţia unghiulară α, de timp t: Ms = f(Ω, x, α, t) şi are două componente:

• o componentă utilă MSu, corespunzătoare lucrului mecanic util pe care trebuie să-1 efectueze maşina de lucru;

• o componentă de pierderi MSf, determinată de frecările specifice elementelor în mişcare; Ms = MSu + Msf

Prin caracteristica statică a unei maşini de lucru se înţelege dependenţa dintre cuplul static şi parametrii Ω, x, α în regim staţionar. Pentru simplificarea formei analitice a acestei dependențe, caracteristicile statice se definesc prin relaţii de forma: M s = f1(Ω), Ms = f2(x), Ms = f3(α), Ms = f4(t). Ultima dependenţă se numeşte diagrama cuplului static.

Convenţional, după semn, cuplurile statice pot fi:• pozitive - dacă se opun sensului vitezei;• negative - dacă acţionează în sensul vitezei.

Din punct de vedere energetic, cuplurile statice se grupează în două categorii:• cupluri statice pasive, caracterizate de faptul că se opun mişcării. Aceste cupluri

sunt dezvoltate de majoritatea maşinilor-unelte care execută operaţii de deformare neelastică, aşchiere, tăiere, răsucire, întindere etc.

• cupluri statice active sau potenţiale, caracterizate de faptul că pot întreţine mişcarea (conţin surse de energie). Aceste cupluri sunt dezvoltate de maşinile de lucru care efectuează operaţii de deformare elastică (comprimarea unui resort, comprimarea

9

unui gaz), de maşinile de lucru care modifică poziţia unui obiect faţă de o referinţă orizontală (instalaţii de ridicat).

a) Cupluri statice constanteCaracteristica statică a maşinilor de lucru care dezvoltă un cuplu constant activ

(fig. 9) este de forma: MS = K.

Fig. 9 Variația cuplului static în cazul MS = K: a) cupluri statice active; b) cupluri statice pasive

Deoarece cuplurile statice pasive se opun totdeauna mişcării, caracteristica statică a maşinilor de lucru care dezvoltă cuplu static pasiv (fig. 9. b) este de forma:

Ms = Ms.sinΩ (1.10)Exemple de maşini de lucru care dezvoltă cuplu static constant: instalaţii de

ridicat de mică înălţime, benzi transportoare cu încărcare uniformă, vehicule de transport la deplasarea în aliniament sau în pantă cu înclinare constantă, maşinile de imprimare, maşinile-unelte pentru un regim de aşchiere constant.

b) Cupluri statice dependente de viteza unghiularăExpresia generală a caracteristicii statice este de forma:

Ms = K.Qα, exponentul putând lua valorile a = -l ... 6 funcţie de maşina de lucru. Pentru a = -l ecuaţia caracteristicii statice (fig. 10) este: Ms = K. O-1.

Fig. 10 Variația cuplului static pentru α=-1a) cupluri statice active; b) cupluri statice pasive

Aceste tipuri de caracteristici statice se întâlnesc la maşinile-unelte pe durata unui proces de aşchiere la operaţia de degroşare - viteză mică, cuplu rezistent mare; la operaţia de finisare - viteză mare, cuplu rezistent mic. De asemenea, ele sunt specifice maşinilor de înfăşurat sârmă, tablă, fire, hârtie, la care forţa de tragere şi viteza liniară a produsului trebuie să rămână constante pentru ca acesta să nu se rupă sau să nu facă bucle.

10

Pentru a = 1, ecuaţia caracteristicii devine: Ms = K·Ω. Aceste caracteristici statice (fig. 11) sunt specifice maşinilor electrice funcţionând în regim de generator care debitează pe o sarcină de impedanță constantă.

Fig. 11 Variația cuplului static pentru α=1a) cuăluri statice active; cupluri statice pasive

Pentru α = 2, ecuaţia caracteristicii statice devine: Ms = K. Ω2. Aceste caracteristici statice (fig. 12 sunt specifice ventilatoarelor centrifugale, pompelor centrifugale, propulsoarelor de nave.

Fig. 12 Variația cuplului static pentru α=1a) cuăluri statice active; cupluri statice pasive

Cuplurile statice proporţionale cu viteza Ω la puteri a = 3 ... 6 sunt specifice instalaţiilor centrifugale din industria chimică şi alimentară.

c) Cupluri statice dependente de deplasarea liniarăEcuaţia caracteristicii statice este de forma: Ms = a + b·x. Aceste cupluri statice

sunt specifice instalaţiilor de ridicat de mare înălţime (sau mare adâncime) la care greutatea cablului de ridicare este comparabilă cu greutatea utilă: macarale, ascensoare, instalaţii de extracţie minieră, instalaţii de foraj.

d)Cupluri statice dependente de deplasarea unghiularăAceste cupluri statice sunt specifice maşinilor de lucru care au mecanisme bielă-

manivelă (de exemplu, pompe şi compresoare cu piston, ferăstraie mecanice, şepinguri, prese, foarfeci, puţuri de extracţie a ţiţeiului).

e) Cupluri statice dependente de timp

11

Pentru instalaţiile care dezvoltă cuplu static dependent de viteză, deplasare liniară sau unghiulară se poate stabili şi o dependenţă de timp, dacă se cunoaşte diagrama vitezei v = f(t), respectiv a spaţiului x = f(t) sau α= f(t).

Se întâlnesc însă maşini de lucru la care cuplul static util se modifică aleator în timp (de exemplu, instalaţiile de foraj, excavatoarele cu rotor cu cupe, ferăstraiele de tăiat lemne, morile cu bile, malaxoarele, defibratoarele din industria textilă). Pentru a putea obţine o expresie analitică a acestor caracteristici statice, ele se pot înlocui prin funcţii empirice, liniare sau neliniare, determinate prin tratarea matematică a datelor. Forma caracteristicii mecanice a maşinii de lucru impune tipul motorului de acţionare.

Domeniul de funcţionare delimitat pe această caracteristică de valorile minimă şi maximă ale turaţiei, precum şi valoarea cuplului rezistent determină alegerea tipului şi puterii motorului de acţionare.

Funcţionarea unui sistem de acţionare este posibilă numai atunci când există un punct de intersecţie (numit punct de funcţionare) între caracteristica mecanică a maşinii de lucru şi cea a motorului de acţionare în domeniul de funcţionare ca motor (nu ca generator). O asemenea situaţie este ilustrată în fig. 13, în care cuplul necesar pentru antrenarea maşinii de lucru este un cuplu rezistent pentru motor.

Fig. 13 Determinarea punctului de funcționare1-caracteristica mecanică naturală a unui motor de c.c. cu excitație independentă; 1´-caracteristica mecanică artificială reostatică a aceluiași motor; 2-caracteristica

mecanică a unei mașini de lucru, cu cuplul dependent de viteza unghiulară la puterea întâi

Cele două caracteristici mecanice ale motorului se intersectează cu caracteristica mecanică a maşinii de lucru în punctele A, respectiv B.

În punctul A (Mn, nn) funcţionarea are loc la parametri nominali, iar în punctul B (M1, n1, funcţionarea are loc la o turaţie mai mică, n1< nn.

în legătură cu punctul de funcţionare a unei acţionări se pune problema stabilităţii în funcţionare.

Se spune că un sistem de acţionare funcţionează stabil într-un punct A de funcţionare, dacă la apariţia unei perturbaţii slabe (constantă sau cu variaţie lentă în timp), acesta ajunge într-un nou punct de funcţionare A'.

Dacă, în urma perturbaţiilor, viteza sistemului tinde către 0 sau infinit, se spune că funcţionarea inițială în punctul A a fost instabilă.

12

De exemplu, în figura 14.a, este prezentată situaţia unui sistem de acţionare cu motor de c.c. cu excitaţie derivaţie a unei maşini de lucru, la care cuplul depinde de viteza unghiulară la puterea a doua. Dacă perturbaţia (schimbarea intempestivă a parametrilor de aşchiere, de exemplu) determină modificarea caracteristicii maşinii de lucru din poziţia 2 în poziţia 2', punctul de funcţionare se deplasează, la aceeaşi viteză, în A'. În acest punct, maşina de lucru opune un cuplu rezistent mai mare decât cel dezvoltat de motor; ca urmare, sistemul este frânat până în B (unde are loc egalitatea cuplurilor - cel dezvoltat de motor şi cel rezistent, al maşinii de lucru). Punctul B este noul punct de funcţionare care corespunde noii caracteristici (2') a maşinii de lucru, la viteză mai mică.

Fig. 14 Explicativă pentru definirea stabilității în funcționare

În situaţia acţionării aceleiaşi maşini de lucru cu un motor asincron (curba 1, fig. 14.b), noua poziţie (2') a caracteristicii mecanice a maşinii de lucru determină deplasarea punctului de funcţionare A în A', la aceeaşi viteză. în A', cuplul rezistent este mai mare decât cuplul dezvoltat de motor. Sistemul decelerează (pentru a ajunge în B ar fi fost nevoie să accelereze) continuu până la oprire. Deci punctul A corespunde unui regim de funcţionare instabilă.

În figura 15 este ilustrată o situaţie în care, în zona admisibilă de funcţionare a maşinii de lucru, caracteristica mecanică naturală (1) a motorului de c.c. cu excitaţie derivaţie nu intersectează caracteristica (2) a maşinii de lucru, deci nu există un punct de funcţionare. Funcţionarea este posibilă numai pe o caracteristică mecanică artificială 1' a aceluiaşi motor (punctul A) sau în cazul acţionării cu un alt tip de motor (motor de c.c. cu excitaţie serie), având caracteristica de forma (1") - punctul B.

La o serie de sisteme de acţionare (de exemplu, pentru ridicarea unei greutăţi, deplasarea unui vehicul pe o pantă coborâtoare), apare frecvent necesitatea ca funcţionarea motorului de acţionare să fie în regim de frână, când cuplul şi viteza au semne contrare. În planul caracteristicii mecanice n = f(M), cadranele I şi III corespund regimului de motor (cuplul şi turaţia au acelaşi semn, în cadranul III semnele sunt inverse celor adoptate convenţional ca pozitive), iar cadranele II şi IV corespund regimului de frână (fig.16).

13

Fig. 15 Posibilități de acționare Fig. 16 Cadranele planului (M,n) stabilă a unei mașini de lucru

O altă corelaţie necesară între caracteristica mecanică a maşinii de lucru şi caracteristica mecanică a motorului de acţionare vizează punctul de pornire şi anume, asigurarea unui cuplu de pornire superior celui rezistent.

Aşa cum s-a observat la studiul caracteristicilor mecanice ale tipurilor de motoare electrice, atunci când cuplul de pornire este sub valoarea necesară, se pot obţine, de exemplu, valori ridicate ale cuplului de pornire prin funcţionarea motoarelor asincrone pe o caracteristică mecanică artificială reostatică, obţinută prin introducerea unei rezistenţe în circuitul rotoric.

Viteza nominală a motorului de acţionare se alege astfel încât să fie cât mai apropiată de viteza maşinii de lucru. Dacă diferenţa este prea mare, se utilizează un organ de transmisie convenabil ales, prin care să se obţină viteza dorită pentru maşina de lucru. Puterea necesară a motorului de acţionare se alege astfel încât:

Pn = (U ... l,2)PSmed

în care PSmed se determină cu relaţia:PSmed = Me . Ωmax

Ωmax ste cea mai mare valoare a vitezei, impusă prin datele acţionării.Majorarea cu 10 - 20% a puterii statice medii ţine seama de puterea dinamică pe

care trebuie să o dezvolte motorul la pornire.Se alege un motor cu puterea nominală imediat superioară puterii medii.Dacă temperatura mediului de lucru diferă de temperatura standardizată (40 °C)

este necesară recalcularea puterii reale la care poate fi încărcat motorul, astfel încât să nu se depăşească temperatura corespunzătoare clasei de izolaţie. Pentru aceasta, se determină puterea nominală de calcul:

în care:θ = diferenţa dintre temperatura mediului şi temperatura standardizată;θN = diferenţa dintre temperatura maximă admisibilă pentru clasa de izolaţie şi

temperatura standardizată a mediului ambiant;a = coeficient între 0,5 . . . 1,5 funcţie de tipul motorului (asincron, de c.c. etc) şi

de viteza acţionării.Dacă motorul funcţionează la altitudini mai mari de 1000 m, atunci temperatura

nominală θN se micşorează cu 0,5 °C pentru fiecare 100 m ce depăşesc altitudinea standardizată.

Alegerea puterii motorului este corect efectuată dacă:

14

Alegerea puterii motorului electric de acţionare reprezintă una dintre cele mai importante probleme ale acţionărilor electromecanice deoarece:

• subdimensionarea motorului conduce la scăderea productivităţii instalaţiei, ca urmare a defecţiunilor ce pot apărea şi la scoaterea din funcţiune a motorului înainte de amortizarea acestuia;

• supradimensionarea motorului conduce la scăderea randamentului sistemului de acţionare, înrăutăţirea factorului de putere, creşterea cheltuielilor de investiţie etc.

2.4 Alegerea motoarelor electrice de acționare după reglajul de viteză

Procesul tehnologic al maşinii de lucru dictează regimul de viteză al acţionării, care poate fi:

-cu viteză constantă; -cu viteză variabilă - în trepte (în limite restrânse);

- în mod continuu (în limite largi). Pentru acţionări cu viteză constantă se recomandă:

- motoare asincrone (în special cu rotorul în scurtcircuit) la puteri mici şi mijlocii;- motoare sincrone la puteri mari (datorită posibilităţilor oferite de acestea de a îmbunătăţi factorul de putere).

Pentru acţionări cu viteză variabilă în trepte se recomandă:- motoare asincrone cu construcţie specială, cu două viteze ce se pot obţine prin modificare;: numărului de perechi de poli ai statorului;

- utilizarea unor organe de transmisie cu mai multe trepte de viteză.Pentru reglarea continuă a vitezei se recomandă:

- motoare de c.c. la care reglarea vitezei se realizează în special prin:• modificarea tensiunii de alimentare;• modificarea fluxului inductor;- motoare asincrone la care reglarea vitezei se realizează prin modificarea frecvenţei

tensiunii de alimentare.Metodele moderne de reglare a vitezei, avantajoase sub aspect energetic (pierderi

mici), sunt. deocamdată, scumpe (datorită componentelor electronice - tiristoare - scumpe). Fiabilitatea ridicată a acestor sisteme le recomandă însă prioritar în acţionările electromecanice.

După alegerea motorului electric de acţionare, ţinând cont de toate criteriile prezentate mai sus, sunt necesare o serie de verificări, şi anume:

• verificarea la suprasarcină mecanică:

15

• verificarea la cuplul de pornire (numai pentru motoarele asincrone)MP real ≤ MP motor

Cuplul real de pornire se calculează în funcţie de cuplul static rezistent şi de cuplul dinamic la pornire (necesar pentru punerea în mişcarea de rotaţie a maselor cu o anumită inerţie).

• verificarea la încălzireDupă alegerea unui motor electric de acţionare, ceea ce înseamnă că sunt

precizate tipul acestuia, turaţia şi puterea/cuplul său nominale, este necesară verificarea motorului din punct de vedere termic: criteriul încălzirii poate fi, în acelaşi timp, utilizat şi pentru alegerea motorului de acţionare, deoarece algoritmul de verificare termică indică şi măsurile ce se pot lua pentru ca acţionarea să răspundă tuturor condiţiilor impuse.

Încălzirea motoarelor electrice este determinată, aşa cum s-a văzut deja, de pierderile de energie care însoţesc inevitabil conversia electromecanică (pierderi mecanice şi pierderi electrice). Transformarea ireversibilă a pierderilor în căldură are drept efect creşterea temperaturii motorului în ansamblul său. creştere considerată prin raportare la temperatura mediului ambiant.

Procesul de încălzire a motoarelor în timpul funcţionării este un proces neliniar: la început, motorul înmagazinează cea mai mare parte din căldură şi temperatura sa creşte treptat. Apoi, cu cât durata de funcţionare creşte, temperatura sa variază mai lent cu toate că pierderile (deci şi căldura primită de motor) nu se micşorează. Fenomenul se explică prin cedarea unei părţi - din ce în ce mai mari - din căldura primită către mediul înconjurător (cedarea căldurii este cu atât mai pronunţată cu cât diferenţa de temperatură între motor şi mediul înconjurător este mai mare). Dacă funcţionarea este de durată se ajunge la starea de echilibru termic, stare ce corespunde situaţiei când toată căldura primită este cedată mediului, iar motorul nu mai înmagazinează căldură şi deci nu-şi mai modifică temperatura (practic, se admit variaţii sub 2°C într-o oră).

Răcirea motorului în perioadele de pauză se produce similar: la început, se cedează mediului o cantitate mare de căldură şi, ca urmare, temperatura scade rapid; apoi, scăderea este din ce în ce mai lentă.

În figura 17 s-a reprezentat variaţia temperaturii unui motor: încălzirea treptată, atingerea echilibrului termic şi răcirea până la temperatura θa a mediului ambiant.

Fig. 17 Variația temperaturii θ la încălzire și la răcireθm-temperatura maximă corespunzătoare echilibrului termic

θa-temperatura mediului ambiant

16

Temperatura θm depinde de pierderile în motor; acestea, la rândul lor, depind de puterea nominală a motorului.

Dacă puterea nominală a motorului este mai mare decât puterea cerută de maşina de lucru (motor subîncărcat), atunci temperatura maximă nu va fi atinsă pe durata acţionării (fig. 18.a): motorul nu este solicitat termic, însă există o rezervă de putere, neutilizată, pentru care s-au făcut cheltuieli de investiţii (preţul motoarelor creşte cu puterea acestora) ce trebuie amortizate.

Dacă puterea nominală a motorului este mai mică decât puterea cerută de maşina de lucru (motor subîncărcat), atunci temperatura maximă va fi depăşită (fig. 18.b) şi solicitările termice care apar scurtează durata de utilizare a motorului (izolaţia îmbătrâneşte mai repede).

Fig. 18 Variația temperaturii la încălzirea unui motor: a-subîncărcat; b-supraîncărcat

Cunoscând puterea nominală a motorului se pot determina pierderile nominale pn

(care determină încălzirea motorului) cu relaţia:

Dacă această relație nu este verificată, se alege un motor având puterea nominală imediat următoare celei verificate.

17

3. SĂNĂTATEA ȘI SECURITATEA MUNCII

Echipamentele electrice trebuie să fie astfel proiectate,fabricate, montate, întreţinute şi exploatate încât să fie asigurată protecţia împotriva pericolelor generate de energia electrică, precum şi protecţia împotriva pericolelor datorate influenţelor externe.

Pentru asigurarea protecţiei împotriva pericolelor generate de echipamentele electrice, trebuie prevăzute măsuri tehnice pentru ca: a) persoanele să fie protejate faţă de pericolul de vătămare care poate fi generat la atingerea directă sau indirectă a părţilor aflate sub tensiune;b) să nu se producă temperaturi, arcuri electrice sau radiaţii care să pericliteze viaţa sau sănătatea oamenilor;c) construcţia echipamentelor tehnice să fie adecvată mediului pentru ca să nu se producă incendii şi explozii;d) persoanele şi bunurile să fie protejate contra pericolelor generate în mod natural de echipamentul electric;e) izolaţia echipamentelor electrice să fie corespunzătoare pentru condiţiile prevăzute.

Pentru asigurarea protecţiei împotriva pericolelor datorate influenţei externe, echipamentele electrice trebuie:a) să satisfacă cerinţele referitoare la solicitările mecanice astfel încât să nu fie periclitate persoanele, animalele domestice şi bunurile;b) să nu fie influenţate de condiţiile de mediu, astfel încât să nu fie periclitate persoanele, animalele şi bunurile;c) să nu pericliteze persoanele, animalele domestice şi unurile, în condiţii previzibile de suprasarcină.

Pentru protecţia împotriva electrocutării prin atingere directă trebuie să se aplice măsuri tehnice şi organizatorice. Măsurile organizatorice le completează pe cele tehnice în realizarea protecţiei necesare.

Măsurile tehnice care pot fi folosite pentru protecţia împotriva electrocutării prin atingere directă sunt următoarele:a) acoperiri cu materiale electroizolante ale părţilor active (izolarea de protecţie) ale instalaţiilor şi echipamentelor electrice;b) închideri în carcase sau acoperiri cu învelişuri exterioare;c) îngrădiri;d) protecţia prin amplasare în locuri inaccesibile prin asigurarea unor distanţe minime de securitate;e) scoaterea de sub tensiune a instalaţiei sau echipamentului electric la care urmează a se efectua lucrări şi verificarea lipsei de tensiune;f) utilizarea de dispozitive speciale pentru legări la pământ şi în scurtcircuit;g) folosirea mijloacelor de protecţie electroizolante;h) alimentarea la tensiune foarte joasă (redusă) de protecţie;i) egalizarea potenţialelor şi izolarea faţă de pământ a platformei de lucru.

Măsurile organizatorice care pot fi aplicate împotriva electrocutării prin atingere directă sunt următoarele:

18

a) executarea intervenţiilor la instalaţiile electrice (depanări, reparări, racordări etc.) trebuie să se facă numai de personal calificat în meseria de electrician, autorizat şi instruit pentru lucrul respectiv;b) delimitarea materială a locului de muncă (îngrădire);c) eşalonarea operaţiilor de intervenţie la instalaţiile electrice;d) elaborarea unor instrucţiuni de lucru pentru fiecare intervenţie la instalaţiile electrice;e) organizarea şi executarea verificărilor periodice ale măsurilor tehnice de protecţie împotriva atingerilor directe.

Pentru protecţia împotriva electrocutării prin atingere indirectă trebuie să se realizeze şi să se aplice numai măsuri şi mijloace de protecţie tehnice. Este interzisă înlocuirea măsurilor şi mijloacelor tehnice de protecţie cu măsuri de protecţie organizatorice.

Pentru evitarea electrocutării prin atingere indirectă trebuie să se aplice două măsuri de protecţie: o măsură de protecţie principală, care să asigure protecţia în orice condiţii, şi o măsură de protecţie suplimentară, care să asigure protecţia în cazul deteriorării protecţiei principale. Cele două măsuri de protecţie trebuie să fie astfel alese încât să nu se anuleze una pe cealaltă. În locurile puţin periculoase din punctul de vedere al pericolului de electrocutare este suficientă aplicarea numai a unei măsuri, considerate principale.

Pentru evitarea accidentelor prin electrocutare, prin atingere indirectă, măsurile de protecţie care pot fi aplicate sunt următoarele:a) folosirea tensiunilor foarte joase de securitate TFJS;b) legarea la pământ;c) legarea la nul de protecţie;d) izolarea suplimentară de protecţie, aplicată utilajului, în procesul de fabricare;e) izolarea amplasamentului;f) separarea de protecţie;g) egalizarea şi/sau dirijarea potenţialelor;h) deconectarea automată în cazul apariţiei unei tensiuni sau a unui curent de defect periculoase;i) folosirea mijloacelor de protecţie electroizolante.

Este interzisă folosirea drept protecţie principală a măsurilor indicate la pct. e), g), h) şi i) .

Fac excepţie instalaţiile electrice casnice, la care deconectarea automată la curenţi de defect poate constitui mijloc principal de protecţie, şi stâlpii liniilor electrice aeriene de joasă tensiune, la care dirijarea distribuţiei potenţialelor constituie mijloc principal de protecţie.

Pentru instalaţiile şi echipamentele electrice de înaltă tensiune, sistemul de protecţie împotriva electrocutării prin atingere indirectă se realizează prin aplicarea uneia sau, cumulativ, a mai multor măsuri de protecţie, dintre care însă legarea la pământ de protecţie este totdeauna obligatorie.

19

BIBLIOGRAFIE

. M. Mira – Instalaţii şi echipamente electrice, Manual pentru clasele XI-XII, E.D.P.,

București, 1992

2. I. Isac – Măsurări electrice şi electronice, Manual pentru clasa a X-a, a XI-a și a XII-

a, E.D.P., București, 1996

3. N. Bichir – Maşini, aparate, acţionări şi automatizări, Manual pentru clasa a XI-a și

a XII-a, Ed. Tehnică, 1995

4. Gh. Frăţiloiu – Electrotehnică şi electronică aplicată, E.D.P., București, 1997

5. A. Stan – Aparate, echipamente şi instalaţii de electronică industrială, E.D.P.,

București, 1992

6. S. Pece – Protecţia muncii, E.D.P., București, 1996

7. I. Fetiţa – Materiale electrotehnice şi electronice, E.D.P., București, 1994

8. A. Ciocârlea, M. Constantin, L. Spornic - Senzori şi traductoare, Ed. CD Press, 2008

9.F. Mareș ș.a. – Elemente de comandă și control pentru acționări și sisteme de

reglare automată, Ed. Economică Preuniversitaria, 2002

20

CUPRINS

1. ARGUMENT...................................................................................................................12. ALEGEREA MOTOARELOR ELECTRICE DE ACȚIONARE.................................2

2.1 Alegerea motoarelor electrice de acţionare în funcţie de gradul de protecţie..........22.2 Alegerea motoarelor electrice de acţionare în funcţie de regimul de funcţionare....52.3 Alegerea motoarelor electrice de acționare în funcție de caracteristicile mașinii de lucru.................................................................................................................................92.4 Alegerea motoarelor electrice de acționare după reglajul de viteză......................15

3. SĂNĂTATEA ȘI SECURITATEA MUNCII...............................................................18BIBLIOGRAFIE..............................................................................................................20

21