UNIVERSITATEA LUCIAN BLAGA DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

AUTOMATIZRI

Autor: Prof.univ.dr. Laurean BOGDAN

Material pentru uzul studenilor

Sibiu,

2016

CUPRINS

INTRODUCERE ----------------------------------------------------------------------------------------- 4

CAPITOLUL 1 ------------------------------------------------------------------------------------------ 16

1. REALIZAREA MICRILOR N PROCESELE INDUSTRIALE ---------------------- 16

1.1. Acionri electromecanice -------------------------------------------------------------------- 17

1.1.1. Raportarea mrimilor mecanice la arborele motorului ----------------------------- 19

1.1.2. Acionri cu maina asincron --------------------------------------------------------- 41

1.1.3. Acionri cu maina de curent continuu ---------------------------------------------- 54

1.1.4. Acionri cu motorul pas cu pas ------------------------------------------------------- 67

1.1.5. Acionri electropneumatice ------------------------------------------------------------ 84

1.2. Procese industriale ----------------------------------------------------------------------------- 92

CAPITOLUL 2 ------------------------------------------------------------------------------------------ 95

2. AUTOMATIZRI INDUSTRIALE ------------------------------------------------------------- 95

2.1. Automatizarea proceselor continue --------------------------------------------------------- 96

2.2. Automatizarea proceselor discrete----------------------------------------------------------- 97

CAPITOLUL 3 ------------------------------------------------------------------------------------------ 99

4. SEMNALE, SENZORI I TRADUCTOARE ---------------------------------------------- 99

3.1. Componentele principale ale traductoarelor ----------------------------------------------- 99

3.1.1. Elementele sensibile ale traductoarelor ----------------------------------------------- 99

3.2 Traductoare numerice. Adaptoare pentru traductoare numerice ----------------------- 109

3.3. Principii generale de alegere a traductoarelor ------------------------------------------- 112

3.4. Traductoare de vibraii i acceleraii ------------------------------------------------------ 114

3.5. Traductoare de temperatur ---------------------------------------------------------------- 126

3.6. Traductoare de vitez i turaie ------------------------------------------------------------ 144

3.7. Senzori de proximitate ---------------------------------------------------------------------- 164

CAPITOLUL 4 ---------------------------------------------------------------------------------------- 169

4. CODIFICAREA INFORMAIEI -------------------------------------------------------------- 169

CAPITOLUL 5 ---------------------------------------------------------------------------------------- 169

5. CONTROLERELE LOGICE PROGRAMABILE ----------------------------------------- 169

5.1. Construcie i funcionare ------------------------------------------------------------------- 169

5.2. Programarea controlerelor logice programabile ----------------------------------------- 169

5.3. Funcii logice --------------------------------------------------------------------------------- 177

5.3.1. Funciile logice elementare ----------------------------------------------------------- 177

5.3.2. Programarea funciilor logice -------------------------------------------------------- 188

5.3.3. Scrierea unei linii de program -------------------------------------------------------- 188

5.4. Reprezentarea procesului prin funcii logice --------------------------------------------- 194

5.5. Configuraii hardware ----------------------------------------------------------------------- 199

5.5.1. Alimentare, conectare intrri-ieiri -------------------------------------------------- 199

5.5.2. Activarea intrrilor i ieirilor -------------------------------------------------------- 203

5.5.3. Exemplu --------------------------------------------------------------------------------- 205

FUNCIONAREA PLC Explicaii ---------------------------------------------------------------- 210

CAPITOLUL 6 ---------------------------------------------------------------------------------------- 223

6. AUTOMATIZAREA MICRILOR --------------------------------------------------------- 223

6.1. Automatizarea micrilor realizate cu maina asincron ------------------------------- 225

6.2. Automatizarea micrilor realizate cu maina de curent continuu -------------------- 232

6.3. Automatizarea micrilor realizate cu motorul pas cu pas ----------------------------- 232

6.4. Automatizarea micrilor realizate hidraulic i pneumatic -------------------------- 232

BIBLIOGRAFIA -------------------------------------------------------------------------------------- 240

INTRODUCERE

Procesele industriale sunt constituite din maini i instalaii tehnologice realizate spre

a rspunde cerinelor societii umane n a obine bunuri i servicii spre consum. Procesele

industriale se regsesc n diverse domenii de activitate ale economiei unei ri. Gsim procese

industriale n ramuri economice ale industriei constructoare de maini, ale industriei

alimentare, n transporturi, medicin, construcii, n industria auto, n industria uoar etc.

Se poate spune c procesele industriale pot fi identificate sub diverse forme i

complexiti. Cu ct o instalaie este mai complex cu att gsim mai multe forme ale

proceselor industriale. Procesele fizice ca multitudine de evenimente care se desfoar pe

baza legilor fizicii sunt, de fapt esena proceselor industriale. Parametrii fizici cum ar fi:

micrile relative ale corpurilor care compun instalaiile industriale, vitezele cu care acestea se

mic, temperaturile ca msur a cldurii, vibraiile mecanice, zgomotele, debitele sau

presiunile unor ageni lichizi sau gazoi, se constituie ca pornire n a stpni aceste procese.

Odat cu dezvoltarea societii omeneti s-au impus tot mai mult cerinele controlului

proceselor industriale fr intervenia operatorului uman.

Aa au aprut mainile automate. Primele maini automate s-au dezvoltat n domeniul

industriei uoare. Revoluia industrial a cunoscut dezvoltarea mainismului n diverse

sectoare de activitate. Pregtirile pentru rzboi au fost, din pcate, motoare ale dezvoltrii

controlului proceselor industriale, al nlocuirii operatorului uman din locuri de munc cu

solicitare fizic i psihic a acestuia. Aa au aprut mainile cu comand numeric (n jurul

anilor 1950). Realizarea tranzistorului ca dispozitiv electronic activ (1948) a impulsionat

realizarea circuitelor integrate i, mai trziu n jurul anilor 1970 obinerea microprocesorului

ca unitate complet de prelucrare a informaiei. n jurul anilor 1980 s-a realizat

microcontrolerul reprezentnd un calculator pe un cip. n anii 1960 s-a realizat primul

controler logic programabil. Dezvoltarea microelectronicii, a tehnologiilor din acest domeniu

a fost mijlocul prin care s-au obinut cu viteze de neimaginat, maini, instalaii, comunicaiile,

roboii, teleoperatorii etc. Ce observm este o concuren acerb n a realiza modele tot mai

performante de structuri hardware n paralel cu software corespunztoare.

Microelectronica i informatica sunt motoare pentru schimbarea structurii

instalaiilor industriale, a mbuntirii performanelor acestora cu scopul reducerii

consumurilor energetice, al creterii randamentelor i productivitii. Prin microelectronic i

informatic este posibil adaptarea rapid a metodelor i tehnicilor de realizare a produselor la

cerere n condiiile globalizrii produciei, al transferului fizic al mijloacelor de producie

dintr-un loc n altul de pe glob.

Procesele industriale pot fi identificate prin parametrii fizici care le nsoesc.

Miniaturizarea structurilor hardware pn la limite extrem de mici, au permis revoluionarea a

tot ce nseamn controlul proceselor industriale. Senzorii i sistemele senzoriale sunt structuri

hardware inteligente uor interconectabile cu echipamentele de programare i control.

Lucrarea de fa se constituie ca un material util celor care vor s neleag, s

conceap sau s exploateze i s ntrein instalaii automatizate pe baz de controlere logice

programabile. Automatizarea proceselor industriale a impus pe lng mainile care

prelucreaz, care proceseaz, s apar i sistemele de transfer automat de tip manipulatoare

automate i roboi industriali. La nceputuri automatizarea proceselor industriale s-a realizat

sub form de automate rigide n programare, automate la care componenta software este

implementat pe hardware nc din faza de proiectare i concepie a acestora. Acest tip de

automatizare s-a dovedit a fi rentabil n cazul produciei de serie mare i mas, pentru acele

produse care ajung pe piee n cantiti mari, care au cerere. Este cazul produselor de

dimensiuni mici, produse industriale, mbrcminte, alimente etc. n ultimii 25-30 ani s-a

impus tot mai accentuat producia la cerere. Mainile i instalaiile trebuind s fie tot mai

flexibile n programare, tot mai uor de adaptat la noi produse. Pentru ca mainile i

instalaiile s fie flexibile n programare, s fie uor i rapid adaptabile la produse noi, acestea

au nevoie de sisteme dotate cu inteligen artificial, cu senzori i sisteme senzoriale

inteligente. Acestea au devenit tot mai performante i ieftine astfel c i atunci cnd avem

producie de serie mare i mas ntlnim sisteme de conducere flexibile n programare, n

special de tip controler logic programabil (PLC).

Analiznd n acest context roboii industriali se impune s lmurim anumite aspecte.

Manipulatoarele automate sunt sisteme de mare productivitate, rigide n programare care se

amortizeaz rapid din punct de vedere financiar i al investiiei. Acestea au senzori de

proximitate, programul fiind implementat pe hard, nu se pot separa, schimbarea software

presupune schimbarea hardware.

Robotul este un sistem complex din punct de vedere cinematic i organologic capabil

s execute sarcini variate, este flexibil n programare, software-ul este separat de hardware, se

poate programa uor i rapid. Este mult mai scump dect manipulatorul automat, amortizarea

se realizeaz n timp mai ndelungat, efortul financiar al firmei care investete este mare.

Intrarea roboilor n sectoarele direct productive, robotul prelucreaz, nlocuiete

operatorul uman, a dus la eficientizarea introducerii rapide a roboilor i n producia de serie

mic i unicat. Aici trebuie avut n vedere i creterea salariilor angajatului nlocuit de robot.

Definirea mecanizrii i automatizrii

Mecanizarea i automatizarea fabricaiei

Definirea conceptelor

Mecanizarea i automatizarea pot fi definite ca metode ce analizeaz, organizeaz i

conduc mijloacele de producie pentru a realiza utilizarea optim a tuturor resurselor

productive, mecanice, materiale i umane. Obiectivul final al mecanizrii i automatizrii

const n economisirea eforturilor umane, fie ele musculare sau cerebrale.

Mecanizarea i automatizarea fabricaiei reprezint principala tendin de progres n

tehnologie. Tot mai multe proiecte sunt realizate prin mecanizare, automatizare i conducere a

proceselor prin calculator i acestea nu ntmpltor, ci avnd o serie ntreag de motive care

determin aceast obinute. Cteva din aceste motive sunt:

productivitate ridicat evident, prin mecanizare, automatizare se obin cantiti mult

mai ridicate de produse industriale n aceeai unitate de timp;

costul sczut al produciei mainile, comparativ cu corespondentul lor uman, sunt

mult mai productive i mai puin pretenioase din punct de vedere al costului muncii;

criza forei de munc mecanizarea, automatizarea s-au dovedit bune soluii n

rezolvarea acestei probleme;

orientarea forei de munc umane preponderent spre sectorul serviciilor;

sigurana sporit prin transferarea factorului uman din rolul de participant fizic activ

la procesul de producie n cel de supraveghetor, riscul accidentelor de munc a sczut

simitor;

costul ridicat al materiilor prime a impus exploatarea lor ct mai eficient, scop atins

prin precizia muncii mecanizate, automatizate;

calitatea mbuntit a produselor;

timp redus de livrare;

reducerea depozitarii intermediare;

factori ce in de concurena economica imaginea unei firme este mult mbuntit n

urma adoptrii unor metode moderne de lucru, crete promptitudinea livrrilor, etc.

Pe de alt parte, firmele care nu au adoptat aceste metode se vd puse n situaia de a nu putea

asigura un pre competitiv produselor lor, datorit costurilor de producie proprii mult mai

ridicate. Exist la ora actual o serie de argumente n favoarea mecanizrii i automatizrii, pe

lng cele enumerate anterior, precum i o serie de argumente contra acestei aciuni.

Argumente n favoarea mecanizrii, automatizrii:

Mecanizarea i automatizarea reprezint factorii cheie n reducerea sptmnii de

lucru la minimum, omul avnd la dispoziie mai mult timp pentru industrie, cultivare,

relaxare etc.

Mecanizarea, automatizarea asigur o siguran sporit a locului de munc, prin

reducerea implicrii fizice a omului n procesul de fabricaie;

Mecanizarea, automatizarea produciei va duce la preuri sczute i produse de calitate

superioar;

Dezvoltarea mecanizrii i automatizrii va produce o mutaie a forei de munc din

sfera fizic n cea conceptual - apar noi i diverse domenii de activitate necesitnd

personal cu nalt calificare (industria tehnicii de calcul, electronic, diverse domenii

de cercetare etc.);

Mecanizarea i automatizarea reprezint mijloace de ridicare a standardului de via,

deoarece doar oferind salarii crescnde pe baza produciilor crescute se poate evita

inflaia.

Argumente contra mecanizrii automatizrii:

Mecanizarea, automatizarea vor duce la subjugarea fiinei umane de ctre main

rolul uman se reduce la efectuarea unor operaii simple, care nu necesit ndemnare, fapt

care l pune pe acesta ntr-o poziie inferioar. Pe de alta parte ns, s nu uitm c de obicei

muncile de rutin, monotone sau cele cu un grad mare de periculozitate sunt cele automatizate,

deci n ansamblu se poate concluziona c omul este cel avantajat; Reducerea necesarului

forei de munc, rezultnd de aici omaj; Mecanizarea, automatizarea vor avea un impact

negativ asupra puterii de cumprare a populaiei.

Obiectivele mecanizrii i automatizrii

Activitatea uman a parcurs de-a lungul timpului o serie de etape, n vederea obinerii

de bunuri materiale necesare:

1. etapa mecanizrii etapa n care omul este preocupat de a reduce la minim efortul su

fizic. Etapa a nceput odat cu crearea primelor unelte i continu i n prezent, cnd

omul a realizat nu numai mijloace care s-i permit reducerea efortului fizic, ci i a

celui intelectual (mainile de calcul). n aceasta etap, rolul omului n producia de

bunuri materiale a fost i este direct, nemijlocit, realizarea oricrui proces de producie

fiind condiionat de activitatea sa;

2. etapa automatizrii - etapa n care omul s-a preocupat s gseasc soluii care s

reduc sau s elimine complet intervenia s direct, care condiiona desfurarea

proceselor de producie. Astfel, prin automatizare, omului i rmne doar rolul de

conducere, de asigurare a condiiilor de desfurare a proceselor i controlul

desfurrii lor, adic o activitate de ordin intelectual;

3. etapa cibernetizrii - etapa n care omul s-a preocupat ca pentru procesele automatizate

s-i reduc sau s elimine i activitatea de conducere; aceasta a fost posibil prin

realizarea de obiective materiale capabile s efectueze operaii de gndire logic,

caracteristic activitii intelectuale. Etapele au aprut succesiv, pe msura cunoaterii

mai profunde a realitii obiective, dar ele nu se elimin, ci se desfoar paralel.

Automatizarea proceselor tehnologice, indiferent de natura lor, prezint probleme

complexe care nu pot fi rezolvate dect n condiiile unei strnse colaborri ntre tehnolog i

automatist. Cnd se urmrete realizarea unor sisteme automatizate, proiectarea instalaiei

tehnologice (care urmeaz a deveni instalaie automatizat) prezint unele aspecte particulare

care n unele cazuri, o fac diferit de instalaia neautomatizat; aceasta, deoarece nsi

proiectarea procesului tehnologic de prelucrare sau montaj (n construcia de maini) ca

proces susceptibil de automatizare, presupune existena unor particulariti, comparativ cu

procesul tehnologic neautomatizat.

Introducerea mecanizrii, automatizrii i cibernetizrii n industria constructoare de

maini este difereniata pentru dou situaii posibile:

a) cazul proceselor tehnologice existente (care se desfoar), pentru care rezolvrile sunt

uneori limitate de utilaje i organizarea existent;

b) cazul proceselor tehnologice nou proiectate, pentru care utilajele urmeaz a fi proiectate

sau procurate, iar organizarea trebuie astfel fcut nct s favorizeze introducerea

automatizrii i cibernetizrii.

n etapa actual de dezvoltare a tehnicii pe plan mondial i naional, mecanizarea i

automatizarea produciei reprezint principala modalitate de asigurare a creterii

productivitii muncii. Este de remarcat faptul c productivitatea muncii i costurile de

producie pot fi modificate favorabil printr-un ansamblu de msuri de natur tehnic care

trebuie s precead introducerea mecanizrii i automatizrii.

Msurile de natur tehnic se difereniaz n raport cu etapele pregtirii produciei.

Astfel, n etapa pregtirii constructive ele constau n:

standardizarea i tipizarea proceselor, a subansamblelor i pieselor, aciuni care permit

reducerea volumului activitilor de proiectare, crearea de ntreprinderi specializate,

asigurndu-se n acest mod condiii optime pentru introducerea mecanizrii i

automatizrii produciei;

proiectarea tehnologic a formelor geometrice, astfel nct piesele s poat fi obinute

n condiii economice i s permit montaje mecanizate i automatizate.

n etapa pregtirii tehnologice a produciei, msurile sunt concentrate n direcia

optimizrii proceselor tehnologice i astfel se poate aciona pentru:

reducerea timpului de baz prin:

intensificarea parametrilor regimului de prelucrare;

prelucrarea simultan a unor suprafee, cu mai multe scule;

prelucrarea simultan a mai multor piese;

utilizarea sculelor combinate etc.;

reducerea timpului auxiliar prin:

utilizarea dispozitivelor cu acionare rapid;

reducerea numrului de prinderi desprinderi ale piesei;

aezarea pe paleta, prinderea i desprinderea piesei n afara zonelor de lucru;

suprapunerea timpului auxiliar cu timpul de baz etc.;

proiectarea procesului tehnologic pentru maini speciale sau specializate care lucreaz

n ciclu automat sau semiautomat.

n desfurarea procesului de producie, msurile tehnice se completeaz cu cele de

natur organizatoric, care, urmrind creterea productivitii muncii i reducerea costurilor

de producie, vizeaz n principal:

eliminarea timpului de reascuire a sculelor consumat de muncitorii productivi,

organizarea ascuitoriilor centralizate;

reducerea timpilor de aprovizionare cu semifabricate;

lansarea n fabricaie a pieselor n loturi economice etc.

Dup aplicarea msurilor prezentate, efectele de cretere a productivitii muncii i

reducere a costurilor de producie mai pot fi amplificate prin introducerea mecanizrii i

automatizrii, asigurnd totodat condiii de cretere a calitii produciei i reducere a

efortului fizic.

n ceea ce privete aspectul economic al acestor soluii, trebuie remarcat c, dac

productivitatea muncii i reducerea costurilor de producie realizate prin msuri tehnice i

organizatorice sunt eficiente din punct de vedere economic n orice tip de producie (masa,

serie sau individual), obinerea acelorai efecte prin mecanizare i automatizare dup unii

autori poate fi posibil numai n anumite condiii de stabilire a produciei i pentru produse de

o anumita complexitate constructiv i tehnologic.

Concluzia este parial eronata, deoarece mecanizarea i automatizarea pot s constituie

mijloace eficiente de cretere a productivitii muncii de orice tip de producie. Soluiile care

se adopt sunt dependente de tipul produciei, astfel c, dac pentru producia de unicate i

serie mic sunt adoptate variante corespunztoare, eficiena economic poate fi substanial.

Aplicarea msurilor de mecanizare sau (i) de automatizare se poate face parial pentru fiecare

dintre etapele de realizare, ct i pentru fiecare din componentele procesului de munc.

Particulariti ale proiectrii proceselor tehnologice automatizate

Procesele tehnologice pentru sistemele automatizate de prelucrare se proiecteaz dup

principiile generale ale proiectrii tehnologiilor, ele trebuie s mplineasc, pe lng cerinele

tehnologice i tehnico-economice generale, i o serie de cerine specifice:

succesiunea de prelucrare stabil s asigure posibilitatea automatizrii tuturor

micrilor de lucru i auxiliare necesare realizrii procesului;

stabilirea bazelor de orientare trebuie s fie fcut astfel nct s se ndeplineasc

condiia tehnologic (de erori n limitele admise) i n acelai timp, pentru liniile

tehnologice automate, s se reduc la minim numrul schimbrilor de poziie ale

pieselor, crendu-se posibilitatea fixrii automate a pieselor la posturile de lucru;

pentru sistemele de prelucrare automatizate la care piesele sunt deplasate pe palete,

bazele rmn unice pn la prsirea paletei, iar suprafeele de fixare stabilite s nu

mpiedice prelucrrile;

pentru liniile tehnologice automatizate se impune realizarea unor timpi de main egali

pentru toate posturile, sau a unor timpi multipli pentru diferite operaii, n vederea

asigurrii sincronizrii funcionrii posturilor liniei i a unor depozite inter-

operaionale de capaciti convenabile;

prevederea unor operaii, respectiv a unor posturi i a unor echipamente care s

asigure funcionarea fr avarii a sistemului de prelucrare.

Procesul tehnologic pentru sistemele automatizate de prelucrare trebuie astfel proiectat

nct acesta s cuprind un numr ct mai mic de maini sau de posturi de lucru. Aceasta se

poate utiliza prin concentrare la maxim a operaiilor (prevznd la acelai post de lucru un

numr mare de axe principale, folosind magazine de scule sau de capete de for etc.).Nu se

va accepta concentrarea la acelai post sau main a operaiilor de degroare sau de finisare.

n procesele tehnologice pentru sisteme automatizate trebuie prevzute numai acele tipuri de

procedee de prelucrare care asigur condiii pentru automatizare (de exemplu nu vor fi

prevzute procedee neconvenionale la posturile liniei).

n cazul proiectrii liniilor tehnologice automatizate flexibile, toate operaiile care

difer de la o pies la alta, se vor plasa ctre sfritul fluxului, asigurnd astfel timp minim

pentru reglarea liniei la trecerea de la o pies la alta. Tot n aceast situaie, de comun acord

cu proiectantul de produs, se pot propune modificri constructive neeseniale ale pieselor

(prevederea unor bosaje sau lamaje etc.) care s asigure prelucrarea lor fr reglaje importante

ale liniei. Stabilirea bazelor de orientare la prelucrare n sisteme automatizate trebuie astfel

fcut nct ele s coincid pe ct posibil cu bazele de msurare, s fie permanente pe tot

parcursul prelucrrii, s asigure o fixare comod, un transport uor i un numr minim de

schimbri de poziie ale piesei.

Concepte ale mecanizrii i automatizrii fabricaiei

Automatizarea i mecanizarea produciei este facilitat mult dac se au n vedere unele

concepte fundamentale, cum sunt: conceptul de flexibilitate tehnologica i conceptul de

construcie modular.

Conceptul de sistem de fabricaie

Oricrei uniti de producie, posibil de automatizare a diverselor procese, i se poate

asocia noiunea de sistem de fabricaie. Folosind notaiile curente din teoria sistemelor, un

sistem de fabricaie (SF) reprezint un ansamblu structurat de mijloace de producie, legate

intre ele prin relaii ale crui funciuni sunt sarcinile de producie considerate.

innd seama de aceast definiie, orice proces tehnologic se poate reprezenta ca un

sistem de fabricaie, ale crui intrri sunt, pe de o parte materialele i energia care se

transform n acest proces i pe de alt parte instruciunile (informaiile, reelele, regimurile,

operaiile) referitoare la modul de desfurare a procesului, ieirea din sistem fiind produsul

rezultat n urma procesului, aa cum este prezentat n figura 1.

Figura 1. Principiul unui sistem

n general un sistem de fabricaie (SF) poate fi descompus n subsisteme, figura 2. care

corespund funciunilor sale de baz astfel:

ST=subsistem tehnologic n care se efectueaz operaiile tehnologice propriu-zise;

SM=subsistem de manipulare, care asigur transferul, orientarea, poziionarea, depozitarea

pieselor;

SC=subsistem de control, care efectueaz verificarea calitii de execuie a operaiilor;

SP=subsistem de comand, care asigur succesiunea corect a operaiilor n cadrul sistemului.

Prin urmare strile sistemului sunt urmtoarele: tehnologie (T), manipulare (M),

control (C), care prin comanda (P) fac, ca n cursul funcionrii sistemului intrrile s

determine trecerea lui succesiv de la o stare la alta.

Figura 2. Structura unui sistem de fabricaie

Orice SF are sarcina de a realiza un produs finit cu caracteristici de form i de dimensiuni

bine stabilite pornind de la semifabricat. Complexitatea acestor sisteme poate fi gradat n

conformitate cu funciunile pe care le poate executa. Astfel n figura 2.3. se reprezint

schematic complexitatea sistemelor din care se desprind sistemele de fabricaie de:

ordinul 1 care pot executa operaii tehnologice; exemplu un centru de prelucrare

(CP), maina unealt agregat (MU);

ordinul 2 reprezentat prin concentrarea mai multor maini pentru prelucrarea

complex a unei sarcini de fabricaie a uneia sau a mai multor piese. n aceast

categorie se ncadreaz cele mai multe sisteme de fabricaie n industria constructoare

de maini: linii de fabricaie, linii de transfer, linii de montaj, etc.

ordinul 3 construit din secii automatizate integral i conduse prin calculator;

ordinul 4 cel mai complex realiznd inclusiv comercializarea produsului incluznd

n acest scop elementele i personalul necesar reprezint de fapt o ntreprindere.

Tratarea procesului tehnologic n concepia de sistem aduce un avantaj de metod

producnd i o inovaie n gndire prin faptul c proiectarea tehnologiei ca sistem

implic adoptarea specializri produs n opoziie cu specializarea proces.

Specializarea proces presupune gruparea mijloacelor de producie n funcie de

nrudirea lor tehnologic; astfel o unitate tehnologica va fi compus dintr-un sector de

maini de strunjit, unul de maini de frezat, altul de maini de rectificat sau de maini de

prelucrat prin deformare plastica, etc.

Specializarea produs reprezint punctul de plecare pentru automatizarea complex a

produciei n construcia de maini iar concepia sistemic a procesului de fabricaie reprezint

metoda specific pentru proiectarea tehnologic a unitilor de producie cu nalt nivel de

automatizare.

Conceptul de flexibilitate tehnologic

Cercetarea fabricaiei ca fenomen de producie arat c extinderea automatizrii i

mecanizrii este posibil numai prin dezvoltarea unor noi categorii de mijloace de producie,

orientate spre satisfacerea cerinelor specifice acestui fenomen. Termenul general prin care se

definete totalitatea caracteristicilor noi ale acestor mijloace de producie este cel de

flexibilitate. n domeniul produciei industriale, termenul apare relativ recent n legtur cu

automatizarea fabricaiei, ca trstur ce definete un sistem automat de fabricaie bazat pe

maini transformabile att pentru procese de prelucrare ct i pentru cele de transport al

materialelor. Ulterior, termenul de flexibilitate este utilizat i cu referire la capacitatea unui

sistem de a trece la fabricaia produselor de un alt tip, caracteristic definit ca elasticitate

tehnologic.

Termenele de flexibilitate i elasticitate utilizate n legtur cu fenomenul de fabricaie

sunt folosite n paralel cu toate c cel de flexibilitate este mai recent i a fost de la nceput

orientat spre noi concepte n automatizare i mecanizare.

n ceea ce privete termenul de elasticitate, cu referire la fabricaie, acesta desemneaz

caracteristicile unei ntreprinderi: adaptarea, regruparea, modificarea, mobilitatea i comport

doua componente:

elasticitatea structurilor tehnice sau elasticitatea propriu-zisa;

elasticitatea comercial, respectiv elasticitatea fa de pia.

n acest context, capt semnificaia i termenii de elasticitate cantitativ i cel de

elasticitate calitativ, primul cu privire la cantitatea produselor diferite ce pot fi realizate; cel

de-al doilea cu privire la spectrul performanelor realizate. Aceti termeni pot fi considerai ca

pri definitorii ale conceptului de elasticitate a investiiei; ei sunt luai n considerare la

determinarea profilului obiectivelor i eficienei investiiilor pentru realizare de obiective

industriale.

n raport cu aceast extindere a termenului de elasticitate, termenul de flexibilitate este

folosit pentru a exprima elasticitatea propriu-zisa a structurilor tehnice, respectiv a elasticitii

tehnice de fabricaie. Astfel, prin flexibilitate se nelege capacitatea de modificare a

sistemelor tehnice i a condiiilor organizatorice ale unui proces de fabricaie n vederea

adaptrii sale la noi sarcini de fabricaie n mod automat

Totodat, sistemele de fabricaie mecanizate i automatizate flexibile vor trebui

definite n comparaie cu sistemele de fabricaie mecanizate i automatizate rigide. n timp

ce sistemele rigide sunt de la nceput concepute pentru realizarea unei singure sarcini de

fabricaie, sistemele flexibile sunt astfel concepute nct s se poat transforma n vederea

realizrii mai multor sarcini diferite de fabricaie.

Conceptul de flexibilitate este utilizat pentru caracterizarea unor soluii tehnice diferite,

ncepnd de la linia de transfer adaptat la cteva variante ale sarcinii de producie i de la

centrul de fabricaie cu comand numeric pn la linia de fabricaie cu comand numeric i

sisteme integrate de maini unelte i instalaii logistice, comandate de ctre structuri

ierarhizate de dispozitive de prelucrare a datelor.

Automatizarea pe baza specializrii-produs n zona seriilor mici de fabricaie i a

produselor care se diversific intensiv, presupune asocierea noiunii de sistem de fabricaie cu

noiunea de flexibilitate.

Flexibilitatea presupune capacitatea sistemului de a se adapta la sarcini de producie

diferite, att din punct de vedere al formei i dimensiunilor produsului ct i din punct de

vedere al procesului tehnologic care trebuie efectuat.

Nivelul de automatizare al unui sistem poate fi exprimat i n funcie de flexibilitatea

lui. Astfel, se consider c un echipament tehnologic are un nivel de automatizare cu att mai

nalt cu ct prezint dependen fa de operatorul uman, att pentru executarea repetat a unei

sarcini, ct i pentru adaptarea sa de la o sarcin la alta.

Sistemele flexibile de fabricaie (SFF) se caracterizeaz prin:

capacitatea de prelucrare a pieselor de forme diferite i dup tehnologii diferite.

Loturile de piese putnd fi prelucrate fie n paralel (concomitent) fie n serie (succesiv);

capacitatea de adaptare a MU componente la specificul pieselor de prelucrat;

transferul automat al pieselor de la un post de lucru la altul;

acceptarea fluxului de informaii pentru prelucrarea automat pe MU precum i

desfurarea organizat a procesului de fabricaie pe alte uniti componente ale

sistemului. Aceasta implic corelarea informaiilor tehnice cu cele organizatorice i

codificarea lor ca atare.

Nivelul de automatizare al unui sistem depinde, n general, de posibilitile tehnicii n

momentul crerii lui. Scopul urmrit este ntotdeauna exploatarea maxim a unitilor de

prelucrare n condiii de flexibilitate maxim, desfurarea programului executndu-se cu

precizie orar.

Din cele artate mai sus reiese c un SFF reprezint o serie de MU i instalaii legate

printr-un sistem comun de transport i de comand astfel nct s poat avea loc o fabricaie

automat pentru piese diferite.

Adoptarea SFF conduce la modificri avantajoase comparativ cu fabricarea tradiional cu

consecine directe n:

reducerea personalului productiv;

creterea productivitii i calitii produselor;

reducerea timpilor auxiliari;

reducerea spaiilor de producie;

mbuntirea n ansamblu a desfurrii fabricaiei;

exploatarea superioar a disponibilitilor (regim de funcionare n trei schimburi cu

aceeai productivitate).

Evident, aceste realizri se pot obine numai prin eforturi traduse prin:

creterea cheltuielilor necesare ntreinerii;

mutarea unei pri a activitii de producie n domeniul de pregtire a fabricaiei cu

alte cuvinte mai mult gndire tehnologic i organizatoric dect execuie propriu-

zis.

n figura 3. este redat interdependena dintre productivitatea i flexibilitatea SF

Semnificaia cifrelor din grafic este urmtoarea:

linii de transfer (producie stabil de serie mare),

linii de transfer cu posibiliti de reglare (serie mare productivitate programabil),

sisteme de fabricaie conduse cu calculatorul de proces,

centre de prelucrare cu comand numeric NC.

Figura 3. Relaia productivitate-flexibilitate

Concluzionnd, se poate spune c sistemele flexibile de fabricaie se ntreptrund la limita

superioar cu liniile de transfer, iar la limita inferioar cu centrele de prelucrare luate unitar.

CAPITOLUL 1

1. REALIZAREA MICRILOR N PROCESELE

INDUSTRIALE

Procesele industriale se bazeaz pe elemente de execuie, elemente de conversie

electromecanic a energiei prin care se obine lucru mecanic. Lucrul mecanic presupune

micare, deplasare liniar sau de rotaie n prezena forelor sau cuplurilor mecanice.

Elementele de execuie le regsim sub forma motoarelor electrice de acionare cum ar fi:

motorul asincron, motorul de curent continuu, motorul pas cu pas, motorul universal. Tot

elemente de execuie sunt i sistemele electro-hidro-pneumatice. Se folosete tot mai mult

termenul de actuator ca un ansamblu format din sursa de micare urmat de elemente

intermediare cinematice i mecanice cu rol de a asigura adaptarea acestuia la aplicaie.

Elemente de execuie

Elementul de execuie (E) ocup locul central n orice sistem de automatizare.

Mrimea de intrare n elementul de execuie se numete mrime de comand (c) iar mrimea

de ieire este mrimea de execuie (m) cea care asigur parametrii fizici ai procesului (P),

parametrii dorii de utilizator prin care procesul s respecte o anumit evoluie.

Figura 4. Structura unui sistem de programare i control al proceselor

Aa cum reiese din figura 4 elementul de execuie, prim mrimea de execuie m

acioneaz asupra procesului industrial (P). Procesul industrial i va schimba starea i, ca

urmare apar o serie de parametrii fizici (e) care vor fi monitorizai de ctre sistemul de senzori

(M). Senzorii, traductoarele transform parametrii fizici ai procesului n mrimi electrice r

care ajung ntr-un sistem de comparare. Sistemul de comparare poate realiza i o sum

algebric ntre mrimea prescris de utilizator (i) i mrimea (r) furnizat de traductor.

Rezultatul nsumrii ntre i i r va fi a. Mrimea a ajunge la intrarea unui sistem foarte

important n automatizarea proceselor, sistemul regulator (R). n regim staionar elementul de

execuie E trebuie s transmit spre ieire mrimea m proporional cu mrimea de intrare c.

Factorul de proporionalitate va avea o valoare numeric i ar trebui s fie constant indiferent

de valoarea lui c sau m. Valorile lui m se pot schimba datorit evoluiei procesului industrial.

Regulatoarele liniare, caracterizate printr-o relaie ntre mrimile c i a ca integro-diferenial

cu coeficieni constani sunt cele mai des ntlnite n practic. Regulatorul proporional se

caracterizeaz printr-un coeficient de amplificare. Regulatorul integral are o aciune n

legtur direct cu integrala mrimii sale de intrare a. Regulatorul proporional-integral (PI)

are o aciune cu dou componente, una fiind proporional cu abaterea a iar cealalt

proporional cu integrala abaterii. Regulatorul proporional-derivativ (PD) va avea o aciune

dependent att de componenta proporional ct i de cea derivativ. Regulatorul de tip

proporional-integral-derivativ (PID) va avea aciuni n concordan cu cele trei tipuri:

proporional, integral i derivativ.

1.1. Acionri electromecanice

Componenta de baz a sistemelor de acionare electromecanic este convertorul

electromecanic, motorul electric cu micare de rotaie sau de translaie. Motorul electric preia

energia electric i o transform n energie mecanic, lucru mecanic, fore i deplasri, cupluri

de rotaie i unghi de rotaie. Parametrii fizici care apar n procesele industriale sunt:

deplasarea, viteza i acceleraia. Majoritatea surselor de micare sunt motoare electrice de

rotaie. Relaiile fizice arat:

;Rv =

,60

22

nN

==

n care R este raza de rotaie, este rotaia unghiular dat n rad/s, N-numrul de rotaii pe

secund i n numrul de rotaii pe minut. Din punct de vedere dinamic trebuie luate n

consideraie i variaiile forei, rotaiei, cuplului, puterii i curentului n funcie de timp.

Motorul electric de acionare dezvolt un cuplu mecanic de rotaie, momentul de rotaie M. La

nivelul procesului industrial apare cuplul de torsiune rezistent Mr, figura 5.

Figura 5. Maina electric de acionare i procesul industrial

n regim staionar, cnd exist egalitate M=Mr, turaia va avea o valoare constant. n

cazul n care dispare echilibrul ntre cele dou cupluri mecanice va apare o component

dinamic dat de ineriile pieselor aflate n micare.

rMdt

dJM +

=

.

n funcie de componenta derivativ din expresie, n procesul industrial putem avea

accelerarea micrii cnd M>Mr, sau frnarea micrii atunci cnd M

O acionare electromecanic se bazeaz pe un dispozitiv de comand (DC) prin

intermediul cruia se prescrie valoarea dorit pentru mrimea vitezei din proces, figura 6.

Acionarea electromecanic, AEM are n componena sa maina electric de acionare,

motorul electric, actuatorul. Grupul de elemente DC-AEM le gsim n practic sub forma

moto-reductoarelor cu drivere specifice, servomotoarele de curent continuu etc. Sistemele de

ultim or sunt concepute spre a fi interfaate uor cu microcontrolere, cu controlere logice

programabile (PLC) sau cu alte structuri de calculator. Acionrile moderne nu pot fi

concepute fr o gndire sistemic, mecatronic, fr s aib n vedere cele trei componente

de baz: mecanica, electronica i informatica. Soluiile viitorului din domeniul acionrilor

vor fi tot mai complexe astfel c va fi tot mai dificil s le separm n componentele din care

sunt concepute. Pentru a gsi soluia cea mai potrivit pentru o automatizarea trebuie

cunoscui foarte bine parametrii procesului (adesea mecanici) ca apoi s putem decide

modalitatea de realizare a micrilor, sursele de micare, tipul de motor sau actuator,

traductoarele sau senzorii cu care controlm procesul i soluia informatic cea mai simpl i

fiabil. Toate acestea spre a asigura fiabilitatea ntregului sistem de automatizare, reducerea

consumului de energie, mbuntirea randamentelor i a efectelor negative asupra mediului i

a operatorului uman.

1.1.1. Raportarea mrimilor mecanice la arborele motorului

n aplicaiile practice se opereaz cu putere, cuplu, turaii, frecvene etc. O main

electric de acionare (MEA), dup ce este alimentat la tensiunea nominal de lucru

specificat n documentaie, poate porni n gol sau n sarcin. Cnd pornete n gol la axul su

va apare un cuplu rezistent determinat de frecrile n lagrele motorului, frecrile rotorului cu

aerul din zona ntrefierului (spaiul dintre rotor i stator), de elicea care are rolul de a ventila i

rci motorul, figura 7.

Figura 7. Maina electric de acionare i mrimile procesului

Prin urmare i la mersul n gol maina electric consum energie iar la cuplul rezistent

care apare corespunde o valoare a turaiei de pe caracteristica natural a mainii. Cel mai

adesea motorul ca surs de micare este urmat de un mecanism de reglare (MR), de o cutie de

viteze, de un reductor. n afar de mainile de rectificat unde vitezele de achiere trebuie s fie

foarte mari i unde dup motor nu avem reductor ci avem un amplificator de turaie, n cele

mai multe cazuri avem nevoie de reducerea turaiei, la fel ca i la automobil. Sistemele

moderne de maini-unelte au la baz sisteme mecatronice care au simplificat foarte mult

partea mecanic, cinematic reglajul parametrilor finali ai procesului, acetia asigurndu-se

electronic i informatic, reglarea turaiei prin reglarea frecvenei tensiunii de alimentare a

motorului. Referina fiind, adesea, prescris printr-un semnal PWM.

Dac analizm structura clasic: motor urmat de mecanism de reglare (MR) observm

c la axul motorului, a mainii electrice de acionare avem turaie mare i cuplu mic. Puterea

motorului va putea fi calculat ca produsul dintre turaia mare i cuplul mic. Dup

mecanismul de reglare vom avea turaie mai mic dect cea a motorului, n schimb vom avea

cuplul mecanic mai mare dect cel de la axul motorului. Cu ct scade turaia, respectiv cu ct

crete cuplul mecanic depinde de raportul de transfer iT. Prin urmare MPI va fi mai mare dect

MM, respectiv nPI va fi mai mic dect nM. Situaia prezentat arat c n realitate mecanismul

de reglare MR este un amplificator de cuplu n detrimentul turaiei. Oricum motoarele au

turaii mari, de obicei peste 1000 rot/min i cuplu insuficient pentru cele mai multe din

procesele industriale aa c mecanismul de reglare rezolv o problem important, acea a

asigurrii unei turaii corespunztoare procesului i un cuplu suficient de mare. n procesul

industrial vom avea o putere dat de produsul dintre turaia i cuplul din proces, mai mic

dect puterea de la axul mainii electrice. Apare firesc o pierdere de energie ntre motor i

proces, mecanismul de reglare risipete o parte din aceasta prin nclzire, zgomot, vibraii etc.

n multe cazuri avem, asemenea ca la automobil, un mediu de lubrifiere, un ulei pentru

ungerea componentelor din mecanismul de reglare. Barbotarea acestuia va consuma o parte

din energia care curge de la motor spre proces. Pentru realizarea unor proiecte de

automatizare care s rspund cerinelor tot mai diversificate ale utilizatorilor va trebui ca

dup cunoaterea bun a parametrilor procesului, s pornim de la elaborarea acionrii

electrice sau electro-pneumatic, electro-hidraulic etc. Oricare dintre acestea au la baz un

motor electric. Pentru alegerea celei mai bune soluii de acionare mai cu seam din punct de

vedere al nclzirii motorului, al serviciului de funcionare a acestuia, se face reducerea

mrimilor la arborele motorului. Practic analizm procesul, deducem mrimea turaiilor,

vitezelor, ale cuplului mecanic necesar ca apoi s le calculm valoarea acestora la nivelul

axului motorului. Dup ce tim valorile cuplului i a turaiei la nivelul axului motorului putem

face verificri legate de puterea acestuia. Urmeaz apoi verificrile la nclzire.

n figura ... este prezentat, n principiu, structura unui mecanism de reducere a turaiei,

respectiv de amplificare a cuplului mecanic. ntre motorul electric de acionare (MEA) i

procesul industrial (PI) apar grupuri de angrenaje fiecare oferind un raport de transfer i. La

nivelul unui ax oarecare k vom avea raportul:

k

ki

= 1

Raportul total de transmisie va fi:

,...321 nLn

iiiii =

=

=

Cuplul mecanic redus la axul mainii de lucru va fi:

iMM rLrLred

1=

Unde MrL este cuplul rezistent la axul mainii de lucru, iar randamentul total al transmisiei,

figura 8.

Figura 8. Elemente intermediare MEA-PI

n cazul n care procesul industrial l gsim la: macarale, poduri rulante, raboteze,

epinguri etc. Apar micri de translaie. n aceste cazuri este necesar s se raporteze forele i

masele din micarea de translaie, la micarea de rotaie a arborelui motor, determinndu-se

un cuplu rezistent echivalent sau un cuplu de inerie echivalent. n acest caz din condiia

conservrii puterii rezult:

FvM r =

Figura 9. Poziia MEA fa de procesul industrial

Produsul Mrx este puterea la nivelul motorului ca micare de rotaie iar (F)x(v) este

produsul dintre for i viteza de translaie din proces, adic puterea la nivelul procesului.

este randamentul transmisiei.

Respectiv:

=

FvM r

n final avem valoarea cuplului Mr la nivelul axului motorului de acionare.

Dup ce am determinat valoarea parametrilor redui la arborele motorului de acionare

se alege un motor din catalogul de produse ale diferitelor firme. Cel mai important document

pentru motor este caracteristica mecanic a acestuia. Dependena funcional =f(M), viteza

unghiular n funcie de cuplul electromagnetic al motorului, reprezint caracteristica

mecanic. Aceste caracteristici, n funcie de scderea turaiei odat cu creterea cuplului, pot

fi: 1 sincron, 2 dur sau rigid i 3 elastic sau moale. Prin modificarea unor parametrii

ai motorului: flux magnetic, frecven, tensiune de alimentare, rezistena rotoric etc. Se pot

obine caracteristici artificiale dorite n diferite cazuri de procese industriale, figura 10.

Figura 10. Caracteristici ale MEA

Caracteristica de tip 1 sincron o gsim n cazul motoarelor sincrone, cum este i

motorul pas cu pas. n acest caz, n limita cuplului de care este capabil motorul, turaia are

aceeai valoare. Caracteristica de tip 2 rigid o ntlnim n cazul mainilor unelte, a roboilor

industriali, a diverselor instalaii industriale unde turaia nu trebuie s se modifice foarte mult

odat cu creterea cuplului rezistent din proces. Caracteristica de tip 3 o ntlnim n cazul

traciunii electrice. n acest caz motorul va avea la axul su un cuplu rezistent dat de ineria

maselor care urmeaz a fi puse n micare i prin urmare va trebui s aib o turaie mic

pentru a demara ncet din starea de repaus iar efectele ineriale asupra pasagerilor sau

pasagerului s fie minime.

Ecuaia general a micrii

Se consider un motor electric cuplat la o main de lucru aa cum reiese din figura 11.

Figura 11. Raportarea mrimilor la arborele MEA

Motorul electric ca i convertor electromecanic consum energie electric din reea, o

transform n energie mecanic corespunztoare procesului tehnologic pe care-l deservete

respectiv unitatea de lucru (UL).

S presupunem c toate masele n micare sunt concentrate n volantul V, caracterizat

de momentul de inerie J, cuplul dezvoltat la arborele motorului este m, iar cel rezistent de la

nivelul mainii de lucru este ms.

Acionarea funcioneaz cu regim tranzitoriu, astfel c bilanul energetic evideniaz

energiile astfel:

Energia la arborele motorului

=t

m dmW0

(1)

Energia la arborele ML

=t

sL dmW0

(2)

Energia cinetic a maselor n micare

2

2JWc =

(3)

Avnd n vedere c energia degajat de motor este consumat de ML i masele n

micare, vom putea scrie:

+==t t

sm JdmdmW0 0

2

2

(4)

Pentru a obine bilanul puterilor se va raporta energia la timp (t) i se obine:

.2

2

+=

J

dt

dmm s

(5)

respectiv:

.dt

dJmm s

+=

(6)

n situaia n care J este constant (momentele de inerie nu se schimb, distribuia maselor n

jurul axei de rotaie rmne aceeai).

Dac viteza este diferit de zero, prin mprirea ecuaiei cu , se obine ecuaia

general a micrii:

dt

dJmm s

+=

(7)

Se pot distinge urmtoarele situaii:

Momentul de inerie este constant i viteza diferit de zero;

Acionarea se afl, sau nu, n regim tranzitoriu n funcie de valorile cuplului dezvoltat de

motor fa de cuplul opus de ctre sarcin, astfel:

m > ms, atunci d/dt > 0 i acionarea este accelerat;

m < ms, atunci d/dt < 0 i acionarea decelereaz;

m = ms, acionarea este n regim staionar, iar punctul static de funcionare se gsete

la intersecia caracteristicilor mecanice ale motorului (M) i mainii de lucru (MS).

Raportarea mrimilor la arborele motorului

n situaia n care ntre motor i maina de lucru se interpune un mecanism de

transmisie caracterizat de raportul de transmisie i i randamentul , figura 12, ntre energiile

mecanice totale la arborele motorului i la arborele mainii de lucru exist relaia:

sm WW

1=

(8)

dac energia se transmite de la motor spre maina de lucru.

Figura 12. Mrimile mecanice MEA-PI

Expresia energiilor totale va fi:

=t

mm JdmW0

2

;2

(9)

unde Jm2/2, reprezint energia cinetic a elementelor mobile ale motorului electric,

cuplajelor, frnelor etc. i care se scade din energia debitat de motor.

+=t

sssm JdmW0

2

;2

(10)

ntre viteze exist relaia:

s = /i (11)

Dac nlocuim n relaia (8) se obine:

++=t t

ss

mi

Jd

i

mJdm

0 0

2

2

2

2

1

2

(12)

Prin derivare n raport cu timpul i n ipoteza Jm = ct., Js = ct i prin mprire prin se obine

ecuaia general a micrii:

dt

d

i

JJ

i

mm sm

s

++=

2

(13)

Comparnd ecuaia (13) cu ecuaia (7) se pot pune n eviden:

cuplul static raportat la arborele motorului

ms red = ms/i;

momentul de inerie al mainii de lucru raportat la arborele motorului

Js red = Js/i2;

momentul de inerie total la arborele MEA

J = Jm + Js red.

Este evident c, raportarea vitezei unghiulare i a acceleraiei se face prin

nmulire cu raportul de transmisie:

s red = i s ;

sr = i s ;

Alegerea puterii motoarelor electrice

n cazul unei aplicaii concrete, pentru alegerea puterii motorului electric de acionare,

se pornete de la diagrama cuplului static, reprezentat de variaia acestuia ntr-un ciclu de

funcionare i de la diagrama de variaie n timp a vitezei mainii de lucru.

Diagrama vitezei i acceleraiei mainii de lucru (figura 13) este, de cele mai multe ori,

trapezoidal i este caracterizat de un timp de accelerare ta , un timp de funcionare n

regim staionar ts, un timp de decelerare td i un timp de pauz to.

Diagrama cuplului static poate avea forme relativ complicate dar, de cele mai multe

ori, se echivaleaz cu o variaie n trepte, figura 13.

Figura 13. Caracteristica de vitez i acceleraie

Unde:

tl timpul de lucru (timpul n care motorul este cuplat la sursa de alimentare i absoarbe

curent din reea);

tc timpul reprezentnd durata unui ciclu

tc = tl + to (to timpul de staionare, motor nealimentat)

Pentru calculul puterii necesare se determin cuplul static mediu care apare pe durata unui

ciclu de funcionare astfel:

=ct

ssmed dtmM0

c

n

k

ksk

smedt

tM

M

== 1

o

cu condiia ca cuplul static s fie constant pe intervale.

Puterea static medie va fi:

Ps med = Ms med b

Unde b este viteza unghiular la arborele mainii de lucru, cnd motorul funcioneaz pe

caracteristica natural i se numete viteza de baz.

Puterea nominal a motorului electric va trebui s satisfac relaia:

smedNsmed PPP oo 3,11,1 Majorrile care se aplic de 10% pn la 30% in seama de cuplurile dinamice (care apar n

timp ce elementele mainii electrice i ale procesului acionat se afl n micare).

4. Verificarea termic a MEA

O metod general de verificare termic impune obinerea diagramei de sarcin,

reprezentnd variaia n timp a cuplului dezvoltat de motor. Acesta se obine prin rezolvarea,

pe fiecare interval de timp, a ecuaiei generale a micrii:

Mk = Ms r k +J r k ,

n care Ms r k i r k sunt cuplul static i, respectiv, acceleraia corespunztoare intervalului

de timp k, raportate, (reduse) la arborele motorului, iar J este momentul de inerie total,

raportat (redus) la arborele motorului.

Cuplul dinamic:

Md = J

Dac raportul dintre cuplul electromagnetic dezvoltat de motor i curentul absorbit,

este aproximativ constant pe ntreaga durat a ciclului de funcionare, verificarea termic se

poate face prin metoda cuplului, echivalent, care se calculeaz cu relaia:

=ct

c

e dtmt

M0

21

c

n

k

kk

et

tM

M

=

= 1

2

dac cuplul este constant pe intervale.

Motorul electric se consider verificat din punct de vedere termic dac:

Mc < MN,

Unde

MN = PN/N,

Este cuplul nominal al motorului.

Se impun urmtoarele precizri:

n funcie de specificul acionrii (serviciul nominal tip al ME, serviciul n care este

utilizat, condiiile de mediu etc.), problematica verificrii termice poate fi mai complex;

este necesar i verificarea la suprasarcin mecanic:

Mmax Mad

Pentru motoarele asincrone i, respectiv,

Imax Iad

Pentru motoarele de curent continuu, Mmax, Imax sunt cuplul maxim i, respectiv

curentul maxim, rezultate din diagrama de sarcin, iar valorile admisibile Mad, Iad sunt date

care se pot obine din catalogul motorului electric.

EXEMPLE REZOLVATE

E1. La un strung se execut prelucrarea unei piese de font. La arborele principal al strungului,

care se rotete cu 20 rot/min, rezult cuplul produs de mecanism MR4 = 4120 Nm.

ntre arborele principal i maina electric de acionare, care are turaia de 960 rot/min,

sunt intercalate patru angrenaje de roi dinate, fiecare angrenaj avnd randamentul 0,95.

Se dau urmtoarele valori:

J = 0,6 kgm2; n = 960 rot/min; J1 = 0,25 kgm2 - n1 = 360 rot/min;

J2 = 0,625 kgm2 - n2 = 180 rot/min; J3 = 0,625 kgm2 - n3 = 60 rot/min;

J4 = 100 kgm2 - n4 = 20 rot/min;

S se calculeze:

a - momentul de inerie echivalent raportat la arborele mainii electrice;

b - cuplul i puterea necesare pentru acionare;

c - durata opririi n ipoteza c s-ar ntrerupe alimentarea mainii electrice n timpul strunjirii.

Rezolvare:

a - Momentul de inerie echivalent se calculeaz cu expresia (1.46), innd cont c n

n

1 1=

etc.

J J Jn

nJ

n

nJ

n

nJ

n

n

kgm

e = +

+

+

+

=

= +

+

+

+

=

11

2

22

2

33

2

44

2

2 2 2 220 6 0 25

360

9600 625

180

9600 625

60

960100

20

9600 703, , , , ,

b - Cuplul raportat la arborele mainii electrice se calculeaz din relaia (1.36):

M Mi

NmR R= =

=

=44

1 4120960

200 95

4120

48 0 8145105 4

, ,,

Puterea necesar pentru acionare va fi:

P M WR R= =

=2 960

60105 4 10596

,

c - Maina electric nefiind alimentat, se consider n ecuaia (1.18) cuplul M = 0. Rezult:

t Jd

MJ

Mse

R

e

R

RR

= = = =

0 703100 53

105 40 67

0

,,

,,

E2. Un mecanism execut ridicarea unei piese de mas m = 5000 kg cu viteza v = 15 m/min.

Turaia mainii electrice de acionare este n = 960 rot/min i randamentul total al transmisiei

este = 0,8.

S se calculeze:

a - momentul de inerie echivalent Je al piesei de mas m;

b - cuplul rezistent raportat la arborele mainii electrice;

c - puterea necesar pentru ridicare;

d - cuplul motor mediu Mp necesar pentru pornirea n timpul tp = 1,4 s, tiind c momentul de

inerie echivalent al pieselor n micare de rotaie este Je = 0,85 kgm2.

Rezolvare:

Cu ajutorul relaiilor (1.49) i (1.38) se obine:

a - J kgme

' ,=

=5000

15

60

30

9600 0309

22

,

respectiv

b - M NmR =

=

9 81 5000 15 30

0 8 960 60152 5

,

,,

c - Puterea mecanic pentru ridicare va fi:

P M WR R= =

= 152 5960

3015331,

d - Pe baza ecuaiei (1.18), tiind c cuplul de pornire Mp se consider constant i egal cu

valoarea medie, se obine timpul de pornire:

tJ

M Md

J

M Mp p R

R

p R

R

=

=

0

de unde:

( )M

J

tM

J J

tMp

R

p

R

e e R

p

R= + =+

+

' ' '

nlocuind valorile numerice rezult:

( )M Nmp =

+

+ =

0 85 0 0309 960

1 4 30152 5 215 7

, ,

,, ,

E3. O acionare cu mecanism biel-manivel are urmtoarele date:

r = 0,25 m, l = 1,25 m, a = 0,55 m, b = 0,70 m, J1 = 1 kgm2,

m2 = 23,5 kg, 1 = 18,9 rad/s, J kgm23 23 10= , m3 = 49 kg.

S se calculeze i s se reprezinte grafic variaia momentului de inerie total echivalent Je i a

componentelor sale, raportate la arborele manivelei.

Rezolvare:

Calculele se efectueaz cu ajutorul relaiilor (2.58), (2.62), (2.63), (2.64), (2.65), (2.66). Pe

baza ecuaiilor obinute s-au reprezentat curbele din figura 1, notate cu 1,2,3 i 4 n ordinea

termenilor din partea dreapt a egalitii (2.58). Cu cifra 5 s-a notat curba momentului de

inerie total echivalent, Je = f().

Figura 14. Curbele de variaie ale momentului de inerie i componentelor sale

n cazul mecanismului biel-manivel

Alegerea motorului de acionare

n cazul motorului de curent continuu, la alegerea acestuia pentru acionare se pornete

de la procesul industrial acionat. Acesta poate impune un motor cu caracteristic rigid sau

elastic. Se poate recurge la motor cu excitaie derivaie sau cu excitaie serie. n cele mai

multe cazuri de aplicaii industriale ntlnim motorul de curent continuu cu excitaie derivaie

(paralel). Excitaia (statorul) mainii poate fi o inductan (o bobin) sau un magnet

permanent. n cazul acionrilor de puteri mici, unde i gabaritul este o problem, se folosesc

tot mai mult motoarele cu excitaie derivaie magnet permanent. Realizrile tehnologice n

domeniul magneilor ca densitate de putere raportat la gabarit, au dus la folosirea pe scar

larg a acestor tipuri de motoare n cazul roboilor, tehnica medical, mainilor unelte, a mini

roboilor pentru concursuri etc.

n continuare vor fi prezentate elementele care se vor avea n vedere la proiectarea

unei acionri cu un astfel de motor.

Cuplul, viteza, puterea i energia

Cuplul mecanic luat n considerare este cuplul de torsiune dat de fora pe care motorul

o poate dezvolta la anumite valori ale razei de aciune fa de axul de rotaie al acestuia. De

exemplu, un cuplu de 1Nm este dat de o for de 1N care acioneaz la o raz de 1m fa de

axul de rotaie a motorului, figura 56. Greutatea este G = m g, cuplul de torsiune va fi

T=Gr. Cu ct raza la care motorul trebuie s dezvolte cuplul, este mai mare cu att cuplul

dezvoltat va fi mai mic. Cu ct motorul va aciona la raz mai mic, cuplul va fi mai mare.

Relaia cuplu T turaie ( = 2n/60) se deduce din puterea P = T. La o putere dat a

motorului, de exemplu 12W putem avea turaie mare i cuplu mic sau turaie mic i cuplu

mare. De obicei motoarele au turaii mari (peste 2000 rot/min), n procese fiind nevoie de

turaii de aproximativ de 10 ori mai mici, 200 rot/min. Aceast situaie ne este favorabil,

reducem turaia i cretem cuplul n limitele aceleai puteri P. Prin urmare puterea este cel

mai important parametru de care se ine seama la alegerea unei acionri.

Figura 15. Cuplul mecanic de rotaie

Dac motorul are putere mai mare dect cea necesar n proces (o parte din putere se

pierde prin transferul energiei de la motor la proces prin nclzire, vibraii, zgomote, frecri cu

aerul i n lagre etc.) atunci acesta va putea asigura acionarea la cuplurile i turaiile

necesare.

Aa cum se tie de la fizic fora de 1N este egal cu masa de 1Kg nmulit cu

acceleraia, m/s2.

1 1 2 Puterea de 1W va fi egal cu energia de 1 Joule consumat timp de o secund.

1 1 Dac considerm motorul electric cu excitaie derivaie alimentat la tensiune V, prin

indusul (rotorul) acestuia va trece un curent I, R rezistena echivalent a rotorului, e

tensiunea contra-electromotoare, puterea electric consumat de motor va fi:

Figura 16. Transmiterea puterii din electric-mecanic

De la fizic se tie c:

1 1 1 1 1 1, Motorul este un convertor electromecanic, la axul acestuia vom gsi mrime mecanic,

puterea mecanic, Pm, obinut din cea electric. . 2! 1 2!1 11 1 11

Pm=Pe.

Datorit faptului c puterea este energia raportat la timp, nseamn c 1 Joule de

energie poate fi exprimat n dou moduri: ca i Newton metru sau ca i CoulombVolt.

Rotorul fiind supus tensiunii V i avnd rezistena R, va fi parcurs de un curent I care,

datorit comutaiei la periile colectoare ale rotorului va fi variabil, di/dt, rotorul fiind o bobin

i avnd o inductan L. Tensiunea pe rotor va fi v=Ldi/dt.

Cu ct turaia rotorului crete, acest lucru se ntmpl cnd motorul este pus sub

tensiune, crete numrul de treceri ale periilor colectoare pe colectorul motorului, crete

frecvena comutaiei i astfel crete tensiunea contra-electromotoare. Aceast tensiune are

sens opus tensiunii de alimentare V iar creterea ei datorit creterii turaiei va duce la

limitarea curentului prin rotor care are rezistena R. Scderea curentului I prin rotor va duce la

scderea fluxului i, implicit la scderea cuplului mecanic dezvoltat de motor. Se ajunge,

astfel la relaia turaie-cuplu, creterea turaiei este nsoit de scderea cuplului. Tensiunea de

alimentare V se va regsi n cderea de tensiune pe rotor i tensiunea contra-electromotoare e. " # Cnd turaia este zero-motorul nu se rotete e=0V iar curentul prin rotor va fi egal cu

V/R. Acesta este curentul de care are nevoie motorul s porneasc din poziia de repaus, cnd

turaia este zero sau motor blocat IS.

$ " Pe msur ce turaia motorului crete, tensiunea contra-electromotoare crete

proporional cu turaia, % Ke se numete constanta tensiunii contra-electromotoare.

Putem scrie relaia ntre tensiunea de alimentare V i turaia rotorului mainii de curent

continuu cu excitaie derivaie magnet permanent: " # % Creterea cuplului rezistent la axul motorului va duce la creterea proporional a

curentului cu constanta de proporionalitate Kt. & nlocuim curentul I cu I=Kt/I n relaia precedent obinem:

"& # % Putem considera constantele Kt i Ke avnd aceeai valoare.

Putem scrie ecuaia puterilor: ' % ( )" Unde se poate vedea c puterea mecanic dezvoltat de motor, Pm este egal cu puterea

electric, Pe din care se scade pierderea prin efect Joule n rezistena electric a nfurrii din

rotor.

Sau, ( )R nlocuind cuplul T i tensiunea V cu expresiile anterioare obinem: & +" # % , ( )R

Considernd, & %

Obinem relaia ntre tensiunea electric de alimentare V, cuplul mecanic T i viteza

unghiular :

" # Vom exprima viteza unghiular n funcie de cuplu i vom obine:

(") # Din aceast relaie se poate vedea caracteristica mecanic =f(T), viteza de rotaie

funcie de cuplul mecanic la arborele motorului, ca fiind o relaie liniar (o dreapt) cu panta

negativ (-R/K2).

n figura 58 sunt prezentate mai multe caracteristici pe acelai grafic. Pe axa vertical

avem randamentul , puterea P, curentul I i turaia N. Caracteristica mecanic de baz, relaia

turaie-cuplu, N = f(T), este aa cum s-a obinut matematic, o caracteristic liniar cu panta

negativ. La cuplu zero vom avea turaia maxim N0 iar la cuplul maxim TS vom avea turaie

zero, motor blocat mecanic, moment n care curentul absorbit de motor va avea valoarea

maxim IS. La mersul n gol, turaia va fi maxim N0 iar curentul absorbit va fi minim i egal

cu I0. Pentru o valoare oarecare T1 a cuplului mecanic vom avea valoarea corespunztoare a

turaiei N1. Pentru acest cuplu rezistent, pe dreapta curentului gsim valoarea I1, pe curba

puterii gsim punctul P1, iar pe curba randamentului, punctul 1. Din grafic se pot vedea

situaiile n care avem randamentul maxim i puterea maxim.

Figura 17. Caracteristicile turaie-cuplu-putere pentru motorul de c.c.

Caracteristica turaie-cuplu este liniar cu panta negativ iar caracteristica curent-

cuplu va fi o dreapt cu panta pozitiv, cu ct crete cuplul rezistent la axul motorului va

crete curentul absorbit de acesta.

n continuare vom explica relaiile ntre mrimile mecanice i electrice care apar pe

graficul din figura 58. Deoarece puterea este: ' Dac nlocuim cu valoarea dat de expresia

(") # Vom obine:

' (- "). ) # VKT Care este o parabol cu ramurile n jos, cu un maxim la valoarea Pmax.

inem seama c viteza unghiular n funcie de frecvena de rotaie f este 2!2 2 60

Frecvena se msoar n Hz i arat numrul de cicli pe secund, cte rotaii complete execut

rotorul motorului ntr-o secund.

2!60 " Valoarea turaiei N apare n expresia vitezei unghiulare .

Figura 18. Puterea mecanic maxim

Pentru a nelege mai bine puterea mecanic, n figura 59 este prezentat relaia

turaie-cuplu prin aria unor dreptunghiuri, cu laturile turaia i cuplul, vrfurile de pe dreapta

turaie-cuplu sunt: A, B, C, D. Suprafaa cea mai mare o va avea dreptunghiul format de

turaia la putere maxim NPmax i cuplul mecanic la putere maxim TS/2.

Din relaia

(") # La mersul n gol cnd cuplul rezistent este egal cu zero vom obine:

'56

Curentul I va avea valoarea I0, o valoare mic determinat de frecrile n lagre, frecrile cu

aerul, ventilaia intern etc.

Valoarea maxim a cuplului mecanic va fi atunci cnd acesta are valoarea TS, cnd

turaia tinde spre zero iar curentul crete la valoarea IS astfel c

$ " Deoarece la cuplul maxim turaia fiind zero, curentul are valoarea V/R.

Valoarea maxim a puterii mecanice se poate determina pornind de la expresia de

gradul 2 prin derivare i egalnd derivata cu zero, astfel: ' 0 (2") # Din care dac scoatem cuplul mecanic T obinem:

2" Care ne arat c la putere mecanic maxim valoarea cuplului mecanic va fi:

12'56 Expresia vitezei unghiulare poate fi scris i astfel:

( ")2" # 2 Sau

12 '56 Iar puterea maxim va fi:

' 14 '56'56 Din punct de vedere al randamentului acesta nu va avea valoarea maxim la putere

mecanic maxim ci la o valoarea mai mic a cuplului i turaiei.

Randamentul maxim se obine cu relaia:

8'56 91 ( :;$ IA,

Prin urmare relaia caracteristicii naturale turaie funcie de cuplu va fi:

KKK

MR

K

Un

ME

A

E

A

2

=

Relaia final a caracteristicii naturale turaie funcie de cuplul mecanic va fi, figura 32:

= Knn 0

Figura 38. Caracteristica natural a mainii de curent continuu cu excitaie derivaie

Caracteristica natural a mainii de curent continuu cu excitaie derivaie este liniar cu panta

negativ egal cu (K). Aceasta nseamn c avem o caracteristic cu panta negativ ceea ce

nseamn c odat cu creterea cuplului rezistent, la arborele mainii turaia va scdea cu o

valoare dependent de panta caracteristicii, de rigiditatea caracteristicii.

Figura 39. Schema conexiunii serie a motorului de cc cu excitaie serie

Figura 40. Caracteristica turaie cuplu

n cazul mainii de curent continuu cu excitaie serie caracteristica mecanic este

elastic, ceea ce nseamn c odat cu creterea cuplului rezistent la arborele motorului turaia

scade cu valori din ce n ce mai mari funcie de elasticitate.

Figura 41. Comanda start-stop i schimbarea sensului

Figura 42. Comanda START-STOP, circuitul de for i de comand

Figura 43. Comanda START-STOP, comanda rotaiei ntr-un sens

Figura 44. Comanda START-STOP, comanda rotaiei n sens opus

Figura 1 1

Figura 45. Circuitul de for-punte simpl, pentru MCC

Figura 46. Circuitul de for i de comand, rotaia ntr-un sens

Figura 47. Circuitul de for i de comand, rotaia n sens opus

Figura 48. Circuitul de for i comand, varianta 2

Figura 49. Circuitul de for i comand, varianta 2 sensul de rotaie 1

Figura 50. Circuitul de for i comand, varianta 2 sensul de rotaie 2

Figura 51. Puntea H

A 0 -> 1 + B 0-> 2

A 0 -> 1 + B 0-> 1 STOP

A 0 -> 2 + B 0-> 1

A 0 -> 2 + B 0-> 2 STOP

All OFF = STOP

1+4 ON =

2+3 ON =

1+3 ON = STOP

2+4 ON = STOP

1+2 ON

3+4 ON

Figura 52. Puntea H, circuitul de for i de comand

Figura 53. Puntea H, circuitul de for i de comand, rotaia ntr-un sens

Figura 54. Puntea H, circuitul de for i de comand, rotaia n sens opus

Figura 55. Motorul de curent continuu alimentat de la dou surse

Figura 56. Circuitul de for reprezentat n FluidSim

Figura 57. Circuitul de for reprezentat n FluidSim, rotaia n sens opus

Figura 58. Motorul de curent continuu alimentat de la dou surse

Figura 59. Circuitul de for i de comand MCC alimentat de la dou surse

Figura 60. MCC alimentat de la dou surse, rotaia ntr-un sens

Figura 61. MCC alimentat de la dou surse, rotaia n sens opus

Comutaia se poate realiza cu elemente electrodinamice de tipul contactoarelor,

releelor sau al tranzistorilor de comutaie, de putere corespunztoare, figura 56. Sarcina poate

fi bobina unui releu sau chiar rotorul motorului de curent continuu. Poziia sarcinii fa de

elementul activ depinde de tipul tranzistorului PNP sau NPN.

Figura 62. Comutaia dinamic, comutaia static

1.1.4. Acionri cu motorul pas cu pas

Problematica acionrilor electrice cu motor pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt motoare sincrone speciale, adaptate funcionrii discrete.

nfurrile fazelor sunt alimentate cu impulsuri de curent. Se produce un cmp magnetic

nvrtitor a crui ax ocup numai anumite poziii, ceea ce determin rotorul s ocupe anumite

poziii discrete. Pasul motorului reprezint trecerea de la o poziie la alta i se face sub

influena schimbrii repartiiei discrete a cmpului magnetic. Motorul pas cu pas poate fi

privit ca un convertor discret impuls/deplasare.

Din punct de vedere al construciei circuitului magnetic motoarele pas cu pas se

clasific n:

motoare pas cu pas cu magnet permanent n rotor (rotor cilindric/rotor disc)

motoare pas cu pas cu reluctan variabil (rotor cilindric din tole, dinat)

motoare pas cu pas hibride (cu magnet permanent i reluctan variabil)

Motorul cu magnet permanent are uzual patru faze - opt poli apareni n stator i unul

sau mai muli magnei n rotor. Pentru simplificare prezentm grafic cazul motorului cu patru

faze: A, B, C i D, constituind patru poli decalai cu 900 i un magnet n rotor.

La motorul unipolar curentul prin bobinele motorului este asigurat doar ntr-un singur

sens. n figura 2.1 este reprezentat grafic modul de comand al motorului n secven simpl.

La un moment dat este activat doar o bobin care creeaz un cmp magnetic echivalent unui

magnet ce are polul nord spre rotor. Polul nord creat de bobin atrage polul sud al magnetului

din rotor (vrful acului). La primul pas este activat bobina A, polul sud al magnetului fiind

orientat spre bobina A. Dac dorim ca motorul s se roteasc n sens orar la urmtorul pas se

activeaz bobina B i se dezactiveaz bobina A, motorul se rotete n sens orar cu un unghi de

900. Dac dorim s se roteasc n sens antiorar la urmtorul pas se activeaz bobina D i se

dezactiveaz bobina A. Secvena pentru sens orar va fi: A-B-C-D iar pentru sens antiorar

secvena va fi A-D-C-B, dup cum se poate vedea i n figura 2-1.

Modul de comand simpl pentru motorul pas cu pas unipolar

Figura 63. Pirea normal, secven simpl

Figura 64. Distribuia impulsurilor pe bobinele MPP

Figura 0-65. Curenii prin bobine pentru secvena simpl de comand a motorului

unipolar

n cazul secvenei duble de comand a motorului unipolar sunt activate dou faze

simultan, de exemplu faza A i B pentru pasul 1. Polul sud al magnetului va fi poziionat de

data aceasta ntre cei doi poli. La urmtorul pas se activeaz faza C i se dezactiveaz faza A,

rotirea este de 900 n sens orar. n figura 2-3 se prezent figurativ comanda dubl pentru

rotirea n sens orar, secvena fiind: AB-BC-CD-DA.

Modul de comand dubl pentru motorul pas cu pas unipolar

D

C

B

A

1 32 14 32 14 4 23 341 12

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

Figura 66. Rotirea MPP unipolar n cazul secvenei duble

n cazul comenzii duble cuplul dezvoltat este mai mare dect n cazul comenzii simple,

dar consumul este dublu. n cazul comenzii n secven mixt, pasul va fi de 450, o rotaie

complet se efectueaz n opt semipai. Pentru rotirea n sens orar secvena mixt va fi: A-

AB-B-BC-C-CD-D-DA, iar n sens antiorar secvena va fi A-AD-D-DC-C-CB-B-BA. Cuplul

dezvoltat nu este constant pentru acest tip de comand.

Pentru motorul bipolar se asigur curent n ambele sensuri prin bobinele motorului. n

felul acesta se poate crea att polul nord ct i polul sud la captul dinspre rotor al bobinei.

Bobinele sunt grupate dou cte dou, fiind legate fie n serie fie n paralel. Vom avea patru

borne disponibile. Pentru figura 2-4 s-a fcut urmtoarea convenie: bobinajul care creeaz

polul nord este de culoare roie, iar bobinajul care creeaz polul sud este de culoare albastr.

Deplasarea unghiular a rotorului este la fel ca n cazul motorului unipolar, dar cuplul

dezvoltat este mai mare.

Modul de comand simpl pentru motorul pas cu pas bipolar

Figura 67. Rotirea MPP unipolar n cazul comenzii simple

Figura 68. MPP bipolar, curenii prin bobine la secvena simpl

n cadrul secvenei duble de comand a motorului bipolar n fiecare moment sunt

active toate bobinele, avem cuplul maxim dezvoltat la arborele motorului i maximum de

consum.

n cazul comenzii n micropai curentul prin bobinele motorului are i alte valori dect

valorile nominale (cazul comenzii simple sau duble). Compunerea forelor cu care acioneaz

cmpul magnetic produs de trecerea curentului prin bobinele motorului asupra rotorului

determin rotorul s ocupe i poziii intermediare. Pentru motorul bipolar cu magnei

permaneni, prezentat prin simplificare n figurile anterioare, exemplificm n cele ce urmeaz

compunerea forelor pentru diferite moduri de comand a motorului.

Figura 69. MPP bipolar, secvena simpl, compunerea forelor la fiecare pas

A-C

B-D

21 43 321 14 34 412 23 1

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

A-C

B-D

1 2 3 4 1 2 3 4 1 4 3 2 1 4 3 2 1

Rotire dreapta ( CW ) Rotire stnga ( CCW )

1

2

3

4

Figura 70. MPP bipolar, secvena dubl, compunerea forelor la fiecare pas

Figura 71. MPP bipolar, secvena mixt, compunerea forelor la fiecare pas

Figura 72. MPP unipolar, comanda liniar prin pai, compunerea forelor

B-D

A-C

321 214 43 1 234 41 123

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

2

14

3

A-C

21

B-D

43 765 818 67 345 12

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

1

3

2

6 5 4

8

7

21 543 76 218 5 4 37 6 18

B-D

A-C

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

1

3

2

4

5

7

6

8

Figura 73. MPP bipolar, comanda liniar prin pai, compunerea forelor

Pentru comanda cu pas ntreg, figurile 2-6 i 2-7, fora cea mai mare se obine la

comanda dubl. Pentru comanda cu jumtate-pas, figurile 2-8, 2-9 i 2-10, for constant se

obine la comanda sin-cos.

Figura 74. Cronogramele curenilor prin bobine, comand liniar prin pai

Figura 75. Cronogramele curenilor prin bobine, comand sin-cos prin pai

1 432 65 187 4 3 26 5 18 7

A-C

B-D

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

2

1

3

5

7

8

6 4

9 121110 1413 11615 12 11 1014 13 916 15

Rotire stnga ( CCW )Rotire dreapta ( CW )

21 43 765 3 28 5 48 7 6 1

B-D

A-C

Rotire dreapta ( CW ) Rotire stnga ( CCW )

109 1211 151413 10116 12 1115 14 131 91632 654 287 4 37 6 5 18

B-D

A-C

Figura 76. Comanda prin micropai, compunerea forelor

i la comanda 1/4 pas forele sunt constante dac prin bobinele motorului curenii au form sinusoidal. Micornd i mai mult micropasul aproximarea sinusului devine tot mai

bun, salturile sunt din ce n ce mai mici, motorul se rotete din ce n ce mai lin, asemntor

motorului de curent continuu. Cu ct paii sunt mai mici, cu att fenomenul de oscilaie

mecanic se diminueaz. Alimentnd puntea H la tensiune mare i controlnd curentul prin

bobinele motorului se pot obine viteze de rotaie, fr pierderi de pai, mult mai mari dect la

alimentarea cu tensiune nominal.

Motorul cu reluctan variabil are rotorul cu crestturi, cu un anumit numr de dini,

pe stator fiind plasate bobinele care creeaz un numr de poli magnetici. n figura 2-14 este

prezentat seciunea printr-un motor cu patru faze, opt poli i ase dini rotorici. Circuitul

magnetic tinde s se nchid pe drumul cu reluctan minim. Forele care apar tind s reduc

reluctana la minim, componenta tangenial determinnd rotirea motorului. Distana

unghiular dintre doi poli este: 3600/8=450, iar distana dintre doi dini rotorici este de:

3600/6=600. Rezult unghiul efectuat la deplasarea cu un pas: p=600-450=150. De remarcat

c rotorul se nvrte n sens invers cmpului magnetic nvrtitor.

2

1

5

4

3

7

6

10

9

8

13

12

11

15

14

5

16

12

6

4

3

8

711

109

14

13

12

16

15

Comanda sin-cosComanda liniara

Figura 77. MPP cu reluctan

Figura 78. For

Motorul hibrid (cu magnet permanent

aplicaiile industriale, varianta cea mai r

decalai. n figura 2-16 se observ

alctuite din tole feromagnetice. n figura 2

rotoare, seciunea X-X' fiind cu linie continu

sunt legate dou cte dou n serie, n figura prezentat

. MPP cu reluctan variabil, pirea n sens antiorar

. Forele care apar la activarea bobinelor

Motorul hibrid (cu magnet permanent i reluctan variabil) este cel mai utilizat n

iile industriale, varianta cea mai rspndit este cu un stator i dou rotoare cu din

16 se observ magnetul permanent dispus axial i cele dou

tuite din tole feromagnetice. n figura 2-17 se observ decalajul dintre din

X' fiind cu linie continu, iar seciunea Y-Y' cu linie ntrerupt

n serie, n figura prezentat bobina fazei A este activ

) este cel mai utilizat n

rotoare cu dini

i cele dou rotoare

e dinii celor dou

Y' cu linie ntrerupt. Bobinele

bobina fazei A este activ. Circuitul

magnetic se nchide de la miezul bobinei c

magnetul permanent i rotorul din stnga, la miezul bobinei care creeaz

cu reluctan minim. Fiecare rotor are cinci din

de dini Zr=10. Numrul de faze fiind m=2, rezult

Figura 79. Motorul pas cu pas hibrid

Figura 80. Motorul pas cu pas hibrid

Pentru rotire n sens orar, secven

faza B, apoi faza A cu semn schimbat

magnetic se nchide de la miezul bobinei care creeaz polul nord, prin rotorul din dreapta, prin

i rotorul din stnga, la miezul bobinei care creeaz polul sud, pe traseul

. Fiecare rotor are cinci dini, ceea ce echivaleaz cu un rotor cu num

rul de faze fiind m=2, rezult unghiul de pas:

(2.1)

. Motorul pas cu pas hibrid-seciune longitudinal

. Motorul pas cu pas hibrid-seciune transversal

Pentru rotire n sens orar, secvena simpl de comand, la urmtorul pas se activeaz

faza B, apoi faza A cu semn schimbat i la pasul al patrulea se activeaz faza B cu semn

polul nord, prin rotorul din dreapta, prin

polul sud, pe traseul

cu un rotor cu numrul

torul pas se activeaz

faza B cu semn

schimbat conform diagramelor prezentate n figura 2-6. Pentru celelalte tipuri de comand se

respect diagramele din figurile 2-7......2-12.

Varianta constructiv cea mai rspndit pentru motorul hibrid este cu un singur stator

cu opt poli apareni i dou rotoare cu 50 dini fiecare, un rotor fiind polul nord al magnetului

permanent, iar cellalt rotor fiind polul sud. Fiecare pol are 5 dini iar dinii celor dou rotoare

sunt decalai. Se asigur n acest fel o rotaie cu 1,80 la fiecare pas. n figura 2.18 este

prezentat fotografia motorului pas cu pas hibrid folosit n lucrrile experimentale i simbolul

electric creat n programul de editare grafic a schemelor electrice. n partea de jos se prezint

fotografia unui motor similar, desfcut.

Motorul are opt bobine fizice, dou cte dou nseriate n interior. Rezult patru

bobine disponibile n exterior prin fiecare capt, total opt fire. n felul acesta poate fi legat n

trei moduri: unipolar, bipolar serie, bipolar paralel. Culorile sunt : A- maro, B- Rou, C-

Portocaliu, D- Galben; A', B', C', D' sunt de culoarea respectiv cu alb.

Figura 81. Exemplu de MPP-modelul RS 340-3733

Pentru comanda motorului avem nevoie de comutatoare care s asigure o anumit

secven pentru curenii care circul prin bobine. Diodele sunt necesare pentru a elimina

energia nmagazinat n cmpul magnetic creat de bobin, n situaia n care comutatorul se

ntrerupe (asigur cale de circulaie a curentului, deoarece curentul prin bobin nu trebuie

ntrerupt brusc). Pe parcursul acestei lucrri le vom numi "diode de drum liber". n figura 2-19

este prezentat varianta cea mai simpl pentru schema electric a circuitului de for pentru

comanda motorului pas cu pas unipolar. Se asigur curent doar ntr-un sens prin fiecare

bobin dac este nchis comutatorul asociat. Cnd comutatorul se deschide curentul bobinei

respective continu s circule prin dioda de "drum liber" pn se elimin energia

nmagazinat n cmpul magnetic al bobinei. Acest circuit se folosete n cazul alimentri cu

tensiune nominal. Varianta din figura 2-20 se folosete cu precdere la alimentare cu

tensiune mare i controlul curentului prin tehnica impulsurilor modulate n durat.

Figura 82. Comanda MPP n conexiune unipolar

Figura 83. Comanda MPP cu nfurri separate

A' C'

D1 D2 D3 D4

SW1 SW2 SW3 SW4Valimentare

1

23

4

5 6 7 8

Conexiune unipolar

C'

A'

com

D'

B'

B' D' com

D

C'

C

A

D2

SW2

Valimentare

1

23

4

5 6 7 8

motor unipolar "8 FIRE"

A'

B'

A

D'

A'

D1

SW1

B

D4

SW4

B'

D3

SW3

C

D6

SW6

C'

D5

SW5

D

D8

SW8

D'

D7

SW7

B

Figura 84. Comanda MPP n conexiune bipolar serie

Figura 85. Comanda MPP n conexiune bipolar paralel

Comanda motorului pas cu pas n conexiune bipolar paralel

n prezent cele mai folosite comutatoare sunt:

tranzistoarele bipolare n cazul motoarelor de mic putere, unde curenii sunt mici i

tensiunea de alimentare este mic

tranzistoarele MOS n cazul motoarelor de putere mare, unde cureni sunt mari i

tensiunea de alimentare este mic (pn n 100 V)

tranzistoarele IGBT n cazul motoarelor de putere mare, unde cureni sunt mari i

tensiunea de alimentare este mare (peste n 300 V)

Pentru motoarele de putere mic se gsesc circuite integrate care asigur comanda i

controlul motorului, singure sau prin interfaare cu un microprocesor / microcontroler.

Pentru motorul hibrid prezentat mai sus s-au folosit n circuitele experimentale

comutatoare de tip NMOS (tranzistor cu efect de cmp Metal Oxid Semicondutor cu canal

indus de tip N), produse de firma International Rectifier, codul IRF1010Z. Tranzistorul este

comandat cu o tensiune aplicat ntre gril (G) i surs (S).

Avem patru situaii posibile n funcionarea pe post de comutator:

D5

D6

D7

D8

SW5

SW6

SW7

SW8

1

23

4

5 6 7 8

Conexiune bipolar serie

B

C

A

D

A C B D

D1

D2

D3

D4

SW1

SW2

SW3

SW4

Valimentare

D5

D6

D7

D8

SW5

SW6

SW7

SW8

A BC D

D1

D2

D3

D4

SW1

SW2

SW3

SW4

Valimentare

1

23

4

5 6 7 8

Conexiune bipola