SISTEM DE AUTOMATIZARE A PORNIRII MAȘINII ASINCRONE Autor: Corina-Ioana MILOȘ Conducător științific: Valentin NĂVRĂPESCU BUCUREȘTI 2018 Introducere… [307507]

[anonimizat] A PORNIRII MAȘINII ASINCRONE

Autor: Corina-Ioana MILOȘ

Conducător științific: Valentin NĂVRĂPESCU

BUCUREȘTI

2018

Introducere

În domeniul actual de activitate al ingineriei un rol foarte important îl au automatizările. Aproape toate procesele de la transportul unui produs pe o [anonimizat].

[anonimizat]. Acestea sunt printre cele mai des întalnite și cele mai folosite datorită:

ușurinței cu care pot fi implementate;

ușurinței de reconfigurare a unui sistem deja existent pentru același scop dar cu mai multe utilități sau pentru alte scopuri;

costurilor relativ mici atât în ceea ce privește achiziționarea cât și în ceea ce privește reconfigurarea sistemului și folosirea lui în automatizări diferite.

Scopul lucrării mele este:

de a prezenta noțiunile de bază despre mașina asincronă;

de a [anonimizat];

de a realiza diverse moduri de implementare a pornirii secvențiale a [anonimizat] 6 Pro și de a identifica varianta optimă din punctul de vedere al schemei;

de a arăta un exemplu de calcul prin care se dimensionează reostatele de pornire;

de a expune modul de alegere al aparatelor de protecție și comutație pentru un astfel de sistem.

Capitolul 1 – Prezentarea mașinii asincrone

1.1. Construcția mașinilor asincrone

Mașina asincronă este folosită în acționările industriale în regim de motor datorită construcției sale simple și a fiabilității ridicate.

Prima variantă constructivă de mașină asincronă i-a [anonimizat] 1885, a realizat un motor asincron bifazat cu rotorul din cupru masin. Cel care a realizat primul motor asincron capabil să fie folosit în acționări industriale și care a avut o construcție similară cu a [anonimizat] 1890. [9]

Fig. 1.1. Secțiune mașină asincronă [27]

Mașina asincronă conține doua subansambluri cilindrice concentrice: statorul și rotorul. Statorul reprezintă partea fixă a mașinii și este alcătuit din miez feromagnetic și înfășurări plasate într-o carcasă cu rol de protecție. [anonimizat]. Periferia interioară e prevăzută cu crestături în care sunt așezate bobinele înfășurării statorice.

[anonimizat]. Axul se rotește în lagărele de alunecare sau de rulare fixate pe scuturi. Miezul feromagnetic rotoric este tot clindric și este realizat ca miezul statoric. În periferia exterioară a [anonimizat] o înfășurare trifazată (conductoare de cupru) sau polifazată (bare scurtcircuitate la capete).

Fig. 1.2 Miezul statorului și al rotorului [28]

Fig. 1.3 [anonimizat] [9]

ax;

scuturi cu lagăre;

înfășurarea statorică;

carcasa;

miezul statorului;

inel de ridicare;

miez feromagnetic;

înfășurare rotorică;

perii;

inele.

1.2. Date nominale

Datele nominale sunt înscrise pe plăcuța indicatoare care este standardizată ca dimensiuni și conținut.

Date nominale:

Puterea nominală: PN [W]

Turația sincronă: n1 [rot/min]

Numărul de perechi de poli: p

Tensiunea de alimentare: U1 [V] (tensiune de linie)

Frecvența tensiunii: f1 [Hz]

Numărul de faze: m

Tipul conexiunilor fazelor: Δ sau Y.

Date funcționale și constructive:

Factorul de putere: cos φN

Randamentul: ηN

Parametrii impuși pentru pornire: – Cuplul de pornire raportat: mp

Curentul de pornire raportat: ip

Cuplu maxim raportat: mM

Clasa de izolație: E, B sau F

Gradul de protecție. [31]

1.3. Simbolizarea și notarea bornelor

Fig. 1.4. Conexiunea stea [29]

Fig. 1.5. Conexiunea triunghi [29]

Fig. 1.6. Semne convenționale mașina asincronă [1]

a) motor trifazat cu rotorul bobinat, b) motor trifazat în colivie, c) motor monofazat,

d) motor monomonofazat cu fază auxiliară.

La motoarele asincrone, extremitătile înfășurărilor sunt notate printr-o literă care desemnează înfașurările, literă urmată de cifra 1, pentru începutul ei, și de cifra 2 pentru sfârsitul ei. Înfașurările inductoare (primare) ale motoarelor asincrone se cuplează la rețea, se notează cu litera U, V, W și N punctul neutru (în cazul conexiunii stea). Înfășurările induse (secundare) se notează cu K, L, M și Q pentru punctul neutru. De regulă, înfășurarea primară se află pe stator și înfășurarea secundară pe rotor.

Extremitățile înfășurărilor monofazate se notează cu prima pereche de litere de la înfășurările trifazate, adică cu literele U și K, iar infășurările bifazate cu primele perechi de litere U, V și K, L. Înfășurările auxiliare ale motoarelor monofazate se notează cu Z. [1]

1.4. Regimurile de funcționare ale mașinii asincrone

Mașina asincronă poate funcționa în trei regimuri: motor, generator sau frână.

Fig. 1.7. Caracteristica [9]

1.4.1. Regimul de motor

Regimul de motor corespunde situației în care alunecarea . Pentru avem regim de mers în gol ideal (fără pierderi de energie), iar pentru avem regim de scurtcircuit sau de pornire, în care rotorul este blocat.

Se alimentează înfășurarea statorică a motorului cu un sistem trifazat simetric de tensiuni. Astfel, prin stator circulă curenți trifazați simetrici care produc un câmp magnetic învârtitor.

, unde:

– viteza unghiulară de sincronism

– turația câmpului magnetic învârtitor

f – frecvența tensiunii de alimentare

p – număr de perechi de poli

Câmpul învârtitor statoric induce în înfășurarea rotorică a motorului un sistem trifazat simetric de tensiuni care creează un sistem trifazat simetric de curenți. Curenții din rotor, împreună cu câmpul magnetic învârtitor statoric dau naștere unui cuplu electromagnetic asincron care face ca rotorul să se miște, conform regulii lui Lenz. Curenții rotorici sunt induși datorită existenței diferenței de turație dintre rotor și stator. Rotorul se rotește în sensul câmpului învârtitor și tinde să prindă câmpul învârtitor din urmă, lucru care nu se poate întâmpla. [1]

Rotorul va rămâne în urma câmpului învârtitor până în momentul în care curenții induși în rotor vor crea un cuplu electromagnetic egal cu cuplul rezistent de la arbore.

,unde:

s – alunecarea motorului

– turația de sincronism

– turația rotorului

Rotorul parcurs de curenți rotorici va crea și el un câmp pagnetic de reacție, care va fi sincron cu câmpul învârtitor de excitație, creat de înfășurarea statorică.

,unde:

f2 – frecvența curenților rotorici

f1 – frecvența curenților statorici

Fig. 1.8. Bilanțul de puteri – regim de motor [9]

P1 – putere activă absorbită din rețeaua de alimentare

PJ1 – pierderi Joule în înfășurarea statorică

PJ2 – pierderi Joule în înfășurarea rotorică

PFe1 – pierderi în miezul feromagnetic al statorului

P- putere electromagnetică transferată prin întrefier

Pm – putere mecanică

Pf,v – pierderi mecanice de frecare și ventilație

P2 – putere utilă

1.4.2. Regimul de generator

Dacă mașina asincrona este în regim de generator, cuplul electromagnetic al mașinii se opune cuplului activ de antrenare al generatorului. Mașina absoarbe energie mecanică pe la arbore și furnizează energie electrică pe la bornele statorice spre rețea.

Funcționarea ca generator este posibilă în două situații:

Statorul este conectat la o rețea trifazată, situație în care mașina este excitată de la rețea, respectiv furnizează acesteia putere activă;

Generatorul funcționează independent, amorsarea având loc ca urmare a existenței unui magnetism remanent. În această situație trebuie sa conectăm în paralel la bornele statorului o sursa de energie reactivă, cum ar fi o baterie de condensatoare.

Presupunem ca mașina funcționează în regim de motor, cuplat la o rețea electrică de putere infinită. Antrenăm din exterior rotorul mașinii cu o mașină primară la o turație . În această situație, alunecarea s devine negativă. În consecință, cuplul electromagnetic al mașinii își schimbă sensul, devenind astfel cuplu rezistent.

Puterea reactivă necesară magnetizării circuitului mașinii se absoarbe de la rețeaua electrică la care e cuplată mașina, căpătând astfel un caracter inductiv, fapt care duce la scăderea factorului de putere al rețelei. [1]

Fig. 1.9. Bilanțul de puteri – regim de generator [9]

PJ1 – pierderi Joule în înfășurarea statorică

PJ2 – pierderi Joule în înfășurarea rotorică

PFe1 – pierderi în miezul feromagnetic al statorului

P- putere electromagnetică transferată prin întrefier

Pm – putere mecanică

Pf,v – pierderi mecanice de frecare și ventilație

P2 – putere utilă

1.4.3. Regimul de frână

Mașina asincronă poate ajunge în regim de frână pronind de la regimul de motor. În cazul acestui tip de regim, alunecarea devine supraunitară , deoarece rotorul se rotește în sens invers câmpului învârtitor, iar cuplul M este antagonist. Mașina absoarbe energie mecanică pe la arbore și energie electrică pe la borne, ambele energii transformându-se în căldură în circuitul rotoric al mașinii. Din punct de vedere practic, doar motorul cu rotor bobinat poate funcționa în regim de frână, deoarece în timpul frânării este necesară introducerea unui reostat de frânare care sa ajute la disiparea căldurii din rotor. [1]

Fig. 1.10. Bilanțul de puteri – regim de frână [9]

P1 – putere activă absorbită din rețeaua de alimentare

PJ1 – pierderi Joule în înfășurarea statorică

PJ2 – pierderi Joule în înfășurarea rotorică

PFe1 – pierderi în miezul feromagnetic al statorului

P- putere electromagnetică transferată prin întrefier

Pm – putere mecanică

Pf,v – pierderi mecanice de frecare și ventilație

1.5. Caracteristica mecanică a mașinii asincrone

Se observă faptul că mașina asincronă dezvoltă cuplu electromagnetic în trei cadrane, corespunzător celor trei regimuri de funcționare: motor (cadranul I), generator (cadranul II) și frână (cadranul IV).

Mașina poate funcționa și în cadranul III, în care caz este motor având sensul de rotație invers sensului inițial.

Mp – cuplu de pornire Fig. 1.11. Caracteristica [7]

Mm – cuplu maxim (critic)

nm – turația maximă (critică)

n1 – turația de sincronism [7]

1.6. Ecuațiile tensiunilor și curenților la funcționarea mașinii asincrone

Considerăm o mașină asincronă normală, de construcție simetrică, cu rotorul montat în scurtcircuit pe rezistența proprie sau pe o rezintență adițională simetrică. [5]

= + + j

– = + + j – Ω)

m- = J

m=)

= 0

Ecuațiile generale pentru regimul staționar:

1. Valorile instantanee ale mărimilor de fază

= cos(t)

=cos(t – )

= cos(t – )

=cos(t – – ) [5]

2. Fazori spațiali reprezentativi în sisteme locale

=

=

=

=

=

= [5]

3. Fazori spațiali reprezentativi în sistemul mobil sincron ; = ARK

=

=

=

=

=

= [5]

4. Componentele pentru fazorii spațiali reprezentativi din ecuațiile de la punctul 3

=

=0

=cos()

=sin()

= cos()

= sin()

= cos()

= sin()

= cos()

= sin()

= cos()

= cos() [5]

1.7. Avantajele și dezavantajele mașinii asincrone

Principalele avantaje ale motoarelor asincrone față de alte tipuri de motoare electrice sunt:

simplitate constructivă;

pret de cost redus;

siguranță mare în exploatare;

performanțe tehnice ridicate (cuplu mare de pornire, randament ridicat);

stabilitate în functionare, exploatare, manevrare și întretinere simplă;

alimentare directă de la reteaua trifazata de c.a.;

Dintre principalele dezavantaje putem enumera:

șoc mare de curent la pornire;

factor de putere relativ scazut;

caracteristică mecanică dură; [32]

1.8. Domenii de utilizare

Motoarele asincrone trifazate formează cea mai mare categorie de consumatori de energie electrică din sistemul energetic, fiind utilizate în toate domeniile de activitate: mașini-unelte (strunguri, raboteze, freze, polizoare, mașini de găurit, ferăstraie mecanice etc.), poduri rulante, macarale, pompe, ventilatoare, mori cu bile, betoniere, ascensoare etc.

Până de curând, motoarele asincrone erau utilizate ca motoare de antrenare în acționările cu turație constantă; prin dezvoltarea electronicii de putere, acționarile reglabile cu motoare asincrone au căpatat o extindere remarcabilă, datorită fiabilității lor net superioare, în comparție cu motoarele de curent continuu. [26]

Fig. 1.12. Domenii utilizare mașini asincrone [26]

Capitolul 2 – Pornirea mașinilor asincrone

2.1. Prezentare generală

Pornirea mașinilor asincrone depinde de tipul constructiv al acestora: cu rotor bobinat sau cu rotor în scurtcircuit. Astfel, se pot utiliza următoarele metode:

Pentru mașini asincrone cu rotor în scurtcircuit:

În cazul mașinilor de putere mică ( ≤ 5,5 kW) este posibilă pornirea prin conectarea directă la rețea, mai ales dacă pornirea se realizează în gol.

Alimentarea înfășurării statorice cu o tensiune redusă obținută de la: autotransformator, VTA (variator de tensiune alternativă) sau convertor de frecvență realizat cu elemente statice;

Alimentarea folosind conexiunea stea-triunghi, care constă în conectarea înfășurării statorului în conexiune stea, iar apoi, dupa scăderea valorii curentului de pornire, realizarea conexiunii triunghi. Aceasta reprezintă practic tot o alimentare cu tensiune redusa corespunzătoare conexiunii stea, urmând apoi saltul la tensiunea corespunzătoare conexiunii triunghi. Această metodă poate fi utilizată numai în cazul în care avem disponibile toate cele șase capete ale înfășurării statorului și pentru care tensiunea de linie a conexiunii triunghi este aceeași cu tensiunea rețelei de alimentare;

Pentru mașini asincrone cu rotorul bobinat:

Alimentarea cu tensiune redusă, la fel ca la mașina cu rotorul în scurtcircuit;

Alimentarea prin introducerea în circuitul rotorului a unui reostat de pornire. În momentul în care motorul se cuplează la rețea, acest reostat are valoarea maximă, iar pe măsură ce rotorul accelereaza, reducem valoarea reostatului până la scurtcircuitare. Trebuie ținut cont de faptul că nu putem păstra reostatul de pornire permanent în circuitul secundar, deoarece este dimensionat pentru a funcționa pe o durată scurtă de timp. [33]

2.2. Pornirea prin conectare directă

Pornirea prin cuplare directă este o metodă foarte simplă și se folosește pentru acționarea unor mașini unelte simple, ventilatoare, polizoare și altele. Schemele de pornire sunt sigure în funcționare și simple. Motorul este conectat la rețea printr-un întreruptor manual sau automat sau printr-un contactor simplu sau cu relee de protecție. Curentul de pornire este destul de ridicat (5…8) In, deci sunt necesare anumite restricții în funcție de puterea motorului. [4]

Motoarele asincrone suporta bine șocurile de curent, deci este necesară luare de măsuri de limitare doar pentru motoarele de putere ridicată. Din cauza șocului de curent, tensiunea de la bornele motorului scade în cazul în care puterea rețelei este mică, fapt care poate duce la oprirea celorlalte motoare legate în paralel cu acesta, deoarece cuplul de pornire și cel critic sunt proporționale cu pătratul tensiunii. Din acest motiv, pornirea prin conectare directă este permisă doar atunci când puterea rețelei este suficient de mare încât să poată suporta șocul de curent.

În momentul cuplării, având turația nulă, motorul se comportă ca un transformator în scurtcircuit, însă cu rezistențe și reactanțe mai mari, și absoarbe un curent de pornire cu o valoare ridicată. Astfel:

Dacă rețeaua consumatorului este racordată direct la rețeaua de JT a furnizorului, puterea maximă a motoarelor asincrone care pot proni prin conectare directă este de 4 kW pentru tensiunea de 230V și 5,5 kW pentru tensiunea de 400V.

Dacă rețeaua consumatorului este racordată la rețeaua furnizorului prin transformatoare proprii, puterea maximă a motoarelor asincrone care pot porni prin conectare directă este de 20% din puterea nominală a transformatorului.

Este recomandat ca pornirea să se realizeze în mod eșalonat în timp. [6]

Fig. 2.1. Pornirea prin conectare directă [15]

2.3. Pornirea stea-triunghi

Aceasta este o metodă de pornire care reduce valoarea curentului și a cuplului la pornire. Componentele constau în mod normal dintr-un comutator cu trei poziții, un releu de suprasarcină și un temporizator pentru setarea timpului în poziția stea.

În poziția “0”, motorul nu este alimentat;

În poziția “Y”, motorul are realizată conexiunea stea, corespunzătoare momentului pornirii;

În poziția “D”, motorul are realizată conexiunea triunghi, corespunzătoare regimului de lucru.

Comutatorul își modifică poziția în sensul 0-Y-D, fiind blocată posibilitatea rotirea în sens opus. Curentul de pornire este aproximativ 30% din curentul de pornire în cazul cuplării directe la rețea, iar cuplul este redus cu 25%. [4]

Acest tip de pornire funcționează doar în cazul în care sarcina la pornire este redusă. Dacă sarcina este prea mare, cuplul de pornire nu va fi suficient de mare pentru a pune în mișcare motorul până la trecerea în conexiunea triunghi. [6]

Deoarece tensiunea de fază scade de ori la conexiunea stea, cuplul electromagnetic de pornire scade de 3 ori decât în cazul pornirii prin conectare directă la rețea în conexiune triunghi.

Pentru ca pornirea să poată fi realizată, este necesar ca:

Curentul de pornire în cazul conexiunii stea o treime din curentul de pornire în cazul conexiunii triunghi:

Fig. 2.2. Pornirea stea-triunghi [4]

2.4 Pornirea prin alimentare cu tensiune redusă

2.4.1. Pornirea cu reactanță în circuitul statorului

Acest tip de pornire se folosește frecvent în cazul motoarelor de mare putere. Se conectează în circuitul statorului o reactanță (bobină de reactanță XL) reglabilă. Dezavantajul acestei metode de pornire este aceea că se introduce în rețea putere reactivă, ceea ce este dăunător.

Curentul de pornire este mai mic decât în cazul cuplarii directe la rețea, deoarece apare o cădere de tensiune suplimentară pe bobină, astfel încât la bornele motorului apare o tensiune redusă. Totuși, cuplul de pornire scade, deoarece este proporțional cu pătratul curenților, deci această metodă poate fi utilizată doar în cazul în care scăderea cuplului de pornire nu reprezintă un impediment. [6]

Fig. 2.3 Pornirea prin introducerea unei reactanțe în circuitul statorului [4]

2.4.2. Pornirea cu autotransformator

În acest caz, motorul este conectat la rețea prin intermediul unui autotransformator care este scos din circuit odată ce procesul de pornire a fost finalizat. Autotransformatoarele sunt în general echipate cu ploturi pe fiecare fază pentru a adapta parametrii la pornire în concordanță cu cerințele aplicației.

Procesul de pornire are trei etape:

Autotransformatorul este conectat în conexiune stea, iar apoi motorul este conectat la rețea prin intermediul înfășurărilor autotransformatorului. Procesul se desfășoară la o tensiune redusă, care depinde de raportul de transformare. Autotransformatorul este de obicei setat pentru a identifica raportul de transformare optim pentru reducerea tensiunii.

Conexiunea stea este deschisă înainte de a se realiza conexiunea totală la rețea. Partea înfășurării autotransformatorului conectată la rețea acționează ca o inductanță serie cu motorul. Aceasta operație are loc atunci când viteza se echilibrează la sfârșitul primei etape.

Conexiunea la rețea se face după a doua etapă care de obicei durează o fracțiune de secunda. Înfășurarea autotransformatorului care este în serie cu motorul este scurtcircuitată și autotransformatorul este oprit. [16]

Procesul de pornire se desfășoară fără întreruperea curentului în motor, deci nu apar fenomene tranzitorii din cauza pauzelor.

Fig. 2.4. Pornirea cu autotransformator [4]

2.5. Soft Start

O metodă modernă de a efectua pornirea, dar care poate necesita o investiție inițială destul de mare, este reprezentată de utilizarea demaroarelor electronice, denumite de obicei soft starters. Utilizarea acestor dispozitive permite limitarea curentului de pornire, determinarea cuplului și setarea timpul de pornire, făcând posibilă evitarea șocului de curent de la pornire și solicitările mecanice care caracterizează pornirea prin conectare directa și conectarea Y / Δ. În principal, aceste dispozitive sunt alcătuite din două părți, o unitate de putere și o unitate de comandă. Principalele componente ale unității de putere sunt radiatorul și tiristoarele, care sunt controlate de logica implementată pe un circuit care constituie unitatea de control, de obicei unul având la bază un microprocesor. [6][16]

2.6. Pornire secvențială cu reostat de pornire în circuitul rotoric

Pentru a limita curentul de pornire putem introduce rezistențe de pornire în circuitul rotoric. Pe măsură ce viteza motorului crește se scurtcircuitează treptat acele rezistențe. Astfel, se limitează curentul, însă cuplul de pornire rămâne nemodificat. După ce toate rezistențele au fost scurtcircuitate, circuitul rotoric rămâne închis prin inele, perii și scurtcircuitorul rezistențelor de pornire. Periile continuă să se frece de inele și în funcționarea normală, ceea ce duce la pierderi prin frecare și duce la uzura periilor. Pentru aceasta se poate construi un dispozitiv care ridică periile, iar în prealabil scurtcircuitează direct inelele. La oprirea motorului se lasă din nou periile pe inele și se introduce reostatul de pornire în circuitul rotoric pentru a putea reporni motorul. [4]

Fig. 2.5. Pornirea reostatică (secvențială) [15]

Capitolul 3 – Automatizări cu PLC-uri

3.1. Generalități

Automatizarea urmărește eliminarea intervenției directe a omului în procesul de producție. Prin intermediul acesteia poate crește mult viteza de desfășurare a proceselor tehnologice ceea ce duce la o creștere importantă a productivității muncii, deci și la o creștere economică sporită. Astfel, automatizarea poate asigura un consum minim de energie, un preț de cost minim, etc.

Totodată, datorită preciziei ridicate de funcționare a instalațiilor tehnologice automatizate, cu menținea riguroasă a anumitor mărimi la valorile lor prescrise, prin automatizare se obține o calitate mai mare a produselor obținute sau a serviciilor. [11]

Un automat programabil reprezintă un computer digital folosit în automatizări și diverse procese electromecanice. Un PLC (Programmable Logic Controller- Controller Logic Programabil- Automat programabil) prezintă mai multe intrări și ieșiri, în funcție de modelul acestuia, prin intermediul cărora dispozitivul primește sau transmite semnale de la/ către dispozitive din exterior. Pentru a simplifica modul acestora de programare, limbajul a fost proiectat astfel încât să semene cu diagrame tip ladder. Astfel, orice inginer sau electrician care cunoaște diagramele ladder se va putea adapta mediului de programare a PLC-urilor.

În ceea ce privește construcția, un PLC are o carcasă rezistentă pentru a putea funcționa și în condiții mai severe. Astfel, aceste dispozitive pot funcționa la temperaturi ridicate, în condiții de praf excesiv, interferențe electromagnetice, umiditate ridicată și sunt rezistente la șocuri mecanice. Automatul programabil este foarte fiabil, iar gradul de mentenanță este foarte ridicat, lucru care constituie un avantaj major pentru folosirea PLC-urilor. Un astfel de echipament este robust și poate substitui sute de relee independente. [12][13]

Memoria acestor dispozitive este non-volatilă, acestea fiind capabile să stocheze informația și să o păstreze chiar și după oprirea aparatului.

Funcționalitatea unui PLC s-a dezvoltat de-a lungul anilor pentru a include controlul releelor, controlul mișcării, sisteme de control distribuit și rețele complexe.

Fig. 3.1. Prezentare PLC EATON EASY819-AC-RC [34]

PLC-ul poate comunica cu alte PLC-uri și se pot afla la distanță față de mașinile pe care le comandă. Pot fi utilizate pentru a trimite și recepționa tensiuni, deci pot intra în lumea analogică.

Astăzi avem PLC-uri care pot fi programate în FBD ( Function Block Diagram- Diagramă cu Blocuri Funcționale), ST ( Structured Text- Text Structurat) și IL ( Instruction List- Listă de Instrucțiune), toate pe același PLC. PLC-urile din zilele noastre pot controla activități complexe precum: controlul poziției, diferite reglări (de temperatură, presiune, etc.) și multe ale aplicații complexe. Viteza de lucru și ușurința programării au crescut de asemenea. S-au dezvoltat și module pentru aplicații speciale ca de exemplu module pentru conectarea mai multor automate într-o rețea. Este greu să ne imaginăm azi un proces care nu poate fi controlat de un automat programabil. [14]

Fig. 3.2. Proiectarea unui sistem controlat cu PLC [10]

3.1.1. Avantațele utilizării PLC-urilor

Numărul necesar de conductoare este redus cu până la 80% față de panourile de automatizare clasice;

Consumul foarte redus;

Existența unei funcții de detectare a erorilor din automatul programabil este rapidă și ușor de utilizat;

Număr redus de piese de schimb;

Prețul este mai mic în comparație cu un sistem de automatizare clasic, datorită faptului că un PLC este dotat cu un număr mare de intrări și ieșiri;

Repunerea în funcție a PLC-ului este mult mai rapidă decât un releu electromecanic sau de timp;

Posibilitatea urmăririi pe un ecran a funcționării PLC-ului;

Posibilitatea existenței unor mesaje de eroare care să indice funcționarea defectuoasă a dispozitivului. [14]

3.1.2. Dezavantajele utilizării PLC-urilor

Existența anumitor scheme de comandă care nu necesită modificări în schema de acționări, motiv pentru care nu s-ar justifica utilizarea unor PLC-uri în ceea ce privește costurile;

Există medii cu condiții care nu permit utilizarea PLC-urilor, deoarece ar conduce la distrugerea lor;

În cazul unei scheme de comandă clasice butonul de oprire deconectează schema de comandă de la sursa de alimentare oprind funcționarea acesteia. Dacă are loc o întrerupere a tensiunii de alimentare, funcționarea schemei de comandă se întrerupe și nu este reluată dacă tensiunea de alimentare este restabilită. În cazul anumitor programe ale PLC-urilor condițiile de mai sus nu sunt întotdeauna îndeplinite ceea ce determină o funcționare nesigură în condiții de defectare. [14]

3.2. Diagrame ladder

Aceste diagrame sunt scheme electrice concepute pentru reprezentarea circuitelor logice. Denumirea vine din limba engleză ( ladder = scară) și datorită asemănării lor cu o scară: două linii verticale care reprezintă sursa de putere și linii orizontare care simbolizează circuitele de control. Este, de fapt, o reprezentare grafică a ecuațiilor booleene, realizând astfel o combinație între contacte și bobine. Execuția programului este realizată de sus în jos, iar rețeaua este executată de la stânga la dreaptă. [12]

Elementele de bază utilizate pentru scrierea unui astfel de program sunt:

Bobine, care pot fi: directe, inverse, de setare, de resetare;

Contacte, care pot fi: normal deschise, normal închise, de sesizare a frontului crescător, de sesizare a frontului căzător;

Temporizatoare;

Numărătoare;

Blocuri funcționale.

Fig. 3.3. Exemplu ladder diagram (mod reprezentare specific aparatului)

Fig. 3.4. Exemplu ladder diagram (conform DIN IEC)

DIN – German Institute for Standardization

IEC – International Electrotechnical Commission

Fig. 3.4. Exemplu ladder diagram (conform ANSI/CSA)

ANSI – American National Standards Institute

CSA – Canadian Standards Association

3.3. EASY800-DC-RC

Fig. 3.5. EASY820-DC-RC [17]

3.3.1. Generalități

Easy800 este un controller cu funcții integrate cum ar fi: funcții logice, aritmetice, de măsurare a timpului și de numărare. Rețeaua integrată easy-NET permite conectarea a maxim 8 controllere Easy800 pentru realizarea unui singur sistem de control. Fiecare participant NET poate conține un program, ceea ce permite realizarea de comenzi rapide, descentralizate și inteligente.

O schema de conexiuni trebuie cablată cu tehnologia planurilor de contact(ladder diagram). Schema se introduce direct în afișajul Easy800.

Putem realiza urmatoarele operații:

Cablarea contactelor și a întrerupatoarelor în serie sau în paralel;

Conectarea releelor de ieșire sau a contactelor auxiliare;

Stabilirea ieșirii ca bobina, comutator cu impulsuri, detector de flancuri pozitive, negative sau releu cu funcție de automentinere;

Selectarea de diferite funcții pentru releele de timp:

declanșare temporizată;

declanșare temporizată și durată aleatoare;

revenire temporizată;

revenire temporizată și durată aleatoare;

declanșare -/revenire temporizată;

declanșare -/revenire temporizată și durată aleatoare;

impuls;

semnalizare intemitentă;

revenire temporizată cu reanclanșare;

revenire temporizată cu reanclanșare și durată aleatoare;

Utilizarea de numărătoare crescătoare sau descrescătoare;

Numărarea de semnale de mare viteză:

contor cu numarare directă și inversă cu limită superioară și inferioară;

presetare;

contor de frecvență;

contor rapid;

contorizare traductor valori incrementale.

Compararea de valori;

Afisare grafică, texte, variabile,introducere valori de referință, modificare sau înlocuire grafică sau texte prin apăsarea tastelor sau prin apariția unor evenimente;

Prelucrarea intrărilor analogice și a valorilor de ieșire;

Utilizarea ceasului de comutare săptămânal și anual;

Contorizarea orelor de funcționare;

Comunicarea prin intermediul rețelei integrate easy-NET;

Încărcarea, salvarea și protejarea cu parolă a schemelor. [14]

3.3.2. Specificații tehnice

Producător: EATON ELECTRIC

Tip modul: releu programabil

Parametri electrici ieșire 1: 8 A

Număr intrari digitale: 12

Număr intrări analogice: 4

Număr ieșiri analogice: 1

Număr ieșiri pe relee: 6

Număr ieșiri digitale: 4

Tensiune alimentare: 24 V DC

Montare: pe panou

Mod programare: display, tastatură încorporată

Clasă etanșeitate: IP20

Conexiune electrică: terminale cu șurub

Blocuri funcționale disponibile: 16 timere, 8 ceasuri săptămânale, 16 contoare, 16 comparatoare analogice, doua contoare rapide

Temperatură de lucru: -25…55

Dimensiuni exterioare: 107.5 x 90 x 72 mm

Masa brută: 0.3 kg [17]

Fig. 3.6. Reprezentarea grafică a PLC-ului [17]

Releele inteligente Easy 800 oferă un set larg de caracteristici și o funcționalitate mult mai mare decât releul inteligent standard. Capacitatea de rețea permite ca sistemele de până la 300 I / O să fie controlate folosind arhitectură inteligentă distribuită. Pentru distanțe scurte acest lucru este realizat pur și simplu folosind conductori de patch-uri RJ45 (de exemplu, stocul nr. 504-3232 etc.) și stocul de terminare al terminalelor de linie nr. 479-6418. Pentru a atinge o lungime maximă a rețelei de 1 km, ar fi necesare spații adecvate cu cablu. Rețeaua poate fi configurată cu un program pe un singur controler și toate celelalte care acționează ca slavi sau cu programe individuale pe fiecare controler care utilizează rezultatele acțiunilor altor controllere (starea I / O a tuturor controllerelor este vizibilă pentru toți ceilalți din rețea ). Interfața directă cu afișajul MFD (Multi-Function Display- Display Multifuncțional) sau sistemele HMI (Human Machine Interface- Interfață Om- Mașină) cu ecran tactil HMI permite operatorilor să fie informați. Caracteristicile interne includ 256 linii de circuit de comandă, funcția PID (Proportional–Integral–Derivative), controlul motorarelor pas cu pas, funcțiii aritmetice, intrare Encoder, ieșire PWM (Pulse Width Modulation- Modularea Pulsurilor în Lățime), ieșire serială și multe alte funcții avansate. [14]

Capitolul 4 – Simulare pornire secvențială

4.1. Specificații motor

Am utilizat un motor asincron trifazat cu rotor bobinat tip H 132-450 M1.

Fig. 4.1. Motor asincron trifazat cu rotor bobinat [21]

Acest motor se poate folosi în următoarele aplicații: pompe, suflante, compresoare, în industria oțelului, în fabrici de marmură, etc.

Specificații standard:

Carcasa din fontă dură, cu picioare integrate;

Grad de protecție: IP55;

Compartiment cu inele și perii separate de stator și rotor;

Clasa de izolație F, cu temperaturi de până la 80° C;

Protecție standard PTC a înfășurărilor (1 per fază);

Garnituri de ulei standard;

Cutie de borne montată superios, cu posibilitatea de rotire cu 180°;

RAL 5010, albastru. [22]

Caracteristici opționale:

Tensiuni și frecvențe speciale;

Izolația din clasa H;

Protecție IP56 / IP65;

Compartiment lateral dreapta sau stânga;

PT100 în bobină și lagăre;

Motoare cu dimensiuni reduse (non-IEC);

Rulmenți pe capătul unității;

Cutie terminală încapsulată în rasina epoxidică;

Bobina incapsulată în rășini epoxidice;

Cutie terminală încapsulată cu siliciu;

Executarea cablului (cu cutie de borne sau conectată direct). [22]

Specificații tehnice:

Putere nominală: 4 kW

Curent nominal de linie al statorului: 8 A

Tensiune nominală de linie a statorului: 400 V

Frecvență nominală: 50 Hz

Număr perechi de poli: 2

Turație nominală: 1421 rpm

Randament nominal: 84,5 %

Factor de putere nominal: 0,77

Cuplu maxim: 3Mn

Rezistența rotorică: 0,75 Ω

T.E.M. de linie a rotorului: 230 V

Curentul nominal de linie al rotorului: 11,5 A

Zgomot: 80 dB

Moment de inerție: 0,15 kgm2

Masă: 88 kg [21]

4.2. Schema de fortă și comandă

Fig. 4.2. Schema de forță și comandă pornire secvențială

Funcționare:

Se închide BP => se alimentează C1 => funcționează automenținerea și se poate elibera BP.

Se alimentează fazele rotorice care au înseriate r1 și r2 pe fiecare fază. Releele d2 și d3 sunt relee de tensiune minimă, care pierd alimentarea atunci când valoarea curentului conduce către o cădere de tensiune la bornele releului d2 sub valoarea nominală => contactele normal închise ale releelor d2 și d3 se deschid.

Scade curentul rotoric => tensiunea la bornele lui d2 scade sub valoarea nominală și contactele lui d2 revin la starea inițială => se alimentează C2 => se scurtcircuitează treapta r1.

Scade curentul rotoric => tensiunea la bornele lui d3 scade sub valoarea nominală și contactele lui d3 revin la starea inițială => se alimentează C3 => se scurtcircuitează treapta r2. [5]

4.3. Simulare în EASY-SOFT 6 Pro

4.3.1. Pornire secvențială cu relee de tensiune minimă

Fig. 4.3. Pornire secvențială cu relee de tensiune minimă

Q01 – C1

Q02 – C2

Q03 – C3

I15 – buton pornire

I16 – buton oprire

A01Q – d2

A02Q – d3

T01, T02, T03 – relee de timp

D01, D02, D03 – afișare text

4.3.2. Pornire secvențială cu relee de timp cu declanșare temporizată

Fig. 4.4. Pornire secvențială cu relee de timp cu declanșare temporizată

Q01 – C1

Q02 – C2

Q03 – C3

I15 – buton pornire

I16 – buton oprire

D01, D02, D03 – afișare text

T01, T02 – relee de timp cu declanșare temporizată

C01, C02 – numărătoare

4.3.3. Pornirea secvențială cu relee de timp cu revenire temporizată

Fig. 4.5. Pornirea secvențială cu relee de tmp cu revenire temporizată

Q01 – C1

Q02 – C2

Q03 – C3

I15 – buton pornire

I16 – buton oprire

D01, D02, D03 – afișare text

T01, T02 – relee de timp cu revenire temporizată

T03, T04 – relee de timp cu declanșare temporizată

C01, C02, C03, C04 – numărătoare

Fig. 4.6. Închiderea contactelor

Elemente utilizate pentru cele 3 simulări:

Pornirea cu relee de tensiune minimă: un buton de pornire, un buton de oprire, 3 ieșiri, doua comparatoare analogice (simularea releelor de tensiune minimă), doua relee de timp și 3 afișaje text;

Pornire cu relee de timp cu declanșare temporizată: un buton de pornire, un buton de oprire, 3 ieșiri, două relee de timp, două numărătoare și 3 afișaje text;

Pornire cu relee de timp cu revenire temporizată: un buton de pornire, un buton de oprire, 3 ieșiri, 4 relee de timp, 4 numărătoare și 3 afișaje text.

Astfel, se poate oserva că, în ceea ce privește numărul elementelor utilizate, cea mai ușoară schemă o reprezintă pornirea cu relee de timp cu declanșare temporizată.

Fig. 4.7. Organigarmă pornire secvențială cu relee de tensiune minimă

4.4. Calculul rezistențelor de pornire

Aleg

Fig. 4.8. M = f (s)

Pentru punctele A, C, E, G:

Pentru punctele: B, D, F:

Condiderăm

Întrucât valorile obținute pentru rezistențele de pornire nu sunt standardizate, voi alege rezistențe bobinate, de putere industrială, acoperite cu silicon, cu codul: ASE010020E4R50JE91 pentru Rp1 și ASE010020E1R50JE91 pentru Rp2 din catalogul VISHAY.

Fig. 4.9. Rezistor utilizat [20]

Fig. 4.10. Legenda codului rezistoarelor [20]

Alegerea echipamentelor de protecție

Considerăm: .

reprezintă curentul maxim admisibil pentru cabluri de cupru de energie pozate în aer cu secțiunea

Contactor

Atunci când un releu este utilizat pentru a comuta o cantitate mare de energie electrică prin contactele sale, el este denumit contactor. Contactoarele au în mod obișnuit contacte multiple, iar acele contacte sunt de obicei (dar nu întotdeauna) normal deschise, astfel încât alimentarea cu tensiune este oprită atunci când bobina este dezactivată. Cea mai comună utilizare industrială pentru contactoare este controlul motoarelor electrice.

Fig. 4.11. Caracteristici contactoare Télémécanique [8]

Aleg contactorul LC1 D09/25 A/9 A.

Fig. 4.12. Contactor LC1 D09/25 A/9 A [19]

Siguranță fuzibilă

Factori de selecție:

1. Curent normal de funcționare;

2. Tensiunea de alimentare (AC sau DC);

3. Temperatura mediului ambiant;

4. Curentul de suprasarcină și durata de timp în care siguranța trebuie să declanșeze;

5. Curent maxim de defecțiune admis;

6. Impulsuri, curenți de supratensiune, curenți de pornire, pornire și fenomene tranzitorii;

7. Limitările fizice, cum ar fi lungimea, diametrul, sau înălțimea;

8. Funcții de siguranță (tipul de montare / factorul de formă, ușurința de îndepărtare, indicatorul vizual etc.)

9. Caracteristicile siguranței fuzibile, dacă este cazul și asociate (clipsuri, bloc de montare, montare pe panou etc.)

10. Testarea și verificarea aplicațiilor înainte de producere. [18]

Fig. 4.13. Trepte de curent pentru siguranțe fuzibile [8]

Aleg siguranța fuzibilă 160 A/160 A.

Fig. 4.14. Siguranță fuzibila 160 A/160 A [30]

Releu termic

Coeficientul de expansiune este una dintre proprietățile de bază ale oricărui material. Două metale diferite au întotdeauna un grad diferit de extindere liniară. O bandă bimetalică se îndoaie întotdeauna când se încălzește, datorită acestei inegalități de dilatare liniară a două metale diferite.

Un releu termic funcționează în funcție de proprietatea menționată mai sus a metalelor. Principiul de bază al releului termic este acela că, atunci când o bandă bimetalică este încălzită de o bobină de încălzire care transporta curentul sistemului, acesta se îndoaie și face contacte normal deschise. [23]

Fig. 4.15. Construcție releu termic [24]

Transformatorul de curent furnizează curentul către bobinele radiatorului. Energia termică a bobinelor a încălzit benzile bimetalice. Benzile bimetalice sunt fabricate din aliaj de nichel și oțel. Aliajul de nichel și oțel are o rezistivitate ridicată a oțelului și, de asemenea, previne îmbătrânire termică.

Brațul de pârghie izolat este conectat la bobina de declanșare împreună cu arcul și benzile bimetalice. Tensiunea arcului este variată cu ajutorul plăcii în formă de sector.

Când sistemul este în stare normală de funcționare, arcul rămâne drept. Când apare defecțiunea sistemului, arcul bimetalic este încălzit și îndoit. Tensiunea arcului este eliberată, fapt care declanșează contactele releului. Contactul releului activează circuitul de declanșare, din cauza căruia se închid contactele întreruptorului. Astfel, sistemul rămâne în siguranță. [24]

Fig. 4.16. Trepte de curent pentru relee termice [8]

Fig. 4.17. Releu termic 14 A/14 A [25]

Concluzii

Rolul pornirii secvențiale pentru o mașina asincronă constă în reducerea curentului absorbit de motor pe durata pornirii, prin reducere tensiunii aplicate pe fazele motorului, fără modificarea cuplului de pornire.

Utilizarea PLC-urilor în industrie este din ce în ce mai mare. PLC-urile se folosesc în sisteme de alimentare cu apă, sisteme de ventilație, mașini unelte, roboți industriali, sisteme de acționare, benzi trasportoare, etc.

PLC-ul se foloseste ca un controller de proces local comunicând cu un calculator sau cu un alt PLC prin module de comunicație dedicate. În cele mai multe cazuri PLC-ul este parte integrată a unui sistem SCADA.

Releele inteligente reprezintă una din categoriile de controlere cel mai des utilizate în acționările și automatizările industriale cu comportament secvențial și nu numai. Automatele programabile pot fi integrate în alt sistem de acționare doar prin schimbarea programului pe care acestea îl rulează.

În cazul în care este nevoie de un control de la distanță, releele inteligente pot realiza acest lucru, fără a mai fi nevoie de alte echipamente. Pentru un sistem care include o acționare electrică, în general, modul de utilizare definește modul de acționare. Investiția financiară inițială într-un sistem de acționare complet este amortizată într-un timp relativ scurt, datorită consumului de energie redusa si siguranței mărite în funcționare

Având în vedere că șansele ca, în urma calculelor efectuate, valorile obținute pentru reostatul de pornire să fie standardizate, se vor alege rezistoare cu o valoare apropiată, imediat superioară.

Bibliografie

[1] – Chirilă A.-I., Deaconu I.-D., Ghiță C, Mașini și acționări electrice Volumul 1, Transformatorul și mașina asincronă, editura PRINTECH, 2015.

[2] – Nicolescu E. , Răduț C. , Ghiță N. – Mașini electrice și Transformatoare, Editura de Stat Didactică și Pedagogică, București 1960.

[3] – Filote Constantin, Graur Adrian – Sisteme de comandă și reglare a mașinilor electrice, Editura Universității Suceava, 1998.

[4] – Josan Mihai Ioan, Metode de pornire și reglare a turației motoarelor electrice asincrone trifazate, 2013.

[5] – Năvrăpescu V., Curs Acționări Electrice, 2017.

[6] – Schneider Electric, AC motors starting and protection systems.

[7] – Melcescu L., Curs Convertoare Electromecanice, 2016.

[8] – Sărăcin C., Curs Instalații Electrice, 2017.

[9] – Gogu M., Curs Mașini Electrice, Capitolul V.

[10] – MCTR/RI, Curs Automate Programabile, 2017.

[11] – Lăzăroiu I., Călin S., Sisteme de automatizare, Editura Didactică și Pedagogică București, 1977.

[12] – https://en.wikipedia.org/wiki/Programmable_logic_controller.

[13] – E. A. Parr, Industrial Control Handbook, Industrial Press Inc., 1999.

[14] – Andreiev C.S., Automatizarea pornirii mașinii asincrone, 2011.

[15] – Piscu C., Sisteme automate de acționare electromecanică.

[16] – ABB, Technical Application Papers, Three-phase asynchronous motors, 2008.

[17] – EATON EASY820-DC-RC data sheet.

[18] – Littelfuse data sheet.

[19] – Schneider Electric, LC1D09BD data sheet.

[20] – VISHAY Wirewound Resistors, Industrial Power, Silicone Coated, Adjustable Edgewound Tubular data sheet

[21] – Valiadis KD Series data sheet

[22] – http://www.valiadis.gr/?view=789

[23] – https://www.electrical4u.com/thermal-relay-working-principle-construction-of-thermal-overload-relay/

[24] – https://circuitglobe.com/thermal-relay.html

[25] – https://uk.rs-online.com/web/p/contactor-control-relay-overloads/6851328/

[26] – http://www.ucmr.ro/print4c87.html?id=P201_0_1_0_C

[27] – http://www.qreferat.com/referate/constructii/Masina-asincrona531.php

[28] – https://ro.wikipedia.org/wiki/Motor_asincron

[29] – http://www.qreferat.com/referate/constructii/MASINA-ASINCRONA641.php

[30] – https://uk.rs-online.com/web/p/centred-tag-fuses/0395660/

[31] – Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Catedra de Mașini electrice, Îndrumător de proiectare a mașinii asincrone

[32] – Ion V., Universitatea „Dunărea de Jos” din Galați, Mașini electrice

[33] – Morega M., Universitatea Politehnica din București, MAȘINI și ACȚIONĂRI ELECTRICE NOTE DE CURS, 2006-2007

[34] – http://www.klocknermoeller.com/easy800/easy819-ac-rc.htm