71

L4. Studiul organelor de acţionare electrice de curent alternativ

1. Obiectul lucrării constă în studiul construcţiei, funcţionării şi comenzii unor organe de acţionare electrice utilizate în automatizările industriale. 2. Locul şi rolul organelor de acţionare electrice în structura sistemelor automate Organale de acţionare OA, sunt părţi componente ale elementelor de execuţie EE, figura 1. Elementele de execuţie îndeplinesc un rol informaţional şi energetic în structura sistemelor automate SA.

Rolul informaţional presupune transmiterea semnalului de comandă xc de la ieşirea regulatorului la intrarea procesului sub forma mărimii de execuţie xm. Rolul energetic se referă la vehicularea unor fluxuri de energie şi de masă, preluate de la surse de energie exterioare WE, şi aplicate la intrarea procesului automatizat. Vehicularea fluxurilor de energie se realizează cu ajutorul organelor de execuţie OE, acţionate de către organe de acţionare OA corespunzătoare care pot fi privite, în marea majoritate a cazurilor, ca nişte elemente generatoare de forţă sau cuplu.

Fig.1. Element de execuţie

Adesea, între OA şi OE, se introduc lanţuri cinematice, limitatoare de cursă şi limitatoare de efort, prin intermediul cărora se asigură potrivirea caracteristicilor acestora şi asigurarea unei funcţionări sigure.

72

Organul de acţionare, numit şi servomotor, trebuie deci să asigure transformarea mărimii de comandă xc într-o mărime intermediară x'c capabilă să acţioneze asupra OE. Performanţele staţionare şi dinamice ale OA, împreună cu cele ale OE, influenţează performanţele buclelor de reglare din care fac parte. La alegerea tipului de OA se au în vedere: corelarea puterii dezvoltate de OA cu puterea cerută de OE, precizia şi siguranţa în funcţionare, viteza de răspuns, posibilităţi de reglare a vitezei de acţionare, posibilitatea reversării sensului de acţionare, sursele de energie disponibile etc. În cazul unor reglări nepretenţioase drept OA electrice se folosesc electromagneţii. Prin cuplarea acestora cu robinete de reglare rezultă aşa numitele electroventile de reglare, figura 2.a.

Fig.2. Elemente de execuţie bipoziţionale Asemenea OA se pot folosi numai în cazul comenzilor bipoziţionale, când, dacă se presupune o viteză de deplasare infinită a armăturii mobile şi o inerţie redusă a fluxurilor vehiculate, mărimea de execuţie variază în salturi, putând lua doar două valori: una maximă xmM şi alta minimă xmm.

În ceea ce priveşte valoarea medie a mărimii de execuţie, aceasta poate lua diverse valori, în funcţie de raportul ta/td (figura 2.b).

Ca urmare mărimea de ieşire a instalaţiei tehnologice comandate va varia în funcţie de acelaşi raport ta/td. Un asemenea mod de comandă a fluxurilor de energie şi de masă de la intrarea proceselor industriale uneori nu este posibilă şi nici necesară

73

datorită inerţiei acestor fluxuri comandate cât şi datorită inerţiei pieselor aflate în mişcare a căror punere în funcţiune ar necesita puteri foarte mari (deci în cazul gabaritelor mari).

Ca urmare, în locul OA cu viteză practic infinită (de tip electromagnet) sunt folosite OA (de tip servomotor electric, hidraulic sau pneumatic), cuplate cu OE prin intermediul unor reductoare de viteză care, pe lângă rolul de reducere a vitezei, îndeplinesc şi funcţia de asigurare a unor anumite caracteristici funcţionale (figura 3).

Fig.3. Element de execuţie cu servomotor

Asemenea OA au viteză constantă de execuţie şi sunt reversibile. Presupunând că

)t(cxSMK)t(1 =ω (1)

şi definind raportul de transmisie al reductorului de viteză Rv, prin

12 /i ωω= (2) rezultă dependenţa dintre deplasarea liniară H(t) a armăturii mobile a ventilului de reglare de cea a mărimii de comandă xc(t):

74

∫∫ ∫ === dt)t(xKKdt)t(xiKKdt)t(K)t(H cOAHcSMH2Hω (3) în care:

- HK este coeficientul de transformare a mişcării de rotaţie a armăturii mobile a ventilului cu viteza unghiulară 2ω în mişcare de translaţie (mecanism şurub – piuliţă) pentru cursa H(t); - SMOA iKK = este factorul de amplificare al OA alcătuit din servomotorul electric SM şi reductorul de viteză Rv. Pentru mărimea de execuţie )t(Q)t(xm = furnizată de robinetul de reglare RR (OE), rezultă dependenţa:

∫∫ === dt)t(xKKdt)t(xKKK)t(HK)t(x cOEOAcOAHRRRRm (4) în care

- RRK este factorul de amplificare al robinetului de reglare;

- RRHOE KKK = este factorul de amplificare al robinetului de reglare RR (OE).

Funcţia de transfer a elementului de execuţie EE are expresia:

sT

KsKK

)s(X)s(X)s(G

i

OEOEOA

c

mEE ===

(5) care evidenţiază comportarea pur integratoare a unor asemenea EE, conform reprezentării din figura 4, cu timpul de integrare:

SMOAi iK

1K

1T == (6)

Funcţia de transfer a elementului de execuţie depinde de factorul de

amplificare al OA şi de factorul de amplificare al OE.

75

Fig.4. Comportarea dinamică a EE cu servomotor electric Se observă că pentru .cstU)t(xc == viteza servomotorului electric este .cst1 =ω iar mărimea de execuţie )t(Q)t(xm = , furnizată de EE, creşte liniar. Când 0U)t(xc == , 0)t(1 =ω , iar .cst)t(Q)t(xm ==

În figura 5 este prezentată comanda tripoziţională a unui EE cu servomotor electric.

Fig.5. Comanda tripoziţională a EE cu servomotor electric

76

Diagrama de variaţie în timp a mărimii de execuţie )t(Q)t(xm = pentru comandă tripoziţională, arată că armătura mobilă a robinetului de reglare (OE) poate ocupa diverse poziţii, extreme sau intermediare, sau altfel spus OE se opreşte în poziţia în care a fost surprins în momentul dispariţiei semnalului de comandă U)t(xc = .

Această poziţie depinde de viteza de acţionare a OA, de durata de acţionare şi de valoarea raportului de transmisie.

Asemenea EE asigură o reglare precisă deoarece scade numărul de conectări şi de deconectări, iar în regimul staţionar OE ocupă o poziţie intermediară ( între valorile extreme xmM şi xmm) care asigură realizarea valorii staţionare dorite a parametrului reglat.

Efectele de execuţie mai bune se obţin dacă acţiunea OA este proporţională cu mărimea de comandă xc, deci şi cu abaterea ε .

Această acţionare proporţională se realizează prin utilizarea poziţionerelor conform schemei prezentate în figura 6.

Fig.6. Element de execuţie cu poziţioner

În figura 6, A este un amplificator (în cazul general, electronic, pneumatic sau hidraulic), iar Tp un traductor de poziţie.

Ca urmare bucla subordonată, formată din EC, A, OA şi Tp este de fapt un servomecanism, realizând proporţionalitatea între xc şi x'c.

Amplificatorul A, robinetul de reglare OE şi traductorul de poziţie Tp sunt elemente neinerţiale, cu funcţiile de transfer:

77

AA K)s(G = (7)

OEOE K)s(G = (8)

TpTp K)s(G = (9)

OA (servomotorul electric SM şi reductorul de viteză vR ) are funcţia de transfer

sT1)s(Gi

OA = (10)

în care iT este definit prin relaţia (6). Pentru funcţia de transfer a EE cu poziţioner se obţine expresia:

1sTK

KsT

1K1

KsT

1K)s(G

EE

EE

Ti

A

OEi

A

EE +=

+=

(11) unde:

.

KKTTsi

KKK

TA

iEE

T

OEEE ==

(12)

Răspunsul la variaţia în treaptă a mărimii de comandă corespunde în acest caz unei comportări dinamice de tipul 1P cu graficul din figura 7.

Fig.7. Comportarea dinamică a EE cu poziţioner

78

Se precizează faptul că servomotoarele electrice (SME), utilizate ca OA în sistemele automate, se deosebesc faţă de motoarele electrice convenţionale prin aceea că ele sunt proiectate şi realizate pentru a funcţiona într-un regim tranzitoriu intermitent sau continuu, dat fiind caracterul aleator al mărimilor perturbatoare care acţionează asupra proceselor automatizate. Principalele tipuri de SME utilizate în automatizările industriale sunt: SME de c.c. cu rotor cilindric, disc sau pahar şi excitaţie separată (cu magnet permanent, eventual cu excitaţie electromagnetică), SME de c.c. cu rotor cilindric cu excitaţie serie, servomotoare pas cu pas, servomotoare de cuplu, servomotoare liniare electrodinamice şi SME de c.a. de tip asincron bifazat. În cadrul acestei lucrări se vor studia servomotoare asincrone, bifazate şi trifazate, cuplate cu OE. 3. Servomotorul asincron bifazat (SMAB) ca organ de acţionare

3.1. Construcţia, principiul de funcţionare, scheme principale de comandă

În echipamentele de automatizare a proceselor industriale ca OA se foloseşte în special servomotorul asincron bifazat (SMAB).

În cazuri speciale, mai ales la puteri mari se foloseşte şi motorul asincron trifazat, cu viteză constantă sau comandat prin impulsuri. SMAB se compune dintr-un stator, cu mai multe perechi de poli, pe care se află câte o înfăşurare, alimentată în c.a. şi un rotor.

Rotorul poate fi unul obişnuit, în scurtcircuit (ca la motoarele asincrone clasice), sau un rotor sub formă de pahar de aluminiu. Perechile de poli statorici sunt decalate la 900 electrice, iar înfăşurările de pe poli sunt astfel legate încât rezultă două înfăşurări cu axele decalate la 900 electrice: o înfăşurare de comandă (1) şi alta de excitaţie (2) (figura 8). Funcţionarea se bazează, în ipoteza asigurării decalajelor sus menţionate şi evident, în ipoteza alimentării ambelor înfăşurări, pe apariţia unui câmp învârtitor care antrenează în mişcare de rotaţie şi rotorul.

Proprietatea de autofrânare, respectiv de lipsă a autopornirii, se asigură printr-o rezistenţă rotorică mărită astfel încât alunecarea critică să fie mai mare decât doi (în general cuprinsă între 2÷4).

79

Fig.8. Servomotorul asincron bifazat

Expresia caracteristicii mecanice are forma:

M)UU(K

2UU

sinUU22ex

2c

02ex

2c

0exc

+−

+=

ωϕωω

(13) unde:

K este o constantă constructivă; Uc şi Uex - tensiunile de comandă şi de excitaţie; ϕ - decalajul, în timp, între tensiunile Uc şi Uex, exprimat în grade; ω0 - viteza sincronă a câmpului învârtitor; M - cuplul rezistent; ω - viteza de rotire a rotorului.

În relaţia (13) primul termen reprezintă viteza de mers în gol, iar cel de-al doilea termen reprezintă căderea de viteză.

În ceea ce priveşte viteza de mers în gol:

,UUsinUU2

02ex

2c

excg ωϕω

+= (14)

acesta poate deveni egală cu viteza ω0 de sincronism a câmpului învârtitor numai dacă Uc = Uex şi ϕ = 900 .

Cuplul de pornire Mp, la ω = 0, rezultă:

80

ϕsinUKUM excp = (15)

deci este maxim, de asemenea, pentru Uc = Uex şi ϕ = 900.

În consecinţă, ţinând seama şi de precizarea făcută în aliniatul precedent, caracteristicile mecanice vor avea forma din figura 9.

Fig.9.Caracteristicile mecanice ale SMAB În general cele două înfăşurări sunt identice. În cazul SMAB se

defineşte coeficientul de semnal ca fiind raportul:

ex

cUU

=ε (16)

Deci, pentru ε = 1, SMAB se roteşte cu viteza maximă, iar pentru 0 < ε < 1 SMAB se roteşte cu o viteză dependentă de Uc sau ϕ (presupunând Uex = ct.). Pentru comanda SMAB se folosesc în prezent o mare varietate de scheme; schema de comandă concretă se adoptă în funcţie de tipul traductoarelor utilizate şi de puterea SM.

81

În figura 10 sunt prezentate două variante ale schemelor de comandă care utilizează amplificatoare finale de c.a. în contratimp clasice, iar în figura 11 varianta de bază a schemelor de comandă în contratimp de tip balans, utilizată şi în echipamentele de automatizare fabricate în ţară.

Fig.10.Scheme de comandă ale servomotorului asincron bifazat

Fig.11. Schema de comandă tip balans a servomotorului asincron bifazat

82

O schemă de comandă care asigură o funcţionare corespunzătoare figurii 5 şi, de asemenea, posibilitatea cuplării cu echipamente de conducere cu calculatoare, este prezentată în figura 12. Asemenea dispozitive sunt cunoscute în literatura de specialitate sub denumirea de electromecanisme.

Fig.12. Comanda prin intermediul optocuploarelor a SMAB

3.2. Chestiuni de studiat - Construcţia şi funcţionarea unor servomotoare de c.a. folosite ca organe de acţionare; - Studiul comenzii unor asemenea servomotoare; - Studiul caracteristicilor statice şi dinamice.

83

4. Modul de lucru în laborator 4.1 Descrierea instalaţiei din laborator

a) În vederea studiului SMAB din laborator se va utiliza instalaţia din figura 13.

Fig.13. Schema instalaţiei din laborator Instalaţia conţine SMAB de studiat, cuplat coaxial cu discul D, din aluminiu, prevăzut pe circumferinţă cu un număr de 100 de fante dreptunghiulare. Discul D se roteşte în întrefierul unui electromagnet (EM), realizat sub formă de balanţă. Electromagnetul EM împreună cu discul D, formează sistemul de încărcare a SM, iar în plus, discul D permite măsurarea numerică a vitezei unghiulare, fără încărcarea suplimentară a SM de studiat.

În acest scop sunt prevăzute: sursa de lumină SL, detectorul de lumină DL (de tip fototranzistor) în serie cu un rezistor R, un numărător de impulsuri TUROMAT şi sursele de alimentare corespunzătoare. La fiecare impuls de lumină (în urma rotirii discului D, în faţa capului de citire format din SL-DL), fototranzistorul devine conducător şi ca urmare la bornele rezistenţei R apare un tren de impulsuri de tensiune, cu

84

frecvenţa (perioada) dependentă de viteza unghiulară de rotire a discului D, deci a rotorului SM de studiat. În vederea determinării cuplului dezvoltat de SM discul D trebuie să se rotească în sensul săgeţii din figura 13. În acest caz, datorită rotirii discului D, în câmpul electromagnetului EM, sistemul de pârghii se dezechilibrează faţă de reperul iniţial (ω = 0). În vederea reechilibrării se pun greutăţi corespunzătoare în platan. Cuplul dezvoltat de SM va fi: M=GL1. b) Se studiază dependenţa ω=f(Uc), la Ms=constant, la mersul în gol şi câteva cupluri rezistente, punând în evidenţă tensiunea de pornire a SM studiat. c) Se studiază încadrarea şi comanda SMAB în schemele compensatoarelor automate fabricate la noi. d) Se studiază SMAB încadrat într-un electromecanism prevăzut şi cu un dispozitiv de comandă ca în figura 12. e) În vederea studiului OA cuplate cu lanţuri cinematice, limitatoare de cursă, limitatoare de efort şi traductoare de poziţie, se studiază organul de acţionare fabricat de firma REGULA din Cehia. 4.2. Modul de lucru Se utilizează instalaţia din figura 13. a) În vederea trasării caracteristicilor mecanice se procedează în felul următor: - se realizează montajul din figura 13; în vederea alimentării înfăşurărilor

de excitaţie şi de comandă se foloseşte sursa specială OLGA din laborator care asigură defazajul de 900 şi posibilitatea modificării acestor tensiuni din volt în volt;

- alimentarea sursei de lumină SL şi a detectorului de lumină DL se realizează de la o sursă dublă de tensiune continuă, I-4102 realizând tensiunile de alimentare specificate de conducătorul lucrării de laborator;

- pentru alimentarea dispozitivului de încărcare se va folosi o sursă I-4104;

- se determină tensiunea de pornire;

85

- se realizează valoarea nominală a tensiunii de excitaţie (Uex = 110V) şi apoi, pentru diverse valori ale coeficientului de semnal se completează tabelul 1 prin încărcarea progresivă a SMAB şi citirea vitezelor corespunzătoare: ω = f(M) pt. Uex = ct.

Tabelul 1

M = GLe 1 ε = 0,25

.

.

.

ε = 1 - pe baza datelor din tabel se trasează caracteristicile mecanice. b) Se încearcă funcţionarea SMAB studiat în regim de tahogenerator şi în regim de accelerometru. c) Regimul dinamic al SMAB se va studia cu ajutorul unui calculator PC, cu SMAB pregătit pentru aplicarea bruscă a unei tensiuni de comandă Uc, de la sursa specială OLGA din laborator. În scopul acestui studiu semnalul de pe rezistorul R se aplică pe intrarea plăcii de achiziţie de date LabPC+, aflată în calculator, respectiv intrarea analogică ACH1 (borna 2 - plusul) şi masa analogică AIGND (borna 9 - minusul). Se apelează programul de achiziţie şi prelucrare de date SMAB.vi, din mediul de dezvoltare LabVIEW. Pe ecranul calculatorului va apare panoul interfaţă-utilizator. Se studiază această interfaţă în vederea înţelegerii modului de utilizare. Apoi se porneşte achiziţia şi se aplică semnalul de comandă pe înfăşurarea de comandă a SMAB. După atingerea valorii staţionare a vitezei se deconectează înfăşurarea de comandă de la sursă, urmărind variaţia vitezei pe ecranul calculatorului. La oprirea servomotorului se opreşte achiziţia de date, iar datele se salvează într-un fişier.

86

Operaţiile de mai sus se repetă, cu deosebirea că, după atingerea valorii staţionare a vitezei se deconectează simultan atât înfăşurarea de comandă cât şi cea de excitaţie. d) Se studiază funcţionarea schemelor de comandă prezentate în figurile 10 şi 11. e) Pentru schema din figura 12 se trasează experimental diagrama din figura 5, cu ajutorul unui înregistrator X-Y. f) Se studiază construcţia OA de tip c.a. trifazat din laborator, ridicându-se pentru această instalaţie şi diagrama din figura 5. 5. Prelucrarea datelor obţinute

- se fac precizări asupra caracteristicilor mecanice obţinute, funcţionarea în regim de tahogenerator şi accelerometru al SMAB; - se deduce modelul matematic pe baza rezultatelor de la punctul c); - se comentează eficienţa fenomenului de autofrânare;

- se explică funcţionarea schemelor de comandă prezentate în figurile 10, 11 şi 12;

- se descrie instalaţia studiată la punctul f), se prezintă o schemă cinematică şi o schemă electrică; se comentează datele experimental obţinute. Bibliografie 1. Crăciunoiu V., Ilie C., Chiriac A., Elemente de execuţie, Ed.Tehnică

Bucureşti, 1970. 2. Fransua A., Maşini şi sisteme de acţionări electrice. Ed.Tehn. Bucuresti,

1978. 3. Olah I., Anghel M., Brevet nr. .85630. 4. Johnson W.G., LabWIEW Graphical Programming. Mc Graw - Hill, Inc.,

New York, 1994.