. Micromotoare DE Curent Continuu CU Magneti Permanenti – Analiza Si Ingineria Valorii Aplicata PE

CUPRINS :

Memoriu justificativ

Proiectul : ’’Micromotoare de curent continuu (μMCC) cu magneti permanenti (MP)’’ prezinta particularitatile de constructie, functionarea, alimentarea si comanda μMCC cu MP.

Utilizarea de materiale magnetice (MP) de performanta pentru constructia inductorului, sau prin adoptarea unor solutii tehnologice noi pentru constructia indusului, cum ar fi rotorul cilindric in forma de pahar sau rotorul disc cu bobinaj fara suport metalic au dus la o gama de utilizare cat mai mare si mai variata a micromotoarelor cu magneti permanenti.

Proiectul este structurat pe trei capitole :

in capitolul 1 se prezinta particularitatile de constructie a micromotoarelor de curent continuu cu MP si rotor cu sau fara crestaturi, cilindrice si cu rotor disc.

in capitolul 2 se fac referiri la aspectele legate de functionarea micromotoarelor cu MP , studiind pe subcapitole ecuatiile fundamentale si elementele de dimensionare.

in capitolul 3 s-a descris modul de alimentare si comanda a micromotorului cu MP prin controlul si reglarea vitezei si a tensiunii.

Micromotoarele de curent continuu se construiesc intre-o gama variata de dimensiuni, respectiv puteri, funtie de destinatie ; astfel se pot mentiona μMCC cu volum de ordinul 1cm cub si putere de ordinul 1W. cum sunt micromotoarele de antrenare a discurilor de memorie din tehnica de calcul , sau din aparatura subminiaturizata de inregistrare-redare a sunetului, cat si unele variante la puteri mai mari de ordinul 10-100 W, utilizate in minibirotica, in miniactionari din domeniul constructiei de automobile, de aeronave, in tehnica spatiala sau in constructia satelitilor de telecomunicatii si de urmarire-orientare.

Analiza și Ingineria Valorii reprezintă un studiu în care se analizează abordarea conceperii și reconceperii produselor prin prisma relațiilor dintre utilitate și consumul de mijloace .

Prin prisma disciplinei A.I.V., s-a încercat realizarea unui studiu amănunțit asupra unui produs ales, care în momentul actual nu cunoaște declinul, ponderea acestuia pe piață fiind foarte mare .În oarecare măsură, această lucrare susține conceptele A.I.V., prin care se realizează abordarea conceperii și reconceperii produselor .

Deși această lucrare nu pretinde a fi o analiză atotcuprinzătoare pentru orice produs, informațiile prezentate aici pot fi de un real ajutor pentru orice utilizator, care dorește să cunoască mai exact toate datele tehnice și economice ale unui produs anume, în cazul nostru “ robot de bucătărie ” .

Conținutul atotcuprinzător al lucrării se referă la studierea în profunzime a unui produs (motorul de curent continuu ) cu ajutorul tehnicilor A.I.V. Funcțiile produsului sunt reprezentate pe o dreaptă de regresie, unde se pot identifica printr-o clasificare a lor în :

– Funcții supradimensionate

– Funcții bine dimensionate

– Funcții subdimensionate

Datorită faptului că unele funcții sunt supradimensionate, se va încerca o reconcepere a produsului, indentificând un algoritm de ameliorare și de creștere a performanțelor funcțiilor .

Acest studiu oferă informații detaliate despre produs din toate punctele de vedere : economic, tehnic și social . Sunt examinate toate variantele disponibile în configurații moderne, precum și modul de îmbunătățire și testare a lor .

În concluzie acest studiu se definește prin analizarea unui produs ales, urmând ca aceste informații să fie prelucrate,având ca scop final identificarea unor funcții care se dovedesc a fi supradimensionate din punct de vedere economic, precum și reconceperea acestuia, pe baza găsirii unor soluții de îmbunătățire .

Partea a I -a

Micromotoarele de curent continuu cu magneti permanenti

Cap.1. Particularități de construcție a micromotoarelor de curent continuu (μMCC) cu magneți permanenți (MP)

Un motor de curent continuu (c.c.) cu colector, cu magneți permanenți poate fi comparat cu un motor de c.c. cu excitație bobinată. Singura diferență o reprezintă fluxul de excitație în întrefier: pentru motoarele cu MP = const, în timp ce pentru motoarele cu excitație separată poate fi controlat. Aceasta înseamnă că viteza unui motor standard de c.c. cu MP, poate fi controlată în mod normal numai prin schimbarea tensiunii de intrare a indusului sau a curentului de indus. Un motor tipic de c.c. cu colector, cu MP este prezentat în fig. 1. Prin adaugarea unei înfășurări de excitație adiționale, fluxul , precum și viteza pot fi modificate într-un anumit interval limitat.

MP de tip Alnico sunt folosiți frecvenț la motoarele care au puteri nominale cuprinse în intervalul 0.5 – 150 kW. Magneții ceramici sunt în prezent cei mai raspanditi și economici magneți, folosiți la motoarele fracționare și pot avea un avantaj economic asupra magneților Alnico până la 7.5 kW. Magneții din pământuri rare sunt costisitori, dar sunt cea mai bună alegere din punct de vedere economic pentru motoarele mici.

Configurații ale circuitelor magnetice ale diferitelor tipuri de motoare de c.c. cu colector, cu MP sunt prezentate în figurile 2 până la 4. Există 4 structuri fundamentale de armatură (rotor):

rotor convențional cu crestături (fig. 2a si 3),

rotor fără crestături (bobinat pe suprafață),(fig.2a),

rotor cilindric cu bobină mobilă (fig. 4a),

rotor disc cu bobină mobilă (pancake) (fig. 4b si c).

Tab. 1. Clasificarea motoarelor cu bobină mobilă

Figura 1: Motorul de curent continuu cu magneți permanenți segmentați: 1- înfășurarea indusului ; 2- MP din ferită bariu; 3- lagăr din metal poros; 4- ax ; 5- bornă ; 6- carcasă de oțel ; 7- sistem de lubrifiere a lagărelor ; 8- perie ; 9- colector

Figura.2 Construcția motoarelor de curent continuu cu magneți permaneți cu rotor cu miez feromagnetic lamelat: (a) rotor cu crestături ;(b) rotor fără crestături

Figura .3 Câmp de excitație la motoarele de curent continuu cu miez feromagnetic rotoric folosind diferite tipuri de magneți permanenți (a)Alnico, (b) ferite,(c) pamânturi rare : 1-magnet permanent, 2-jug din fier moale,3-piesa polară

Figura 4 : Motoare cu magneți permanenți cu bobină mobilă cu sistem de excitație exterior :(a)motor cilindric; (b) motor cu rotor disc bobinat; (c) motor cu rotor disc cu circuit imprimat și sistem de excitație hibridă: 1- înfășurarea indusă (bobină mobilă); 2-jug din oțel moale;3-magnet permanent;4- piesă polară; 5- cadru din fier moale; 6- ax;

7-perie;8- colector

Motoarele cu colector cu MP care au rotor cu și fără crestături au înfășurările fixate pe un miez magnetic lamelat. Infașurarea, niezul și axul formează o parte integrantă. Motoarele de c.c. cu bobină mobilă au înfășurările fixate pe un cilindru izolat sau pe un disc rotativ între MP sau între MP și un miez magnetic laminat. Tipurile de motoare cu bobină mobilă sunt enumerate în tabelul 1. La un motor cu bobină mobilă momentul de inerție al rotorului este foarte mic de vreme ce toate miezurile feromagnetice sunt în repaos, – nu se mișcă în câmp magnetic – și în ele nu se produc pierderi prin curenți turbionari (Foucault) sau pierderi prin histerezis. Randamentul unui motor cu bobină mobilă este mai bun decât în cazul unui motor cu rotor cu crestături.

Datorită momentului de inerție scăzut constanta mecanică de timp a motoarelor cu bobină mobilă este mult mai mică decât la motoarele care au miezul indusului din oțel.

μMCC cu MP și rotor cu crestături

Miezul rotorului cu crestături este format din tole de oțel-siliciu sau tole de oțel-carbon. Infășurarea indusă este plasată în crestături rotorice. Cuplul acționeaza asupra conductoarelor fixate în crestături și întărite de izolația crestăturilor și de rașina epoxidică. Astfel un rotor cu crestături este mai durabil și mai sigur decât un rotor fără crestături. Un miez având multe crestături este de obicei oportun, deoarece cu cât numărul de crestături este mai mare, cu atât este mai mic cuplul pulsator și zgomotul electromagnetic . Miezurile care au un număr par de crestături sunt uzual folosite pentru motoarele fabricate printr-un proces automat de producție în masă, datorită facilităților tehnologice. Din punctul de vedere al calității motoarelor, miezurile feromagnetice cu crestături în număr impar sunt preferate datorită cuplului pulsator scăzut.

Crestăturile inclinate din fig.2a reduc cuplul pulsator produs de interacțiunea dintre dinții rotorului și talpa polară a MP (se schimbă reluctantă intrefierului).

Tabelul.2. Date tehnice privitoare la motoare cu colector, cu MP, cu rotor cu crestături de mică putere, fabricate de Buehler Motors GmbH, Nuremberg, Germania

1.2. μMCC cu MP și rotor fără crestături

Cuplul pulsator extrem de scazut poate fi produs prin fixarea înfășurărilor pe un miez cilindric de oțel fără nici un fel de crestături (fig2b). În acest caz cuplul este exercitat asupra conductoarelor uniform distribuite pe suprafața rotorului. Totuși, fluxul descrește în comparație cu rotorul cu crestături deoarece distanța dintre miezul rotorului și piesa polara este mai mare. De aceea, sunt necesari MP de volum mare pentru a obține un flux magnetic suficient.

μMCC cu MP cilindrice cu bobină mobilă

Tipul cilindrului cu camp exterior

Acest tip de motor (fig 4.a) are o constantă mecanică de timp foarte mică , uneori < 1ms . Pentru a obține un mic, raportul trebuie să fie cât mai mare posibil, unde este fluxul magnetic în întrefier și momentul de inerție al rotorului. Un flux mai mare se produce la folosirea MP Alnico sau pământuri rare, care au inducția remanentă mai mare decât la MP din ferite. Deoarece MP Alnico se demagnetizează ușor, se folosesc magneți Alnico de tip bară, magnetizați pe direcția lungimii pentru a evita demagnetizarea. O mai buna alegere în proiectare este excitația statorică cu MP din pământuri rare.

Tipul cilindrului cu camp interior

Motoarele cu bobină mobilă de tipul cu câmp interior, care sunt deasemenea cunoscute ca motoare fără miez, sunt adesea folosite pentru aplicații care implică mai puțin de 10W, foarte rar ajungând până la 200W. La acest tip de motor magnetul permanent se află în interiorul bobinei mobile. Deși momentul de inerție al acestui rotor este mic, constanta mecanică de timp nu este totdeauna redusă, pentru că fluxul magnetic produs de MP de dimensiune mică și plasați in rotor este mic. Totuși, motoarele fără miez au fost folosite în mod extensiv pentru a antrena capul cabestan de la casetofoanele audio, video recordere, lentilele zoom ale aparatelor foto, datorită caracteristicilor deosebite ale acestora : (a) putere mare per volum (W/m3), (b) randament ridicat (fără pierderi în miez)(%), (c) cuplu pulsatoriu zero(%), (d) coeficient de amortizare scăzut (Ns/m).

Componenta mecanică a coeficientului de amortizare se datorează parțial frecării cauzate de componentele de lubrifiere a lagărelor și de încapsulare. Un alt efect mecanic care se poate manifesta la o viteza mare este efectul de ventilator datorită vitezei parților în mișcare. Componentele electromagnetice ale efectului de amortizare constau în:(a) curentul de circulație cauzat de trecerea curentului prin bobinele de comutație în prezența câmpurilor de dispersie și (b) curenții turbionari induși în conductoarele armaturii care se mișcă în câmp magnetic.

Motoarele cu bobină mobilă de tipul câmp cilindric interior se prezintă în fig. 5. Bobinele se pot clasifica după cum urmează : (a) bobină hexagonală, (b) bobină rombică, (c) bobină clopot, (d) bobină minge.

Bobină hexagonală, care este cunoscută și sub numele de bobină Faulhaber, a fost primul tip de bobină care a fost introdusă în larga utilizare a motoarelor fără miez. Fig. 5a prezinta motorul, bobinajul de indus și terminalele înfășurării. Acest tip de bobină a fost inventat de F. Faulhaber . La început acest tip de motor folosea un magnet Alnico pentru a obține un flux ridicat. Carcasa care servește și drept traseu magnetic este realizată din oțel-carbon moale. Doi rulmenți sunt de regulă plasați în gaura din centrul MP pentru a susține arborele.

Penl MP pentru a susține arborele.

Pentru motoarele cu bobină hexagonală, ca și pentru celelalte motoare fără miez, colectorul sunt realizate de dimensiuni mici din urmatoarele motive:

colectorul și periile utilizează metale prețioase (aur, argint, platină, și / sau paladiu) care sunt rezistente la procesele electrochimice din timpul funcționării. Pentru ca metalele prețioase sunt scumpe, dimensiunea periilor trebuie să fie cât mai mică posibil;

viteza periferică a colectorului corespunzatoare unei comutății stabile trebuie să fie mică;

marimeă mașinii trebuie să fie cât mai mică posibil.

Motoarele fără miez cu bobină rombică utilizează înfășurarea rombică după cum se arată în fig 5b. Bobina clopot (fig. 5c) este o metodă de realizare a rotorului folosind înfășurările dreptunghiulare. Metoda bobinei minge face ca forma rotorului să fie ca o minge (fig. 5d). MP care produce fluxul magnetic este amplasat în interiorul bobinei minge. Intre magnet și bobină există un cilindru de plastic, dupa cum se observă in vederea secționată în fig. 5d.

Figura 5. Rotor cu bobină mobilă cilindrică cu câmp de excitație interior:(a) bobină hexagonală, (b) bobină rombică, (c) bobină clopot, (d) bobină minge.

1.4. μMCC cu MP cu rotor disc

Există trei tipuri principale de motoare disc (pancake): motor cu rotor bobinat, motor cu înfășurare imprimată pe rotor și motor cu trei bobine.

La motorul cu rotor bobinat pancake înfășurarea este realizată din fire de cupru turnate cu rășină (fig. 4b). Colectorul este asemanator cu cel al motorului de tip convențional. O aplicație a acestor motoare poate fi găsită la ventilatoarele pentru radiatoarele sub formă de evantai.

Motorul de tip disc cu înfășurarea imprimată pe rotor este prezentat în fig. 4c. Bobinele sunt ștanțate din foaie de cupru și apoi sudate, formând o înfășurare ondulată. Când acest tip de motor a fost inventat de catre J. Henry Baudot, armătura era realizată utilizând o metodă asemănătoare cu cea prin care sunt fabricate plăcile cu circuite imprimate. De aceea, acesta se numește motor cu înfășurare imprimată. Fluxul magnetic al motorului imprimat poate fi produs folosind fie magneți Alnico, fie magneți din ferite.

Motorul de tip disc cu trei bobine are trei bobine plate pe rotor și un sistem de MP cu patru poli pe stator. Conectarea bobinelor este diferită de cea a unei înfășurari buclate obișnuite sau înfășurare ondulată. Motoarele cu trei bobine sunt de obicei proiectate ca micromotoare.

Cap. 2. Aspecte ale funcționării μMCC cu magneți permanenți

2.1. Ecuații fundamentale ale μMCC cu magneți permanenți

Tensiunea la borne

Din legea de tensiuni a lui Kirckhoff, tensiunea la bornele indusului este:

(1)

unde – tensiunea indusă în înfășurare (tensiunea contraelectromotoare. t.c.e.m.), este curentul prin indus, este rezistența circuitului și este căderea de tensiune pe perii. Căderea de tensiune pe perii este aproximativ constantă și pentru cele mai multe motoare de c.c. tipice este practic independentă de curentul prin indus. Pentru periile din carbon (grafit) 2V, pentru alte materiale este dat in tabelul 3. Pentru motoarele de c.c. cu MP cu poli auxiliari, , unde este rezistența înfășurării indusului si este rezistența înfășurării polilor auxiliari.

Tabelul 3. Perii pentru motoarele de c.c. cu colector

T.e.m din înfășurarea indusă

T.e.m. indusă în înfășurare de către fluxul principal în întrefier este:

(2)

unde este numărul de conductoare al indusului, este numărul de perechi de căi paralele de curent ale armăturii, este numărul de perechi de poli, este fluxul magnetic util din întrefier, și

(3)

este constanta t.e.m. sau constanta armaturii, pentru excitația cu MP , deci

(4)

Următoarea relație este relația între numărul de conductoare pe indus și numărul segmentelor la colector :

(5)

unde: este numărul de spire într-o bobină a indusului.

Cuplul electromagnetic (dezvoltat)

Cuplul electromagnetic dezvoltat de motorul de c.c. cu colector este :

(6)

unde :

(7)

este constanta cuplului. Cuplul electromagnetic este proporțional cu curentul din indus.

Magneții permanenți produc un flux de excitație constant = const (neglijând reacția indusului). Cuplul dezvoltat este:

(8)

unde .

Când periile sunt deplasate din zona geometrică neutră cu unghiul , cuplul dezvoltat este proporțional cu , adică, . Unghiul este unghiul dintre axa q și axa câmpului magnetic al rotorului. Dacă periile se află în zona neutră, = 1.

Puterea electromagnetica

Puterea electromagnetica dezvoltata de motor este :

(9)

unde viteza unghiulară a rotorului este

(10)

Puterea electromagnetică este deasemeni și produsul dintre t.e.m. și curentul prin indus, adică,

(11)

Viteza liniară a rotorului și a colectorului

Viteza liniară a rotorului (indusului) este :

(12)

unde este diametrul exterior al rotorului (armăturii). În mod similar viteza liniară a colectorului este :

(13)

unde este diametrul exterior al colectorului.

Puterea de intrare și de ieșire

Un motor convertește o putere electrică de intrare într-o putere mecanică de ieșire

(14)

(15)

unde este cuplul la arbore , și este randamentul.

Pierderi de putere

Pierderile unui motor de c.c. cu MP sunt :

(16)

unde

pierderile în înfășurare sunt

(17)

pierderile în miez

(18)

pierderile la perii (contactul perii colector)

(19)

pierderile mecanice

(20)

pierderile suplimentare de sarcină

(21)

si sunt pierderile prin histerezis în dinții armăturii, sunt pierderile prin curenți turbionari în dinții armăturii, sunt pierderile prin histerezis în jug , pierderile prin curenți turbionari în jug, sunt pierderile adiționale în miez, pierderile specifice în miez exprimate în W/kg la 1T și 50 Hz, este inducția în dinții armăturii, este inducția în jugul armăturii, este masa dinților armăturii, este masa jugului armăturii, pierderile prin frecare (la rulmenți și perii-colector), pierderile prin frecarea rotorului cu aerul, și sunt pierderile prin ventilație.

Frecvența curentului prin indus este:

(22)

Pierderile suplimentare datorate fluxului pulsator în piesa polara și bandajele de oțel rotorice sunt importante doar în cazul motoarelor de medie și mare putere. Calculul pierderilor suplimentare este o problemă dificilă fără garanția obținerii unui rezultat exact. Este mai bine să presupunem că pierderile suplimentare sunt aproximativ egale cu 1% din puterea de ieșire.

Uneori este convenabil să se exprime pierderile în motor în funcție de randamentelul său, adică,

(23)

Puterea electromagnetică poate fi găsită prin înmulțirea ecuației (1) cu, curentul dat de ecuația (11), adică:

Din testele experimentale rezultă că pierderile în bobină și pierderile la contactul perii-colector sunt la motoarele de până la 1kW în o medie de aproape 2/3 din totalul pierderilor. Astfel forța electromagnetică a motoarelor de c.c. cu colector, de mica putere este

(24)

Ecuația de mai sus este folosită în calculul principalelor mărimi ale motoarelor de c.c. cu colector de mică putere și funcționare în regim de lungă durată. Pentru funcționare în regim de scurtă durată sau regim de funcționare intermitent, ajung la ¾ din pierderile totale și

(25)

Pasul polar

Pasul polar este definit ca fiind circumferința armaturii D împărțită la numărul de poli 2p, adică:

(26)

Pasul polar mai poate fi exprimat cu ajutorul crestăturilor ca fiind numărul de crestături pe numărul de poli. Raportul

(27)

se numește coeficientul arcului polar efectiv, în care este lățimea piesei polare.

Inducția în intrefier

Densitatea de flux magnetic a întrefierului sau încărcarea magnetică specifică este

(28)

unde este fluxul magnetic în întrefier.

Densitatea liniară de curent a înfășurării rotororice

Densitatea liniară de curent, sau încărcarea electrică specifică, este definită ca fiind numărul de conductoare N ori curent într-o cale paralelă de curent Ia/(2a) împărțit la circumferința armăturii D, adică,

(29)

Densitatea de curent în înfășurarea rotorică

Densitatea de curent în înfășurarea rotorică este definită ca fiind curentul prin o cale paralelă de curent Ia/(2a) împărțit la secțiunea transversală totală a conductorului (barei)

(30)

Pentru un conductor format din fire paralele

(31)

unde: este secțiunea transversală a unui singur conductor si este numărul de conductoare paralele.

Densitatea admisibilă de curent ca funcție a vitezei liniare a indusului este prezentată in Fig. 6. Domeniul mare al densității de curent se datorează varietății condițiilor de răcire, clasei de izolatori și tipul incapsulării.

Figura 6: Densitatea de curent în înfășurarea rotorică ca funcție a vitezei liniare v

-(ecuația 12)

Rezistența înfășurării rotorice

Rezistența înfășurării rotorice a indusului este exprimată dupa cum urmează:

(32)

unde: N este numărul de conductoare ale indusului, este conductivitatea electrică a înfășurării, este aria secțiunii transversale a conductorului și 2a este numărul căilor de curent paralele. Lungimea medie a conductoarelor (jumătate de spiră) este pentru p = 1 si pentru p > 1.

Efectul pelicular în conductoare sau motoarele cu colector mare poate fi determinat prin multiplicarea ecuației (32) cu un coeficient .

Inductanța înfășurării indusului

Pentru motoarele de c.c. fără poli de comutație, inductanța înfășurării rotorice în întrefier este exprimată astfel

(33)

unde este coeficientul Carter si este factorul de saturație al circuitului magnetic. Pentru cele mai multe mașini cu MP, întrefierulunde g este distanța mecanică. Constanta de timp electrică a înfășurării este .

Constanta mecanică de timp

Constanta mecanică de timp

(34)

este proporțională cu viteza unghiulară la gol și momentul de inerție J al rotorului, și invers proporțională cu cuplul de pornire .

2.2. Elemente de dimensionare a μMCC

Pentru un motor de c.c. cu rotor cilindric puterea electromagnetica ca funcție a încărcărilor specifice magnetică (28) și electrică (29) este

Raportul

(35)

este denumit coeficient de ieșire . Este exprimat în sau .

Specificațiile mașinii vor da puterea de ieșire, randamentul și viteza n. Puterea electromagnetică poate fi estimată folosind ecuația (24) sau (25). Cu ajutorul unor valori convenabile pentru si A (fig.7), este determinat produsul .

Figura 7: Incărcările magnetice și electrice ale motoarelor de curent continuu cu colector cu magneți permanenți din Alnico și ferite în funcție de raportul putere de ieșire- viteza

Cuplul electromagnetic al mașinilor de c.c. poate fi exprimat cu ajutorul încărcării electrice și magnetice, adică:

(36)

Incărcările electrice A și magnetice exprimă așa numitul efort de torsiune, adică, puterea electromagnetică pe unitatea de suprafața a rotorului va fi:

(37)

Pierderile în înfășurarea indusului per aria suprafaței rotorului sunt:

(38)

unde este conform ecuației (4.30) si A este conform ecuației (29). Produsul nu trebuie să depășească anumite valori permisibile . Pentru motoarele de tensiune magneto-motoare până la 10 kW, produsul JaA va fi de aproximativ .

2.3. Reacția indusului

Acțiunea t.m.m. a indusului asupra tmm a înfășurării de excitație este denumită reacția indusului.

Dacă periile sunt poziționate de-a lungul liniei geometrice neutre, câmpul rotoric are sensul decalat de la axa polilor principali, adică, cu 90. Un astfel de camp este denumit t.m.m. rotorică transversală sau în cuadratură. T.m.m. transversală pe perechi de poli este:

(39)

unde densitatea liniară de curent A este dată în ecuația (29).

Figura 8: Tensiunea megnetomotoare longitudinală Fad și transversală Faq a reacției indusului când periile sunt decalate față de axa neutră : (a) înainte ;(b) înapoi.

În general, periile pot fi schimbate de pe linia neutră cu un unghi sau cu arcul corespunzator la periferia armăturii. Armatura poate fi considerată ca fiind doi electromagneți suprapusi, unul dintre ei creat de înfășurarea corespunzatoare unghiului dublu 2, formează t.m.m. longitudinală si celalalt, creat de înfășurarea care rămane corespunzatoare arcului , produce tmm. transversală pe o pereche de poli, adică:

(40)

unde deplasarea periilor la motoarele mici de până la 100W este neglijabilă, adică, , în timp ce la motoarele de c.c. de medie putere poate depași 3mm.

Când periile unui motor sunt decalate înainte (in sensul de rotație) de la linia neutră, atunci apare o reacție a indusului longitudinală de natură magnetizantă (fig.8b). Când periile sunt deplasate înapoi (în sens invers rotației) de la linia neutră , atunci apare o reacție a indusului longitudunală cu efect demagnetizant.

Curbele t.m.m. de reacție și de excitație pentru diferite poziții ale periilor sunt prezentate in fig.9. Saturația circuitului magnetic modelează deasemeni curba rezultantă.

T.m.m. de reacție pe perechi de poli

(41)

conține trei componente: t.m.m. transversală (cuatratură), t.m.m. longitudinală , și t.m.m. longitudinală a secțiunilor de bobină care comută. Semnul “+” este pentru generator, semnul “-” este pentru motor.

Figura 9 : Curbele câmpului magnetic din motorul de curent continuu pentru diferite poziții ale periilor: (a) perii poziționate de-a lungul axei geometrice neutre (b) perii decalate înapoi față de axa neutră (c) perii decalate înainte față de axa neutra.1-T.M.M a înfășurării de excitație 2- T.M.M a înfășurării induse 3- T.M.M rezultantă neglijând saturația magnetică 4- T.M.M rezultantă ținând cont de saturația magnetică

T.m.m. indusă de curenții din secțiunile de bobină care comută poate fi estimată ca fiind:

(42)

unde lățimea zonei de comutație , C este conform ecuației (5), este rezistența bobinei scurtcircuitate în timpul comutației sale, este permeanța de scăpări corespunzatoare unei secțiuni de bobină scurtcircuitate în timpul comuației sale și n este viteza rotorului în rot/sec.

Rezistența totală a unei secțiuni de bobina scurtcircuitată în timpul comutației sale este

(43)

unde: este rezistența numai unei secțiuni de bobină, este conform ecuației (32) și C este conform ecuației (5). Rezistența stratului de contact perii-colector .

Permeanța de scăpări corespunzatoare unei secțiuni de bobină scurtcircuitate în timpul comutației sale constă în doi termeni: permeanța de scăpări a crestăturilor și permeanța de scăpări a capetelor , adică,

(44)

și inductivitatea proprie rezultantă pentru o înfășurare cu pas diametral este:

Coeficientul permeanță de scăpări a crestăturilor sau permeanța de scăpări a sloturilor specifică depinde de forma crestăturilor și este dată în literatură, de exemplu. Coeficientul permeanță de scăpări a capetelor pentru bends din materiale feromagnetice este și pentru bends formate din materiale non-feromagnetice este . T.m.m. a MP pe pereche de poli trebuie să fie în echilibru cu MVD pe pereche de poli

(45)

unde: fluxul magnetic al întrefierului pe pol, este permeanța întrefierului incluzând saturația circuitului magnetic, și t.m.m. a indusului , adică,

(46)

Punctul de intersecție a curbei de demagnetizare cu linia permeanței totale este în general determinat la conectare când:

(47)

Pentru un motor de c.c. cu colector este egal cu . Curentul la conectare poate ajunge la urmatoarele valori:

(48)

Daca periile sunt fixate de-a lungul axei geometrice neutre și circuitul magnetic este nesaturat, t.m.m. transversală a înfășurarii pe pereche de poli este simplă , unde A este conform ecuației (29). T.m.m. rotorică transversală deformează câmpul principal în motoare, atenuandu-l sub muchia de ieșire. Daca circuitul magnetic este saturat, reluctanța muchiilor din față (de intrare) a polilor crește mai repede decât se reduce .

Figura 10: Determinarea efectului demagnetizant a reacției transversale

Curba Bδ trasată ca funcție de () (fig.10), unde este inducția in întrefier , este MVD de-a lungul întrefierului, și este căderea MVD de-a lungul dintelui armăturii, este folosită pentru evaluarea efectului demagnetizant a reacției transversale. Deoarece dreptunghiul are baza proporțională cu arcul polar și înălțimea lui egală cu , aria lui poate fi utilizată ca masură a fluxului la gol. În același mod aria patrulaterului curbiliniu servește ca masură a fluxului la sarcină. Dacă mașina este saturată, atunci triunghiurile >. Pentru a obtine același flux magnetic δ și EMF E la sarcină ca și la gol, t.m.m. a sistemului de excitație trebuie să fie mai mare , să zicem cu , adică t.m.m. pe pereche de poli a MP a unei mașini încărcate trebuie să fie:

(49)

în care este t.m.m. a MP pentru gol. Pentru a determina această creștere este suficient să mutăm dreptunghiul spre dreapta astfel încât aria. Ariile dreptunghiurilor și , și a patrulaterului curbiliniu , sunt egale, și deoarece fluxul în întrefier și deasemeni EMF E recuperează valorile lor inițiale datorită creșterii a t.m.m a MP. Creșterea compensează efectul reacției transversale , deoarece și sunt pentru un singur întrefier și respectiv pentru un singur dinte al armăturii.

Metodele de evaluare a publicate până acum pentru mașinile de c.c. cu excitație electromagnetică, de exemplu de Gogolewski și Gabrys

sau de Voldek

în care:

U (50)

sunt mai degrabă grosiere, nu în acord una cu cealalta și nu pot fi folosite pentru motoarele cu MP mici. Această problemă poate fi rezolvată într-un mod simplu dacă porțiunile și ale caracteristicii prezentate în fig.10 sunt aproximate prin segmente de linie ca în fig 11.

Figura 11: Aproximarea curbei Bg=f(Fg+Ft) prin două segmente de linie

Figura 12: TMM transversală a reacției indusului ca funcție de cuplul la axul unui motor de curent continuu de 8W. Evaluarea rezultatelor: 1- aproximare liniară, 2- metoda numerică, 3-aproximarea lui Froelich

Pentru

si ,

T.m.m. a reacției transversale este exprimată prin ecuația urmatoare:

(51)

în care este conform ecuației (50)

O ecuație mai precisă:

(52)

unde:

(53)

poate fi obținută folosind ecuația lui Frielich

în care și sunt constante depinzând de forma curbei B(F).

O altă metodă este de a folosi o abordare numerică.

Fig. 12 prezintă rezultatele calculelor reacției transversale funcție de cuplul arborelui pentru un motor mic de 8 W de c.c. cu MP segmentati. Aproximarea lui Froelich și metoda numerică dau o bună corelare asupra întregului interval de valori al cuplului.

Se observă din Fig.9 că, câmpul magnetic dat de reacție demagnetizează MP la zona muchiei de ieșire. O demagnetizare ireversibilă a muchiilor de ieșire ale MP poate avea loc dacă câmpul reacției indusului este mai mare decât forta coercitivă. Aceasta problemă poate fi evitată prin proiectarea de MP segmentați cu muchiile de ieșire construiți din materiale cu câmp coercitiv mare, iar porțiunile rămase realizate din material cu inducție remanentă mare cum este prezentat in Fig. 13. Avantajele aplicației, ale MP formați din două componente sunt importante mai ales la motoare de c.c. cu dimensiuni mai mari.

Figura 13: Motorul de curent continuu cu colector cu MP segmentați cu două componente: 1- magnet permanent,2- înfășurare, 3-carcasă

2.4. Aspecte privind comutatia in μMCC cu MP

Comutația este un grup de fenomene legate de inversarea curentului in conductoarele unei înfășurari statorice atunci când trec prin zona în care acestea sunt scurtcircuitate de către periile plasate pe colector.

Presupunând că lungimea periei este egală cu cea a unui segment de colector, cu o înfășurare buclată tip simplex periile scurtcircuitează doar o secțiune a bobinei și rezistivitatea de contact dintre perie și colector nu depind de densitatea de curent, curentul variabil în timp in secțiunea scurtcircuitata a bobinei este:

(54)

unde este numărul de căi de curent paralele, este durata totală de comutație, adică durata de timp în care secțiunea bobinei este în scurtcircuit (Fig.14), este rezistența stratului de contact a periilor, este rezistența secțiunii de bobină scurtcircuitată conform ecuației (43) și este rezistența colectorului risers. Pentru = 0, curentul in secțiunea scurcircuitată bobinei este prezentată în Fig. 14.

Figura 14. Curbele de variație a curentului în secțiunea scurcircuitată bobinei ținând cont de comutație: 1- comutație liniară; 2- comutație întârziată; 3- comutație accelerată

T.m.m. reactivă rezultantă de autoinducție și de inducție mutuala a unei secțiuni de bobină scurcircuitate este:

(55)

unde: este numărul de conductoare ale indusului, este numărul de segmente ale colectorului, este numărul de spire pe o bobină rotorică conform ecuației (5), este lungimea efectivă a miezului rotoric, este lungimea conexiunii de sfarșit one-sided, este permeanța specifică a unei crestături, este permeanța specifică a conexiunilor finale, este conform ecuației (29) și este conform ecuației (12).

La mașinile fără poli auxiliari (sau de comutație) fluxul magnetic de comutație necesar pentru a induce t.m.m. care echilibrează t.m.m. este produsă prin deplasarea periilor de la linia geometrică neutră. Pentru a îmbunătăți comutația când o mașină funcționează ca motor este necesar să schimbăm poziția periilor de la linia neutră în sensul invers direcției de rotație al armăturii.

Cea mai bună și mai des utilizată metodă de îmbunătățire a comutației este de a folosi poli auxiliari. Presupunând că , numărul de spire care comută per pol se poate găsi din ecuația:

(56)

unde: este lungimea axială a polilor auxiliari și este inducția ce variază proporțional cu curentul . Polaritatea polilor de comutație este prezentată în Fig. 15. Dacă inducția unui pol de comutație este:

(57)

Figura 15: Polaritatea polilor de comutație pentru functionarea în regim de motor (M) și generator(G)

Pentru a reține proportionalitatea dintre inducția și încarcarea electrică pentru toate serviciile, este necesar să conectăm înfășurarea polilor auxiliari în serie cu înfășurarea indusului și să menținem circuitul polilor de comutație nesaturat (). Astfel t.m.m. per pol de comutație este :

(58)

unde: este conform ecuației (39) și este întrefierul echivalent între miezul indusului și față polilor auxiliari incluzând crestăturile.

Figura 16: Diagrama circuitului unui motor de curent continuu cu magneti permanenți cu reostat de pornire Rst

2.5. Circuitul magnetic

În această secțiune un motor cilindric de c.c cu colector cu rotor cu miez feromagnetic cum se prezintă in figurile 1, 2 sau 3b va fi luat in considerare. Ecuațiile derivate pot fi usor deduse pentru alte configuratii de circuite magnetice, de ex. motoarele cu rotor disc.

Fluxul magnetic (inducția) al întrefierului per pol

(59)

rezultă din ecuația (28). Pe de alta parte pentru a obține o creștere a lui , motoarele de c.c cu MP cu colector, de construcție cilindrică au lungimea a MP mai mare decât lungimea efectivă a miezului armăturii. Fluxul magnetic în întrefier poate fi de asemenea exprimat cu ajutorul inducției utile la suprafață internă a MP ai statorului, adică,

(60)

unde:

este aria secțiunii transversale a piesei polare. Pentru inducția întrefierului la suprafață miezului armăturii . Inducția în magnet deoarece fluxul magnetic total este :

(61)

unde:

este inducția de dispersie a MP.

Factorul de saturație a circuitului magnetic este definit ca fiind t.m.m. total per pereche de poli raportat la caderea de tensiune magnetică (MVD) de-a lungul întrefierului luată de două ori.

2.5.1 Tensiunea magnetomotoare(TMM) per pol

Cu MP ai statorului mai lungi decât miezul armaturii, adică , MVD pe întrefier este:

(62)

(63)

unde: este conform ecuației (59) sau (67), este întrefierul și este coeficientul lui Carter.

Pentru termenul și MVD al întrefierului este :

(64)

unde: .

Din legea circuitului lui Ampere TMM per pereche de poli este :

(65)

unde: este întrefierul dintre MP și jugul statorului, este MVD în jugul statorului, este MVD în dintele rotorului, și este MVD în jugul rotorului. La motoarele de c.c colector cu MP mici întrefierul = 0.04….0.10mm.

2.5.2. Permeanța întrefierului

Ecuația (65) poate fi adusă la forma :

(66)

unde: este aria transversală MP, este coeficientul fluxului de dispersie a MP, este factorul de saturație al circuitului magnetic pentru = 0 și :

Permeanța întrefierului pentru per pereche de pol poate fi gasită pe baza ecuației (60) și (66) ca

(67)

pentru ecuația (67) de mai sus ia forma:

(68)

Ecuația (68) poate fi folosită atât pentru motoare cu MP segmentați cât și pentru motoare cu MP cilindrici . Neliniaritatea datorată saturației magnetice a miezului rotoric și jugului statoric a fost inclusă deoarece este dependent de .

2.5.3 Permeanța de dispersie

Permeanța totală de dispersie a unui MP segmentat este (Fig.17a)

(69)

unde = 0.5 este coeficientul ce include MVD de-a lungul inaltimii a MP.

Figura 17: Dimensiunile și fluxurile de scăpări echivalente a motoarelor de current continuu bipolare: (a) magneți permanenți segmentati (b)magneți permanenți circulari

Permenața de dispersie pentru fluxul dintre jug și suprafață laterala a MP este :

(70)

Permenața de dispersie pentru fluxul dintre jug și suprafața finală este:

(71)

unde: sunt căile medii pentru fluxurile de dispersie.

Pentru un MP circular fără jugul statoric din oțel moale permeanța de dispersie totală este (Fig. 17b)

(72)

unde: si sunt permeanțele pentru fluxurile de dispersie prin suprafețele cilindrice externă și finală a MP în cadrul unghiului , în timp ce si sunt permenațele pentru fluxurile de dispersie prin suprafețele finală și cilindric externă corespunzatoare unghiului. În practică, aceste permeanțe de dispersie pot fi calculate folosind urmatoarele formule.

(73)

(74)

(75)

(76)

unde toate dimensiunile sunt conform Fig. 17b. Exista două permeanțe de dispersie suplimentare în cazul în care rotorul ar fi înlăturat :

pentru fluxul prin suprafața cilindrică internă corespunzatoare unghiului

(77)

pentru fluxul prin suprafața cilindrică internă corespunzatoare unghiului

(78)

(79)

Cap. 3. Alimentarea și comanda μMCC cu magneți permanenți

Urmatoarea relație obtinuță din ecuațiile (1) si (2) :

(80)

spune că viteza unui motor de c.c poate fi controlată modificând :

tensiunea rețelei de alimentare

rezistența circuitului de indus , unde este rezistența reostatului in circuitul indusului

fluxul de excitație în întrefier .

Ultima metodă este posibilă doar când MP sunt prevăzuți cu bobine de excitație suplimentară pentru controlul vitezei. Din ecuația de mai sus (80) și ecuațiile(4) și (8) este posibil să obținem viteza de regim permanent a unui motor de c.c cu colector ca o funcție a lui Mem pentru o U dată, adică :

(81)

3.1 Controlul vitezei prin tensiunea la bornele indusului

Viteza poate fi ușor controlată de la zero până la viteza maximă de siguranță. Sursa de tensiune reglabilă poate fi un redresor comandat cu semiconductoare, un chopper sau generator de c.c. Caracteristicile viteză-curent sunt prezentate în Fig. 18.

Caracteristica viteza-cuplu din Fig.18 poate fi decalată pe verticală prin reglarea tensiunii aplicate U. Cu cât cuplul crește caracteristica viteza-cuplu la o U dată este în mod esențial orizontală, cu excepția căderii de tensiune datorate rezistenței circuitului de indus, căderii tensiunii prin perii și căderii datorate reacției indusului.

Figura 18: Controlul vitezei prin variația tensiunii de indus la un motor de curent continuu cu magneți permanenți (U1 <U2 <U3 <U4)

3.2 Reglarea vitezei cu reostat în circuitul indusului

Rezistența totală a circuitului indusului poate fi variată prin intermediul unui reostat conectat în serie cu înfășurarea indusului. Acest reostat trebuie să fie capabil să suporte un interval de timp curentul mare al indusului. Acesta este, din acest motiv, mult mai scump decât un reostat de pornire proiectat pentru o perioadă de scurtă durată. Caracteristicile viteză-curent în indus sunt prezentate in Fig. 19.

Figura 19: Caracteristicile viteza-curent de indus pentru controlul vitezei cu reostat în circuitul indusului la un motor de curent continuu cu MP

3.3 Reglarea vitezei prin câmpul de excitație

Aceasta este cea mai economică și eficientă metodă de control al vitezei a unui motor de c.c. dar în cazul excitației cu MP se cere o înfășurare suplimentară în jurul MP, cum se observă din figurile 4.c si 20, și un redresor controlat cu semiconductoare suplimentar.

Figura 20: Statorul motorului de curent continuu cu magneți permaneti cu înfășurare de excitație suplimentară pentru controlul vitezei: 1- magnet permanent, 2-înfășurarea de excitație suplimentară, 3- jugul statoric

3.4 Servo-amplificatoare și controlul μMCC

Mișcarea motoarelor de curent continuu este controlată de catre un circuit electronic. Partea componentă a unui asemenea circuit care este folosită în alimentarea motorului este numită servo-amplificator. Acest capitol explică principiile și construcția circuitului a diferitelor tipuri de servo-amplificatoare, și va fi urmat de o prezentare a câtorva metode de control al vitezei și poziției.

3.4.1 Servo-amplificatoare de baza

Servo-amplificatoarele sunt clasificate în două categorii principale corespunzator metodei pe care o folosesc pentru a conduce dispozitivele semiconductoare de putere. Una dintre aceste categorii, care este cunoscut drept servo-amplificatoarele liniare, comandă tranzistoarele bipolare in regiunile liniare sau active; cealaltă categorie este cea a servo-amplificatoarelor PWM care comandă tranzistorii bipolari sau MOSFET-uri în modul funcționarii Pornit-Oprit, folosind tehnica modulării lațimii pulsurilor (PWM). Ambele tipuri de servo-amplificatoare sunt clasificate în scheme de control a tensiunii și control al curentului.

Controlul tensiunii și curentului la servo-amplificatoare liniare

Folosind servo-amplificatoare liniare, vom compara cele doua scheme de bază prezentate în fig.21. Schema (a) este de tipul cu controlul tensiunii iar schema (b) este de tipul cu controlul curentului. Caracteristicile comune ale acestor doua scheme sunt urmatoarele:

tensiunea de intrare Ui(t), care comandă motorul, este aplicată bazei tranzistorului

puterea electrică necesară alimentarii motorului este furnizată de la o sursă de putere

tranzistorii sunt comandați în regiunea liniară sau activă

Figura 21. Două circuitele de bază de alimentare a motoarelor de curent continuu: (a) tipul cu controlul tensiunii (b) tipul cu controlul curentului

Totuși, aceste două scheme sunt diferite una față de cealaltă prin obiectul controlat de către tranzistor. În circuitul (a), motorul este alimentat ca sarcină într-un circuit de emitor (a), motorul este alimentat ca un circuit receptor pe emitor. Dacă tensiuna baza-emitor, care este de apropare 0,6V este neglijată, tensiunea de intrare Vi apare la bornele motorului fară o amplificare de tensiune. Din acest motiv, tensiunea motorului este controlată in mod direct de catre semnalul de intrare. Pe de altă parte curentul motorului este provenit de la o sursă de alimentare, și valoarea acestuia nu depinde de parametriii tranzistorilor. Mărimea curentului depinde de tensiunea aplicată, viteza și parametrii motorului. Când apare posibilitatea distrugerii tranzistorului din cauza unui curent mare, trebuie adăugat un circuit limitator de curent. Acest circuit va fi explicat mai târziu.

Pe de altă parte, în circuitul (b), curentul de emitor iE este determinat în mod direct de către Ui . Relația acestuia este urmatoarea:

(82)

Neglijând tensiunea bază-emitor UBE , putem obține ecuația simplificată:

(83)

Acesta este aproape egal cu curentul de colector sau curentul motorului.

În concluzie, dacă circuitul (b) este folosit, curentul motorului este controlat în mod direct de către tensiunea de intrare Ui. Când tranzistorul este în regiunea liniară, tensiunea motorului depinde de curent, viteza și de parametrii motorului. Când tranzistorul intră in regiunea de saturație, E-Ui este aplicată motorului și curentul nu rezultă din ecuația (83).

Sistemul de control a tensiunii

Figura 22 prezintă un sistem de control al tensiunii având tensiune amplificată. Trei căi de curent sunt prezentate, și intensitatea curentului este indicată prin grosimea curbei. Dacă potențialul de polarizare directa bază – emitor aplicată lui Tr1 este neglijabil, tensiunea din punctul A, sau tensiunea pe RA este aceeași ca și tensiunea de intrare Vi.

Figura 22. Servo –amplificator cu control al tensiunii având amplificarea =(RA+RB)/RA

De subliniat faptul că I2 este mult mai mare decât I1 din cauza amplificării de curent din Tr2. Din acest motiv putem ignora efectul lui I1 în calculul tensiunii care apare în punctul M aplicată motorului. Aceasta este tensiunea Ui multiplicată cu (RA+RB)/RA. Când un curent mare este absorbit de către motor, Tr2 trebuie să prezinte o schema de conexiuni Darlington așa cum reiese din fig.23.

Alimentarea bipolara cu controlul tensiunii

Circuitele cu tranzistoare din fig.21 sunt folosite numai pentru controlul unidirectional. Pentru a controla motorul în ambele direcții, poate fi folosit circuitul din fig.24. Acest circuit utilizează un tranzistor PNP și un tranzistor NPN complementar cu primul. Dacă ignorăm potențialele baza-emitor ale ambilor tranzistori, potențialul de intrare apare la emitorul fiecărui tranzistor, și acesta este aplicat motorului.

În acest circuit curentul motorului circulă întotdeauna fie prin Tr1 fie prin Tr2, și tranzistorul functionează in regiunea liniară.

Figura 23. Circuite care cresc capacitatea în curent folosind conexiuni Darlington

Figura 24. Servo-amplificator bipolar de principiu de tipul cu controlul tensiunii

De exemplu, când tensiunea Ui este pozitivă, Tr1 conduce un curent care este provenit de la sursa de alimentare E1. Deoarece joncțiunea PN din acest tranzistor este polarizată direct, o tensiune de aproximativ 0.6V apare de-a lungul bazei și emitorului. În acest timp, totuși, joncțiunea PN baza-emitor din Tr2 este polarizată invers și acest transistor lucrează în regiunea de tăiere. Invers, când Ui este negativă, Tr2 se deschide și conduce curentul motorului care este provenit de la sursa de alimentare E2.

Figura 25. Caracteristicile servo-amplificatorului din Fig.24

Figura 26. Eliminarea zonei moarte prin folosirea diodelor

Când considerăm tensiunea bază-emitor pe fiecare tranzistor, relația dintre Ui și U0 are forma celei prezentate în fig.25 (a); apare o porțiune moartă între valorile -0.6 și 0.6 V. În momentul când Ui variază sub forma unei unde sinus, forma de unda a U0 este distorsionată așa cum este prezentată în fig.25 (b). În fig. 26 acest defect este remediat prin adăugarea a doua diode redresoare, și influența joncțiunilor baza-emitor în ambele tranzistoare este compensată de către joncțiunile PN ale celor două diode. Totuși, nu ne putem aștepta ca caracteristicile acestor două diode și cele ale jonctiunilor bază-emitor să fie identice. Deoarece există posibilitatea ca curentul să circule în ambii tranzistori în același timp, sunt adaugați doi rezistori de mică rezistență între cei doi emitori precum în fig.27 la unele servo-amplificatoare.

Figura 27. Circuit cu rezistori de mică impedanța între ambii emitori

Comanda bipolară cu amplificarea tensiunii

Figura 28 prezintă un circuit de control bipolar cu o amplificare a tensiunii de (RA+RB)/RA. Tr3 si Tr4 sunt de obicei tranzistori conectați Darlington.

Figura 28. Amplificator bipolar de alimentare cu amplificarea de tensiune (RA+RB)/RA

Limitarea curentului în scheme cu controlul tensiunii

Servo- amplificatoarele necesită să prezinte o limitare de curent din urmatoarele trei motive :

(1) pentru a evita demagnetizarea magneților permanenți. Este cunoscut faptul ca demagnetizarea nu are loc într-un motor care este prevazut cu magneți din samariu-cobalt. Pentru un motor care folosește magneți din Alnico sau ferite, există posibilitatea demagnetizarii datorită unui curent de indus mare.

(2) pentru a evita distrugerea tranzistorilor de putere

(3) pentru a evita arderea înfășurarilor indusului.

Figura 29 prezintă două exemple de limitatori de curent. În circuitul (a), o rezistență de valoare mică R2 este intercalată între emitorul lui Tr2 și sursa de alimentare în așa fel încât să aibă rol de senzor de curent. Dioda D1 este folosită aici cu rol de compensare a caderii de tensiune directe dintre emitor și baza lui Tr2. Aceasta înseamnă că, căderea de tensiune de-a lungul R2 este aceeași cu potențialul de-a lungul lui R1 sau D2. Atât timp cât căderea de tensiune pe R2 este mai mică decât 0.6V, dioda D2 nu este polarizatâ direct. Când curentul prin R2 crește iar tensiunea pe această atinge valoarea de 0.6V, dioda D2 devine polarizată direct și conduce un curent către colectorul lui Tr1. Din cauza tensiunii directe de-a lungul diodei D2, căderea de tensiune pe R2 nu depasește niciodată valoarea de 0.6V. Din acest motiv curentul va fi limitat la valoarea de 0.6/R2 A.

Figura 29. Doua metode de limitare a curentului în cadrul unui amplificator cu controlul tensiunii: (a) folosind două diode și un rezistor, (b) folosind un tranzistor și rezistor

În circuitul (b), un alt tranzistor Tr3 este folosit cu rol de limitare de curent. Dacă căderea de tensiune pe R2 trece peste pragul de 0.6V, tensiunea baza-emitor din Tr3 este polarizată direct și se deschide tranzistorul, iar apoi un curent este furnizat de la colectorul lui Tr3 la colectorul lui Tr1. În acest moment Tr3 este deschis, și acesta are tendința de a duce Tr2 în regiunea de tăiere, iar din această cauză curentul de colector în Tr 2 este limitat la 0.6 / R2 A.

Amplificatoare cu alimentare bipolar cu controlul curentului

Un amplificator bipolar liniar clasic cu controlul curentului este prezentat în fig. 30. Este folosit un amplificator operațional înainte de servo-amplificator pentru a controla curentul de motor prin semnalul de intrare Vi. În acest caz Rs are o valoare rezistentă mică pentru a detecta curentul motorului. Amplificatorul operational lucrează astfel încât potențialul la borna negativă este potențialul de masă. Relația dintre Us (tensiunea la bornele lui Rs) și Ui (tensiunea de intrare) devine

Us=-(R2 / R1)Ui (84)

unde: Rsi=Us.

Din acest motiv curentul motorului i este determinat de tensiunea de intrare Ui :

(85)

Figura 30. Amplificator bidirecțional cu controlul curentului

3.4.2. Servo-amplificatoare PWM

Servo-amplificatoarele PWM sunt de asemenea larg folosite ca surse de alimentare/comanda în controlul pentru micromotoarele de curent continuu.

3.4.2.1 Comparație între servo-amplificatoarele liniare și PWM

O caracteristică a servo-amplificatoarelor liniare este aceea ca circuitele lor sunt simple și nu generează zgomot dăunator electromagnetic. Totuși, este disipată o mare cantitate de putere prin căldură din etajele finale ale tranzistorilor și de aceea este nevoie de radiatoare voluminoase pentru a elimina căldura și a proteja tranzistorii de distrugere termică. De exemplu, așa cum este prezentat în fig.36 (a), când tensiunea pe tranzistor este de 20V, și pentru un curent de colector de 3A, va rezulta o disipație de 3A x 20V=60W.

Figura 36. Disipația de putere în tranzistor: (a) servo-amplificatoarele liniare pierd mai multă putere electrica în caldură , pe când (b) amplificatorul PWM este caracterizat de o disipație mai mică

Pentru a reduce pierderea în tranzistori și a îmbunătăți randamentului servo-amplificatorului ar trebui aplicată metoda modulării lățimii pulsurilor (puls width modulation). Într-un amplificator PWM, tranzistorul este aflat fie în regiunea de saturație fie în regiunea de tăiere(vezi fig.36(b)). Când tranzistorul se află în regiunea de saturație sau complet deschis, tensiunea dintre colector și emitor este de aproape 1V sau mai puțin, ceea ce însemna că disiparea de energie este mai mică. Când tranzistorul se află în regiunea de taiere sau complet închis, nu conduce curent, și de aceea pierderea de energie este absolut neglijabilă.

3.4.2.2 Reglarea vitezei prin reglarea tensiunii cu chopper

În aplicațiile în care sursa de putere este o baterie și randamentul este o considerentă importantă, diferite alimentatoare cu chopper asigură tensiune la bornele armăturii variabilă, motoarelor de c.c ca metoda a controlului vitezei. Exemple sunt automobilele alimentate din baterii, tramvaiele pe c.c, metrourile pe c.c etc. Chopper-ele pot folosi tiristoare sau tranzistoare de putere. S-a menționat faptul că valoarea de c.c. a unui curent sau a unei tensiuni este valoarea ei medie. Chopper-ul este de fapt un comutator care conectează bateria pentru intervale de timp scurte, în general un convertor de c.c care are circuit intermediar de c.a. El poate varia valoarea medie de c.c a tensiunii la borne prin variația lățimii impulsului, adică modularea lățimii impulsurilor (PWM) sau prin variația frecvenței impulsurilor (PFM) sau ambele (Fig. 37). Motoarele cu MP sau serie sunt des utilizate în aceste sisteme.

Figura 37. Chopper electronic: (a) schema generală, (b) PWM, (c) PFM

3.4.2.3 Principiile amplificatoarelor PWM pentru controlul tensiunii

Figura 38 ilustrează principiul de bază a unui amplificator PWM pentru controlul tensiunii. În acest circuit, o diodă redresoare este conectată în paralel cu fiecare tranzistor, și modurarea lățimii pulsului folosind un comparator IC este plasat înaintea intrării în servo-amplificator. Principiul modularii este explicat in fig.38(b). Comparatorul are doua borne de intrare. Valoarea impusă a tensiunii este aplicată la borna (+), iar un semnal triunghiular este aplicat la borna (-).

Figura 38. Servo-amplificator de principiu cu controlul tensiunii

Figura 39. (a) Forma de undă cu modularea în lățimii a impulsului și (b) tensiunea medie aplicată motorului alimentat prin circuitul respectiv

Relația dintre semnalul de intrare, tensiunea de ieșire la comparator, și tensiunea pe indus este urmatoarea :

(1) când Ui > semnalul triunghiular, tensiunea de ieșire este egală cu +Ucc, și tranzistorul Tr1 este adus în starea complet dechis (regiunea de saturație), pe când Tr2 este în starea complet blocat (regiunea de tăiere). Din acest motiv tensiunea aplicată motorului este E.

(2) când Ui < semnalul triunghiular, tensiunea de ieșire este întotdeauna –Udd, și tranzistorul Tr1 este adus în starea complet închis, pe când Tr2 este complet deschis. Tensiunea aplicată motorului este –E.

Figura 40. Tensiunea de ieșire a unui amplificator PWM prezentat în figura precedentă funcție de factorul de umplere

În continuare, legatura dintre forma de undă a tensiunii și tensiunea medie pe indusul motorului este explicată in Fig. 39(a). În această figură, perioada tp de timp în care Tr1 este deschis este mai mare decat tn în care Tr2 este deschis. De aceea curentul circula de la stanga la dreapta în motor așa cum este reprezentat de linia continuă subțire în Fig.39(b). Deoarece curentul este provenit de la sursa +E, polaritatea curentului este definită ca fiind pozitiva. În această perioadă curentul crește cu timpul. Calea de curent corespunzatoare perioadei tN este prezentată prin linia punctată în aceeași figură. Curentul circulă prin dioda D2 și ajunge din nou la sursa de energie (-E). De notat ca acest curent descrește cu timpul. Când frecvența pulsului este mare, urmatoarea perioada tp apare înainte ca curentul să ajungă la „0”. Frecvența de comutație este de obicei mai mare decât 1 kHz. Cu cât este mai mare fecvența, cu atât este mai mică ondulația curentului de indus. Figura 40 prezintă valoarea medie a tensiunii de ieșire a amplificatorului PWM ca funcție de raportul de timp tp/T0.

3.4.2.4 Amplificatoare PWM cu controlul curentului

Figura 41 reprezintă schema de control de curent a unui servo-amplificator PWM. Înainte de modulatorul PWM este folosit un amplificator operațional pentru controlul curentului de indus folosind un rezistor Rs ca senzor de curent, așa cum a fost explicat în Fig. 40.

Figura 41. Servo-amplificator PWM de tipul cu controlul curentului

3.4.3. Controlul vitezei la motoarele de curent continuu folosind un regulator electronic

În continuare ne vom referi la câteva sisteme de control a motoarelor. Vom începe cu controlul vitezei cunoscut ca metoda regulatorului electronic.

Principiile controlului cu regulator electronic

În regim stabilizat la un motor de curent continuu, relația dintre tensiunea la borne U, rezistența indusului Ra, viteza unghiulară Ω, și curentul de indus Ia este dată prin relația urmatoare:

U=RaIa+K Ω (86)

unde K este constanta motorului, care este aceeași cu constanta cuplului și constanta  tensiunii contraelectromotoare în unități SI. În acest caz, ignoram căderea de tensiune dintre perii și colector. De fapt, un motor folosind perii de metal prezintă o cădere de tensiune între perii și colector neglijabilă.

Din ecuația (86), rezultă:

Ω=(U-RaIa)/K (87)

Din această relație putem găsi o metodă de control a vitezei Ω. Având în vedere ca Ra și K sunt constante, pentru un motor dat, viteza variază cu tensiunea U și curentul Ia. Tensiunea U este o mărime care poate fi ușor controlată prin mijloace externe, și în acest fel putem realiza controlul de viteză. La mersul în gol, curentul Ia este aproape zero, și astfel viteza este determinată numai de tensiunea de la borne U. Când este prezentă încarcarea motorului, curentul Ia se schimbă corespunzator cu încărcarea. De aici rezultă că viteza nu este determinată numai de tensiunea U. Din acest motiv, curentul trebuie să fie cunoscut, și tensiunea la borne trebuie să fie marită astfel încât viteza să fie menținută la valoarea dorită.

Schema de principiu

Pentru exemplificare, un circuit este prezentat in fig. 42. Aspectele principale ale acestui circuit sunt urmatoarele :

(1) rezistențele care sunt folosite pentru a determina viteza sunt: R1, R2 ,RA ,RB ,Rs iar rezistența indusului Ra. Prin alegerea corectă a rezistorilor, putem modifica viteza Ω cu ajutorul tensiunii de intrare Vi a circuitului, și a o face independentă de curent.

(2) când bucla de reacție, cuprinzând R2, nu este conectată în punctul A din circuit, tensiunea Vi apare în punctul A deoarece curentul pe R1 este neglijabil. Dacă diferența de tensiune dintre baza și emitor in Tr1 este ignorată, tensiunea în punctul B este de asemenea egală cu Vi. În acest circuit curentul in RA este o combinație a curenților din Tr1 si Tr2. Alegem rezistențele R3 si R4 astfel încât curentul prin Tr1 să fie mai mic decât 1/10 din curentul total. Tensiunea V0, care este aplicată motorului este

U0 (88)

unde : U0 este aceeași cu tensiunea U din relația (85).

(3) pentru a regla tensiunea U0 pentru compensarea căderii de tensiune datorită curentului de indus, avem nevoie de Rs si R2. Rs este rezistența necesară pentru a detecta curentul motorului, iar R2 este pentru reacția inversă de curent adusă la intrare.

Analizând circuitul în contexul acestor trei puncte prezentate, putem presupune că impedanța de intrare a tranzistorului Tr1 este îndeajuns de mare și că R2>>Rs.

Figura 42. Circuit de comandă fără traductor de viteza cu compensarea căderii de tensiune pe indus

Potențialul electric în punctul A va fi dat de ecuația urmatoare:

UA=(UiR2 +UsR1Ia)/(R1+R2) (89)

unde : Ia este curentul de indus.

Dacă tensiunea bază-emitor a Tr1 este neglijabilă, această tensiune este egală cu tensiunea în punctul B. Din acest motiv, tensiunea la borne U0 a motorului este această valoare multiplicată cu (RA+RB)/RA :

(90)

Pe de alta parte, ecuația tensiunii motorului funcție de parametrii ai motorului este :

U0=(Ra+Rs)Ia+KΩ (91)

Eliminând tensiunea V0 din aceste două ecuații obținem:

(92)

Pentru ca coeficientul K să fie independent de curentul Ia, trebuie îndeplinite urmatoarele relații între rezistente :

= (93)

În acest moment, viteza motorului Ω este proporțională cu Ui pe baza urmatoarei relații :

Ω=(Ui/KE) (94)

Dacă tensiunea bază-emitor VBE, care este aproximativ 0.6V, și tensiunea în perii UB sunt luate in calcul, viteza Ω este determinată de urmatoarea relație:

KΩ =(Ui – )-UB (95)

Exemplu (1)

Există câteva probleme în alegerea valorilor rezistențelor din circuitul din Fig. 37. Când R1, R2, RA si RB sunt cunoscute, mărimea lui Rs trebuie astfel aleasă încât să satisfacă ecuația (93). Pentru Rs se alege în general o valoare în jur de de 1Ω, sau mai mică, pentru a scadea disipația de putere. Totuși, având în vedere ca un rezistor cu o valoare atât de mică nu este disponibil, este legat în paralel cu aceasta rezistență de valoare mică un rezistor variabil de a aproape 100Ω ca in fig. 37, care este folosit pentru corectarea fină a mărimii curentului. Dacă raportul de divizare a tensiunii este ξ, valorile rezistorilor din această schema ar trebui ca în loc de ecuația (93), să fie determinați din relația:

= (96)

În circuitul din Fig. 43, o dioda Zener este folosită pentru a obține tensiunea Vi necesară reglării vitezei. De asemenea, amplificatorul de putere foloseste în circuit trei tranzistori în conexiune Darlington. Controlul vitezei care nu folosește un detector de viteza are avantajul de a avea un număr de componente mai mic, dar prezintă un dezavantaj; ecuația (93) nu poate fi tot timpul satisfacută deoarece Ra si VBE variază cu temperatura.

Figura 43. Exemplu de circuit practic pentru comandă fără traductor

Exemplu (2)

Un alt exemplu de circuit este prezentat în Fig.44. Circuitul de control folosit în acest caz este mult mai simplu decât în cazul precedent. Totusi, deoarece circuitul principal nu este capabil să pornească motorul, un circuit de pornire este încorporat ca circuit auxiliar. Pentru început, să analizăm funcționarea circuitului pricipal. În acest caz, motorul este prevăzut cu perii din metal prețios și astfel căderea de tensiune pe perii este considerată zero.

Tensiunea UA în punctul A, care reprezintă și borna de colector a Tr2, este :

UA= (Ra+Rs)I+K Ω (97)

Din acest motiv, tensiunea VB în punctul B este

UB={KΩ+(Ra+Rs)I} (98)

Tensiunea din emitorul lui Tr1 este mai mică decât această tensiune UB cu UBE, iar tensiunea Uc în punctul C, care este tensiunea la bornele motorului, este mai mare decât această valoare cu suma dintre tensiunea Zener Uz și tensiunea diodei UD. Vom avea relația urmatoare:

UC={KΩ+(Ra+Rs)I}+UZ+UD-UBE (99)

Pe de altă parte, tensiunea motorului este dată de asemenea de relația urmatoare:

UC= KΩ+RaI (100)

Figura 44. Circuit de control al vitezei fără traductor de viteză

Presupunând că ecuațiile (99) si (100) sunt egale, obținem :

{KΩ+(Ra+Rs)I}+UZ+UD-UBE = KΩ+RaI (101)

Pentru ca această ecuație să fie independentă de curentul I, valorile rezistentelor RA, RB, Ra, și Rs trebuie să satisfacă relația urmatoare:

(102)

Acum viteza motorului Ω este determinată de:

Ω= (103)

Daca tensiunea bază-emitor VBE din Tr1 și tensiunea directă UD a diodei sunt egale, viteza Ω devine

Ω = (104)

Se observă din această ecuație faptul că viteza este proporțională cu tensiunea Zener VZ.

Când comutatorul este închis in circuitul din Fig. 44, un curent de încarcare circulă prin bază tranzistorului Tr2 către condensatorul C. Acest curent pune în funcțiune circuitul principal. De fapt, deoarece tensiunea de polarizare directă a unei diodei este independentă fata de curent, aceasta este des folosită în locul diodei Zener mai scumpe pentru a funcționa ca referința de tensiune.

Partea a II – a

Analiza si Ingineria Valorii aplicata pentru motoarele de curent continuu

Cap.1 Introducere in Analiza si Ingineria Valorii

1.1. Noțiuni generale privind A.I.V.

Ce este analiza și ingineria valorii ?

Pentru prima dată, noțiunea de analiza valorii a fost asociată cu analiza monocriterială inițiată de către inginerul german F. Porsche în anii '30. Analiza monocriterială considera drept criteriu corelația necesară și suficientă dintre valoarea funcțiilor unui produs, proces sau serviciu și costurile de realizare a acestora.

În perioada celui de-al II-lea război mondial, accelerarea producției de echipamente militare a determinat o creștere puternică a cererii și a prețului de achiziție a unor materiale considerate strategice (în special a unor metale rare, precum nichelul, cromul, platina, wolframul etc.), datorită repartizării lor către industriile de armament. Multe firme au început să se ocupe de găsirea unor soluții înlocuitoare, mai ieftine, dar cu aceleași performanțe. Astfel, la General Electric din Philadelphia, responsabilitatea asigurării cu materiale înlocuitoare îi revenea directorului departamentului de aprovizionare, Harry Erliecher, care a dat semnalul reproiectării unor produse în noul context. După terminarea războiului s-a încercat revenirea la proiectele originale, dar s-a constatat că produsele fabricate pe baza noilor soluții funcționau cel puțin la fel de bine și în plus, erau mai ieftine. Analizând în profunzime acest fapt, H. Erliecher a propus elaborarea unui sistem de realizare a unor alternative constructive și la un cost mai mic pentru același produs, însă în mod sistematic, deliberat și nu întâmplător.

Însărcinat cu această misiune, Lauwrence D. Milles, directorul unui departament de aprovizionare de la o sucursală a firmei General Electric din Baltimore și-a focalizat atenția asupra funcțiilor unui produs . Prin formularea acestei probleme de fond și apoi dezvoltarea ei, L. D. Milles este considerat veritabilul fondator al unei noi metode manageriale intitulată analiza și ingineria valorii .

Cu operativitate, metoda a fost însușită și aplicată de firme din toate țările industrializate, precum Franța, Anglia, Japonia, Germania, Italia. L.W. Cum arată în lucrarea sa „Ingineria valorii”, că metoda a cunoscut o mare extindere și cu ajutorul ei se poate reduce costul produselor, concomitent cu o îmbunătățire funcțional-constructivă.

Marea Britanie este prima țară după SUA care introduce în 1952 analiza valorii. Primul program de importanță majoră s-a derulat începând cu 1961 la firma Dunlop, astfel încât în 1966 existau echipe de analiza valorii în cele mai multe secții. La finele anului 1963 cele mai multe companii industriale britanice utilizau analiza valorii.

Japonezul Yoj Akao lansează în anul 1966 QFD (Quality Function Deployment), ce reprezintă o dezvoltare a noii metode și care urmărește satisfacerea cerințelor utilizatorului în toate etapele traiectoriei produsului.

În țara noastră primele aplicații s-au efectuat la începutul deceniului al VII-lea, perioadă în care au fost elaborate și cele două standarde aferente analizei valorii.

STAS 11272/1-1979 se arată că „Analiza valorii este o metodă de cercetare și proiectare sistemică și creativă care, prin abordarea funcțională, urmărește ca funcțiile obiectului studiat să fie concepute și realizate cu cheltuieli minime în condiții de calitate, fiabilitate și performanță, care să satisfacă cererile utilizatorului”.

În esență, analiza și ingineria valorii urmărește realizarea funcțiilor unui obiect – funcțiile constituind un rezultat al cerințelor utilizatorului – astfel încât să existe o proporționalitate între utilitatea (performanțele) fiecărei funcții și consumul de mijloace pentru realizarea acesteia, iar ca o rezultantă logică să se maximizeze raportul dintre utilitatea produsului și costul acestuia

Obiectul de studiu al ingineriei valorii poate fi: un produs realizat pe baza unui brevet de invenție sa după un model; un produs existent în vederea modernizării lui; părți componente (module) ale unui produs care îndeplinesc funcții distincte; tehnologia de fabricație a unui produs sau părți ale unei tehnologii de fabricație; procese de servire sau auxiliare; procese de muncă etc.

Principalele obiective ale ingineriei valorii sunt:

– eliminarea cheltuielilor nejustificate și a celor determinate de eventualele funcții inutile și reducerea, astfel, a costului de producție;

– micșorarea costului de producție pe alte căi decât cele enunțate anterior (reproiectare organologică, alte metode de realizare a funcțiilor);

– îmbunătățirea condițiilor de muncă etc.

Sintetic, obiectivul unui studiu de ingineria valorii poate fi exprimat prin următoarea relație cu caracter simbolic:

IV = maxVIG/CP

unde:

VIG – valoarea de întrebuințare globală a obiectului studiat;

CP – costul de producție a obiectului studiat.

Obiectivele ingineriei valorii:

– reducerea costurilor de producție;

– satisfacerea în măsură sporită a cerințelor utilizatorului;

– încercarea unor performanțe noi prin creșterea limitată a costurilor;

– simplificarea proceselor de fabricație;

– încurajarea lucrului în echipă;

– promovarea gândirii creative.

Elementele cheie ale ingineriei valorii .

1. Analiza funcțională.

Este punct de plecare în IV, QFD, MV;

Răspunde la întrebările:

– ce este și ce face produsul?;

Dematerializează produsul, detaliind necesitatea utilizatorului în nomenclatorul, lista sau diagrama de funcții.

2. Costul funcțiilor (dimensionarea economică)

Răspunde la întrebările:

– cât costă fiecare funcție?;

– cât reprezintă ea în costul produsului?;

Descompune costul produsului în cele mai mici detalii;

Stabilește relația dintre repere și funcții;

3. Valoarea funcțiilor

Răspunde la întrebările:

– cât de importantă este funcția pentru utilizator?;

– cât de bine satisface ea exigențele utilizatorului?;

Definește noțiunile:

– importanță relativă;

– utilitate intrinsecă;

– dimensiune tehnică a funcției.

4. Conceperea/reconceperea prin funcții

Urmărește realizarea în condiții optime ale funcțiilor;

Concepe produsul ca pe un ansamblu optim de funcții;

Se face apel la metode logice și psihologice de creativitate;

Se pornește de la ideea că nimic nu este perfect și veșnic.

5. Implementarea soluției

Vizează descoperirea de la început a zonelor în care ar putea apare eșecul aplicării soluției;

Descoperă obstacole care pot bloca aplicarea studiului;

Stabilește acțiunile care pot înlătura piedicile în aplicarea studiului .

6. Echipa de ingineria valorii

Specialiști

7 Planul de lucru al analizei și ingineriei valorii

Varianta americană Varianta franceză Varianta română

I. Pregătirea I Orientarea I. Pregătirea

II. Informarea II. Informarea II.Analiza necesității sociale

III. Analiza III. Analiza III. Analiza situației existente

IV.(re)Conceperea IV.(re)Conceperea IV. (re)Conceperea

1.2. Principiile ingineriei valorii

Ca orice știință analiza și ingineria valorii este guvernată de o serie de principii și anume :

Principiul concepției funcționale ;

Principiul concepției integrate ;

Principiul dublei (multiplei )dimensionări a funcțiilor ;

Principiul echilibrului (proporționalității) dintre cele două dimensiuni ale funcției ;

Principiul maximizării raportului dintre utilitate și cost.

Cap. 2. Metodologia elaborarii studiilor de Analiza si Ingineria Valorii

2.1. Etapele elaborării studiilor de analiza și ingineria valorii

Metodologia elaborări studiilor de analiza și ingineria valorii cuprinde șase etape, iar în cadrul fiecărei etape se disting mai multe faze astfel :

Etapa 1. Măsuri pregătitoare

  * Stabilirea temei

Alegerea obiectului pentru studiu trebuie să țină seama de următoarele aspecte:

Ciclul de viață al produsului. Nu este eficient să abordăm în studiu un produs aflat în perioada de declin .

Ponderea produsului în activitatea unității. Se preferă produse cu pondere mare sau cu perspective încurajatoare.

Nivelul costurilor de producție, a consumurilor de resurse, în special deficitare.

* Organizarea colectivului de lucru

Colectivul cuprinde: specialiști în domeniul proiectării și realizării produsului, economiști, utilizatori, specialiști în marketing, în IV.

* Pregătirea metodologică

Se instruiesc și autoinstruiesc membrii echipei în ceea ce privește elaborarea studiilor de IV și în sensul familiarizării cu produsul studiat.

Un studiu de IV cuprinde faze de lucru individual, urmate de ședințe cu întreaga echipă pentru definitivarea și omologarea fazelor, precum și interviuri cu utilizatorii și proiectanții de produs sau investigații statistice în rândul specialiștilor.

* Stabilirea planului de lucru

Se precizează termenele și responsabilitățile pentru realizarea fiecărei etape din prezenta metodologie.

*Aprobarea planului de lucru

Se întocmește contractul (convenția) între beneficiarul și executantul studiului.

Etapa 2 Analiza necesității sociale

*Culegerea informațiilor

-Informarea pe plan social –se stabileste ciclului de viață al produsului, nivelul caracteristicilor de calitate solicitat de utilizator.

-Informarea pe plan tehnic -studiază posibilitățile de realizare a produsului: materiale, soluții constructive și tehnologice, realizări pe plan mondial.

– Informarea pe plan economic – se estimează costurile de producție până în cele mai mici detalii (până la nivel de reper sau operație).

*Stabilirea nomenclatorului de funcții (investigație statistică în rândul utilizatorilor).

*Stabilirea nivelului de importanță a funcțiilor

Pentru produsul ideal se stabilește ponderea sau importanța relativă pe care o are pentru utilizatori fiecare funcție a produsului (investigație statistică).

Etapa 3 Analiza și evaluarea situației existente

* Dimensionarea tehnică a funcțiilor

Se stabilesc caracteristicile de calitate cu care se pot aprecia utilitățile intrinseci ale funcțiilor și a relațiilor dintre acestea.

*Dimensionarea economică a funcțiilor

Se stabilește costul și ponderea în cost a fiecărei funcții pornind de la diagrama de relații dintre repere/operații și funcții.

* Analiza sistemică a funcțiilor

Se construiește dreapta de regresie care exprimă proporționalitatea dintre utilitatea intrinsecă și ponderea în cost (între dimensiunea tehnică și cea economică) a fiecărei funcții.

Se calculează suma “S” a disproporțiilor.

Etapa 4 Conceperea sau reconceperea produsului

* Elaborarea propunerilor pentru noul produs

Se înregistrează toate posibilitățile de îmbunătățire a produsului prin metode de creativitate, prin tehnici de colectare a ideilor.

*Selecționarea propunerilor

Se elimină soluțiile existente, cele depășite din punct de vedere tehnic, cele incompatibile sau imposibil de realizat în viitorul imediat.

*Dezvoltarea și concretizarea propunerilor la nivel de soluție

Se detaliază și concretizează propunerile reținute, sub formă de soluții alternative la soluția existentă sau etalon.

* Evaluarea soluțiilor

Se determină utilitățile și costurile funcțiilor pentru soluțiile noi;

Se construiește dreapta de regresie pentru fiecare soluție;

Se calculează suma "S" a disproporțiilor și raportul utilitate/cost;

Se compară fiecare soluție cu soluția etalon (sau existentă) și se determină soluția optimă;

Se aplică și alte metode de evaluare (determinarea nivelului tehnico-economic, analiza multicriterială etc.).

Etapa 5 Aprobarea soluției optime

Se apreciază efectele globale pe care le va avea aplicarea soluției optime asupra organizației;

Se stabilesc responsabilitățile în aplicarea studiului.

Etapa 6 Realizarea și controlul aplicării studiului

*Stabilirea programului de realizare

* Realizarea soluției aprobate

* Evaluarea rezultatelor după aplicare

2.2. Analiza funcțională

2.2.1. Definirea funcției

Funcția constituie prima noțiune fundamentală cu care operează ingineria valorii.

„Funcția este o însușire esențială a obiectului studiat, exprimată în raport cu mediul și utilizatorul ».

„Funcția este un rezultat al proprietăților produsului capabile a satisface o necesitate sau a se vinde”.

„Funcția este calitatea unui produs care determină efectul său util, calitate care face din corpul obiectului o valoare de întrebuințare”.

„Funcțiile sunt caracteristicile (capacitățile) produselor și prestațiilor. Funcțiile exprimă anumite proprietăți ale unui produs sau prestații pe care beneficiarul vrea să le exploateze”.

“Funcția reprezintă primul răspuns la cererea utilizatorului. Ea dematerializează produsul, exprimând rolul său, acțiunea sa, ceea ce poate face și cum se comportă față de restricțiile mediului înconjurător “.

Fiecare obiect are, de regulă, mai multe funcții Fj. Fiecare funcție are o valoarea de întrebuințare, vîj, iar suma valorilor de întrebuințare a funcțiilor reprezintă valoarea de întrebuințare a obiectului studiat

Totodată fiecare funcție Fj are un cost (Cj), iar suma costurilor funcțiilor determină costul de producție al obiectului studiat (CP).

2.2.2. Tipologia funcțiilor unui obiect

*principale : Sunt percepute de utilizator și contribuie direct la realizarea utilității obiectului. Exemplu: un receptor de energie electrică transformă energia electrică în altă formă de energie.

*secundare(auxiliare) : Nu sunt percepute de către utilizator și contribuie indirect la realizarea utilității prin intermediul unor funcții principale. Exemplu: un receptor de energie electrică asigură izolarea electrică internă (auxiliară funcției anterioare).

*obiective : Pot fi măsurate cu o unitate de măsură din tehnică. Exemplu: transformă energia electrică în căldură (kW sau Kcal/h)

*subiective : Nu pot fi măsurate în mod obiectiv. Exprimă o relație afectivă între utilizator și obiect. Exemplu: are aspect estetic.

*primară : Fără de care obiectul nu ar exista. Exemplu: siguranța electrică întrerupe brusc circuitul.

*complementară : Care îmbunătățește utilitatea obiectului. Exemplu: siguranța semnalizează funcționarea.

*de restricții : Care există datorită unor restricții impuse de mediul în care funcționează obiectul. Exemplu: siguranța rezistă la coroziune.

*utile : Contribuie la crearea utilității produsului. Exemplu: un autoturism asigură microclimatul în habitaclu.

*inutile : Nu contribuie la crearea utilității. Exemplu: un autoturism asigură condiții de fumat (pentru un nefumător.

*dăunătoare : Nu contribuie la crearea utilității. Exemplu: un autoturism asigură condiții de fumat (pentru un nefumător)

*de utilitate : Cerințe ale utilizatorului. Exemplu: un transformator electric transformă parametrii curentului electric.

*tehnice : Detalieri ale proiectantului și producătorului. Exemplu: transformatorul transformă energia electrică în energie magnetică; transformă energia magnetică în energie electrică.

*ale produsului : Referitoare la produs. Exemplu: autoturismul asigură deplasarea.

*ale subansamblului : Referitoare la subansamblele produsului. Exemplu: motorul asigură putere la arbore.

*ale reperului : Referitoare la reperele componente ale subansamblului. Exemplu: bujia asigură aprinderea carburantului.

*generale : Întâlnite la majoritatea produselor. Exemplu: produsul este fiabil.

*particulare : Întâlnite la grupa de produse. Exemplu: receptorul electric transformă energia; protejează utilizatorul.

*individuale : Care individualizează produsul. Exemplu: siguranța întrerupe circuitul.

2.3. Dimensionarea tehnică

În același mod în care produsele au pentru utilizator semnificații diferite, tot la fel și funcțiile produsului participă la satisfacerea necesității în mod diferit.

Principiul proporționalității, potrivit căruia între utilitatea fiecărei funcții și costul acesteia trebuie să existe un raport constant impune cunoașterea de către proiectantul de produs a importanței pe care utilizatorul o acordă funcțiilor, pentru ca la rândul lui să acorde aceeași importanță în consumul de resurse necesare.

Pentru a rezolva problema, pornim de la următorul raționament: utilitatea (valoarea de întrebuințare) unui produs este maximă, adică atinge valoarea 1 (sau 100%) atunci când toate funcțiile sale sunt realizate la nivel maxim.

Dacă notăm produsul perfect cu P0, utilitatea acestuia este:

U0 1

Utilitatea produsului este rezultatul sumării utilităților funcțiilor sale, după relația:

În particular, pentru produsul ideal:

unde: reprezintă valoarea ideală a utilității funcției în cadrul produsului perfect.

În literatura de specialitate această mărime se întâlnește sub denumirea de pondere sau importanță relativă a funcției și se notează cu sau qj. În continuare vom folosi notația qj.

Pentru o variantă oarecare a produsului, utilitatea funcției se determină cu relația:

Uj = qj . uj

unde: uj reprezintă utilitatea intrinsecă a funcției Fj, adică gradul în care varianta respectivă a funcției satisface pretențiile maxime ale utilizatorului.

În consecință, pentru a determina utilitatea funcției sunt necesare două acțiuni distincte:

stabilirea ponderii funcțiilor în utilitatea produsului ideal ;

determinarea utilității intrinseci a fiecărei funcții, adică dimensionarea tehnică a funcțiilor.

2.3.1. Determinarea nivelurilor de importanță și a ponderii funcțiilor în valoarea de întrebuințare a produsului

Determinarea nivelurilor de importanță a funcțiilor unui obiect este o operațiune relativ simplă, însă necesită cunoașterea profundă a produsului, a condițiilor în care funcționează acesta, a necesităților sociale pe care le satisface, fiind de mare importanță pentru reușita unui studiu de IV. Importanța sau semnificația unei funcții este stabilită de către utilizator prin compararea celor N funcții ale obiectului și consemnarea rezultatului comparării după un anumită convenție numerică. Dintre procedeele folosite pentru determinarea importanței funcțiilor sunt prezentate în continuare următoarele:

Procedeul ordonării directe.( fiecărei funcții i se atribuie o notă (Wj) cuprinsă între unu și numărul total de funcții (N), în raport cu importanță sau „valoarea” fiecăreia (tabelul 1)

Tabelul 1

Procedeul comparării funcțiilor două câte două.

Se construiește o matrice pătrată, tabelul 2, în care funcțiile principale și necesare se înscriu atât pe prima linie (notație Fj), cât și pe prima coloană (notație Fk). Se compară funcția Fj cu funcția Fk și dacă se apreciază că funcția Fj este mai importantă decât funcția Fk (Fj>Fk) căsuța kj se va completa cu cifra unu (akj=1), iar căsuța simetrică față de diagonala principală se va completa cu cifra zero (ajk=0).

Nivelul de importanță a funcției Fj va fi iar ponderea funcției Fj în valoarea de întrebuințare a produsului se calculează cu relația următoare:

Tabelul 2

2.3.2. Dimensionarea tehnică a funcțiilor

Orice funcție obiectiv măsurabilă are cel puțin o caracteristică de calitate cu ajutorul căreia se poate aprecia utilitatea acesteia. Dar între această caracteristică și utilitatea funcției nu există în mod necesar o relație liniară.

Dacă unitatea de măsură a caracteristicii de calitate este aleasă în mod convenabil, astfel încât utilitatea să crească o dată cu creșterea mărimii caracteristicii (pe care o numim dimensiune tehnică), între cele două mărimi există o corelație de tipul celei din fig. 2.1.

Această corelație conține 3 zone specifice:

– zona inutilă, corespunzătoare unei dimensiuni tehnice:

În această zonă utilitatea funcției este atât de mică încât nu-l satisface pe cumpărător, acesta neacceptând produsul.

b. – zona utilă, corespunzătoare intervalului:

c. – zona de supradimensionare tehnică corespunzătoare domeniului:

Creșterea dimensiunii tehnice nu mai are semnificație pentru utilizator, acesta nefiind dispus să mai plătească pentru dimensiuni superioare lui xmax.

uj

2.4. Dimensionarea economică

În acest capitol vom analiza produsul din punctul de vedere al producătorului, răspunzând la întrebări de genul: Ce mijloace sau resurse se consumă pentru realizarea produsului și a funcțiilor sale? Cât costă produsul și funcțiile sale?

2.4.1. Costul de producție: noțiune; clasificare; structură

Costul de producție reprezintă:

”Totalitatea cheltuielilor ocazionate de producerea unor bunuri sau servicii de către o unitate economică”.

”Sumă de bani cheltuită pentru producerea sau cumpărarea unui bun, efectuarea unei lucrări, prestarea unui serviciu etc”.

“Ansamblu de cheltuieli incomparabile, care corespund, fie unui calcul privind o funcție sau o parte a întreprinderii, fie unui calcul privind un obiect, o prestare de servicii, un grup de obiecte sau prestare de servicii la un stadiu, altul decât cel final sau un consum de mijloace, orientat spre un scop economic determinat » .

Considerăm că o definiție acceptabilă este următoarea: costul de producție reprezintă totalitatea consumurilor de resurse necesare la un anumit nivel (atelier, secție, întreprindere) pentru realizarea unui produs sau a unei activități.

Tipologia costurilor de producție

2.4.2. Dimensionarea economică a funcțiilor și calcul ponderilor funcțiilor în costul de producție

Dimensionarea economică a funcțiilor reprezintă operațiunea prin care se determină costul fiecărei funcții. Ea necesită o foarte bună cunoaștere a soluției constructiv-funcționale a produsului, a tehnicilor de ingineria valorii și o muncă foarte intensă. Se stabilește costul și ponderea în cost a fiecărei funcții pornind de la diagrama de relații dintre repere/operații și funcții

În ingineria valorii, evaluările cantitative și calitative au ca punct de plecare costurile funcțiilor pe baza următoarelor argumente:

a) Privind un produs doar ca un corp fizic, costul său poate fi considerat, într-o primă instanță, complet justificat dacă analizăm numai complexitatea constructivă și calitatea materialelor folosite. Astfel, costul unui produs exprimă doar ce și cât s-a consumat, nu și ceea ce s-a obținut.

b) În ingineria valorii, produsul nu este definit doar ca un ansamblu de componente materiale (piese, subansamble ), ci în primul rând ca un ansamblu de utilități, determinate de relațiile dintre obiect, utilizator și mediu. De aceea, cheltuielile vor fi evaluate în raport cu serviciile pe care utilizatorul le obține de la produs, costurile funcțiilor exprimând mult mai clar legătura dintre efortul economic și efectul economic.

Pentru a realiza dimensionarea economică a funcțiilor, trebuie să subliniem următoarele noțiuni de bază, cu referire la un produs:

– funcția este determinată (materializată), de o parte a obiectului studiat, de una sau mai multe piese luate integral sau parțial;

– fiecare piesă Ri are un cost (ci), format din următoarele articole de cheltuieli:

unde:

cm – cheltuieli materiale; Si – cheltuieli cu salariile (munca directă):

sik – cheltuieli cu salariile (munca directă) pentru fiecare operație tehnologică „k”; ui – cheltuieli generale de secție:

d – cheia de repartiție a cheltuielilor generale de secție pentru piesa „i”;

n – numărul total de piese (i=1…n); K – numărul de operații tehnologice.

În raport cu posibilitățile pe care le avem de a cunoaște aceste componentele ale costului, de timpul disponibil pentru efectuarea studiului și de interesul manifestat pentru aprofundare, dimensionarea economică a funcțiilor poate fi realizată global sau detaliat, parcurgând următoarele etape, cu exemplificare pentru un produs:

a) Elaborarea diagramei de relații dintre piese și funcții și dintre operații tehnologice și funcții.

b) Stabilirea ponderilor de participare a fiecărei piese Ri la funcțiile Fj, respectiv, a fiecărei operații tehnologice (k) la funcția Fj.

c) Repartizarea cheltuielilor materiale și de manoperă ale pieselor pe fiecare funcție.

d) Calculul costurilor și a ponderilor funcțiilor în costul total al produsului

Concluzii preliminare

Scopul dimensionării economice este de a determina costul fiecărei funcții și ponderea ei în costul produsului. În plus, această etapă ne oferă și primele soluții de micșorare a costului produsului, prin identificarea costurilor funcțiilor inutile și a cheltuielilor nejustificate. Aceste categorii de cheltuieli vor putea fi eliminate, realizând astfel primul pas pentru ameliorarea produsului.

2.5. Analiza sistemică funcțiilor: obiectiv; cadru metodologic general

Obiectivul analizei sistemice a funcțiilor este identificarea funcțiilor critice/supradimensionate din punct de vedere economic, adică a funcțiilor ale căror costuri sunt mult mai mari decât valoarea lor de întrebuințare.

Pentru atingerea acestui obiectiv, se compară pentru fiecare funcție cele două categorii de ponderi determinate la etapele anterioare: ponderea în valoarea de întrebuințare (qj) cu ponderea în costul de producție (pj).

La un produs ideal, conceput, proiectat și realizat perfect funcțiile vor fi localizate pe o dreaptă (1) înclinată la 45,iar ierarhizarea funcțiilor după ponderile lor în valoarea de întrebuințare să coincidă cu ierarhizarea după ponderile lor în costul de producție, respectându-se astfel o condiție fundamentală specifică ingineriei valorii care arată perfecta proporționalitate între cele două categorii de ponderi, exprimată de relația următoare:

unde a = 1.

La un produs real, funcțiile sale pot fi localizate în planul qjOpj atât pe o dreaptă de regresie (2), cât și în vecinătatea ei, dreaptă care nu va mai fi înclinată la 45o

Prin intermediul unei astfel de reprezentări grafice putem evalua în ce măsură există disproporții între costurile funcțiilor și contribuția lor la valoarea produsului.

Funcțiile care se gǎsesc deasupra dreptei de regresie se numesc funcții supradimensionate iar cele care se gǎsesc dedesuptul dreptei de regresie se numesc funcții subdimensionate .

, unde a – este panta dreptei de regresie ;

a= ;

Se calculează suma "S" a disproporțiilor și raportul utilitate/cost

s=unde s – reprezintǎ suma abaterilor pǎtratice ale punctelor reale fațǎ de cele teoretice ( situate pe dreapta de regresie idealǎ ) .

2.6. Conceperea și reconceperea produsului

2.6.1. Metode de creativitate aplicate în ingineria valorii

Ingineria valorii permite stabilirea direcțiilor de cercetare pentru perfecționarea obiectului studiat (produs, proces tehnologic, metodă de muncă etc.), moment din care începe actul creativ, iar pentru aceasta trebuie să facem apel la metode de creativitate consacrate care reprezintǎ de fapt o continuare a metodologiei ingineriei valorii. În general, rezultate remarcabile se înregistrează atunci când pentru rezolvarea aceleiași probleme se folosesc mai multe metode.

Metoda Brainstorming

„Asaltul de idei” sau "furtuna crierului", își propune crearea condițiilor de a stimula creativitatea unui colectiv de specialiști solicitați să participe la găsirea unei soluții pentru o anumită problemă. Ea se bazează pe rezultatele unor cercetări de psihologie asupra comportamentului individual în raport cu un grup de persoane care dezbat o problemă și urmează să adopte o decizie. Prin conținutul ei, metoda urmărește eliberarea fiecărui participant la dezbatere de inhibiție, înlăturând teama de a greși și de a se pune astfel într-o lumină defavorabilă față de membrii grupului.

Aplicarea metodei comportă următoarele etape:

Pregătirea reuniunii, care constă în stabilirea subiectului și selectarea participanților.

Desfășurarea reuniunii, în care pentru început, liderul reuniunii va prezenta subiectul foarte clar și succint.

Pentru reușita reuniunii trebuie asigurat un climat favorabil, degajat, lipsit de rigiditate ( ziua și ora la care se organizează brainstorming-ul trebuie să fie astfel alese încât participanții să nu fie obosiți sau sub influența unor evenimente care să le afecteze buna dispoziție) .

c) Selecția ideii/ideilor aplicabil, ce se derulează după terminarea reuniunii, de către una sau mai multe persoane care vor aprecia efectele economice și vor preciza și mijloacele de aplicare a soluției.

În numeroase studii de AIV, prin brainstorming s-a stabilit, lista funcțiilor și dimensionarea economică a acestora .

Metoda Pareto

Metoda mai este întâlnită sub denumirea de 20/80 sau ABC. Constă în ordonarea cauzelor unui fenomen în trei grupe, în funcție de influența pe care o au asupra fenomenului :

A – cauze relevante, care reprezintă un procent de până la 20 %, dar care generează peste 70 – 80 % din efecte ;

B – cauze medii, care reprezintă 10 – 20 % și au o influență de 10 – 20 % asupra efectelor ,

C – cauze irelevante, în procent de aproximativ 70 %, care generează doar 10 – 20 % din efect.

Metoda Pareto este o metodă de eficientizare a cercetării, prin care se selectează cauzele relevante ale unui fenomen. În ingineria valorii metoda este deosebit de importantă, cel puțin în următoarele direcții :

– dintre funcțiile unui produs, doar primele două/trei, sub aspectul supradimensionării economice merită o atenție specială, pentru a obține un rezultat important ;

– un produs este format din multe repere și operații, dar nu toate au o contribuție egală la formarea prețului. Selectarea celor relevante duce la o economie substanțială de timp pentru rezolvarea problemei. Metoda este exemplificată în figura de mai jos .

C Efecte

B

A

Cauze

Metoda Pareto

Metoda analizei (cercetării) morfologice

Metoda morfologică a fost elaborată de către dr. Friz Zwicky (1942) de la California Institute of Technology și constă în obținerea și analiza unui număr foarte mare de obiecte prin combinarea elementelor constitutive ale acestora .

2.7. Aplicarea conceptelor AIV în evaluarea soluțiilor

În urma reconceperii produsului se obțin una sau mai multe soluții noi. Se pune problema determinării soluției mai bune, prin prisma conceptelor ingineriei valorii.

Conform principiului proporționalității, soluțiile constructive trebuie să conducă la o sumă cât mai mică a disproporțiilor :

S = ( pj – bqj)2 min .

Conform principiului maximizării raportului dintre utilitate și cost, soluțiile trebuie să conducă la o sumă cât mai mare a raportului U/C :

R = U / C = max.

Mărirea acestui raport poate fi realizată, din punct de vedere matematic, în cinci moduri distincte :

creșterea numărătorului mai mult decât a numitorului ;

creșterea numărătorului și păstrarea constantă a numitorului ,

creșterea numărătorului și micșorarea numitorului ,

păstrarea constantă a numărătorului și micșorarea numitorului ,

micșorarea numitorului, mai repede decât a numărătorului.

Dacă ne imaginăm că aceste acțiuni se aplică unei funcții supradimensionate din punct de vedere economic, aceste soluții sunt exemplificate în figura :

pj 1

Fn 2 pj = b.qj

3

4

5

qj

Soluții de reconcepere a produsului:

Din punct de vedere tehnic, cele cinci soluții prezentate mai sus constau în următoarele :

Creșterea utilității (valorii de întrebuințare sau performanței) mai repede decât a costului. Este vorba despre soluții ale progresului tehnic, când crește performanța, firește, odată cu creșterea costului.

Creșterea utilității și păstrarea constantă a costului. Această soluție este valabilă din punct de vedere tehnic doar întâmplător, când, din jocul rezultatelor, o creștere de costuri coroborată cu o reducere conduce la egalitate finală.

Creșterea utilității concomitent cu reducerea costului funcției.

Menținerea utilității și scăderea costului. Este soluția prin care se reduc supradimensionările tehnice, fără a se diminua utilitatea funcției.

Reducerea utilității mai încet decât a costului este soluția prin care L .D.Milles a descoperit metoda. Reducerea costului prin folosirea unor înlocuitori este benefică dacă nu conduce la o reducere în aceeași măsură, a utilității.

Pe baza acestor două principii se poate realiza un algoritm de evaluare a soluțiilor, propriu ingineriei valorii, potrivit căruia, o soluție este mai bună decât alta, dacă raportul utilitate / cost este mai mare și valoare S este mai mică. În cazul în care prima condiție este îndeplinită și a doua nu, soluția cu raportul maxim U/C este mai bună, dar mai poate fi îmbunătățită.

Evaluarea soluțiilor constructive ale unui produs presupune, în afara acestor metode, utilizarea analizei multicriteriale și aprecierea eficienței economice a acțiunii de modificare a soluției inițiale, care necesită un efort investițional și care trebuie recuperat din efectele modernizării produsului, materializate în economii la costuri sau în profituri suplimentare.

2.8. Analiza multicriterială

Elaborarea alternativelor reprezintă o etapă importantă în procesul decizional prin faptul că alegerea soluției optime presupune cunoașterea tuturor soluțiilor posibile.

Se cunosc mai multe metode de evaluarea a soluțiilor și anume:

-metoda utilităților

-metoda rangurilor

-metoda punctajelor

-metoda Electra

Metoda utilităților

Newman și Morgenstern au definit utilitatea ca fiind gradul de satisfacere a unei cerințe. Se notează cu Xj valoarea consecinței celei mai avantajoase alternative pentru criteriul Cj și cu Yj valoarea consecinței celei mai dezavantajoase, utilitatea alternativei obținându-se cu relația:

Uij = (aij – Yj)/ ( Xj – Yj)

În felul acesta alternativa cea mai avantajoasă primește utilitatea 1, în timp ce alternativa cea mai dezavantajoasă primește utilitatea 0, restul alternativelor având utilități subunitare.

Cea mai simplă metodă de decizie este sumarea utilităților:

Ui = ∑ uij

Valoarea maximă a lui Ui indică soluția problemei.

Metoda rangurilor.

Se atribuie fiecărei alternative un număr care reprezintă ordinea sau ierarhia alternativei, pentru fiecare criteriu: 1 pentru alternativa de pe locul I, 2 pentru alternativa de pe locul II, …, n pentru ultima alternativă . Notând cu rij rangul alternativei Ai din punct de vedere al criteriului Cj, prin suma simplă sau ponderată a acestora se obține ierarhia:

Ri = ∑rij

Ri = ∑ kj x rij

În ambele situații valoarea minimă indică alternativa optimă.

Metoda Electra

Principiul metodei are la bază ideea că fiecare alternativă este în competiție cu fiecare și alegerea unei alternative trebuie să se facă numai în cazul în care aceasta este mai bună decât toate celelalte.

Metoda introduce noțiunea de concordanță și discordanță față de supremația unei alternative în raport cu cealaltă.

Indicatorul de concordanță al unei alternative Ag în raport cu altă alternativă Ah reprezintă ponderea criteriilor favorabile alternativei Ag în raport cu Ah în totalul criteriilor. Matematic aceasta se exprimă prin relația:

Cgh = ∑kj(pentru AgPAh)/ ∑kj

Indicatorul de discordanță al alternativei Ag în raport cu Ah reprezintă dezavantajul maxim al primei alternative față de cea de-a doua. Dacă matricea conține utilități, indicatorul de discordanță se calculează cu relația:

Dgh = [ max(uhj – ugi) pentru uhj>=ugi; 0 în rest]

Alternativa cu cele mai mici dezavantaje, deci discordanțe, va fi cea mai bună.

Cap. 3. Aplicarea conceptelor A.I.V. – cazul motorului de curent continuu

ETAPA I : Informarea . Stabilirea functiilor .

Informarea pe plan social :

Pentru cunoașterea și înțelegerea modului de funcționare, precum și pentru deprinderea principiilor Analizei și Ingineriei Valorii, vom studia produsul “ motor de curent continuu” . În continuare vom prezenta caracteristici tehnice, precum și analizarea produsului, deoarece orice utilizator va dori să afle cât mai multe despre funcționarea lui.

Tema acestui proiect o reprezintă conceperea și reconceperea unui motor de curent continuu .

Motorul de curent continuu are o arie largǎ de utilizare și este destinat în :

– acționǎrile principale și auxiliare ale mașinilor unelte ;

– la mașinile de ridicat și transportat ;

– în tracțiunea electricǎ urbanǎ și feroviarǎ ( la tramvaie , troleibuze , locomotive electrice , etc. )

– în metalurgie pentru acționarea laminoarelor ;

– și , în general , în acționǎrile în care este necesar un reglaj larg și continuu de vitezǎ .

Utilizarea motorului de curent continuu a fost puternic impulsionatǎ în stadiul actual și de dezvoltarea tehnicii semiconductoarelor , deoarece acestea permit construirea unor surse de curent continuu de putere adecvatǎ , cu tensiune reglabilǎ în limite largi .

Elementele componente ale motorului de curent continuu sunt :

– inductorul sau statorul ( partea fixǎ ) care cuprinde :

– carcasa

– poli principali și auxiliari

– piese de strângere

– înfǎșurare statoricǎ

– perii

– indusul sau rotorul ( partea mobilǎ ) care cuprinde :

– miez feromagnetic

– axul

– înfǎsurarea rotoricǎ

– colectorul

Funcționarea motorului de curent continuu este definitǎ de caracteristici de pornire , funcționare , frânare , reglare a turației , etc.

Informarea pe plan tehnic :

Caracteristicile tehnice ale motorului de curent continuu cu uz general (destinate diverselor acționãri industriale, mașini-unelte, pompe, ventilatoare, antrenarea generatoarelor):

domeniul de puteri nominale este cuprins între 0.3 – 0.8 – …… 110 KW ;

alimentarea se face cu surse clasice sau cu tiristoare ;

tensiunea nominalǎ cuprinsǎ între : 24 – 110 – 220 ;

gradul de protecție : IP21 , IP23 , IP44 , IP54 ;

mod de rǎcire : ICO1, ICO4 ;

tip de excitație : independentǎ , derivație , mixtǎ ;

forma constructicvǎ : B3 , B5 , V1 la cerere .

serviciul de functionare continuu S1

Informarea pe plan economic :

Pentru produsul Motor de curent continuu , supus analizei am considerat următoarele repere al căror cost estimativ este prezentat în tabelul 3.1 . Țabelul 3.1

ETAPA II : Dimensionarea tehnicǎ a funcțiilor

2.1Stabilirea nomenclatorului de functii :

Funcția reprezintă primul răspuns la cererea utilizatorului.

În mod normal, funcțiile produsului reprezintă însușirea elementară, care conferă în mod direct sau indirect utilitate și valoare produsului.

Pentru conceperea produsului este necesară găsirea principalelor funcții ale produsului, pe care utilizatorul trebuie să le regăsească în produs .

Pentru stabilirea funcțiilor s-a întocmit urmǎtorul chestionar :

Stimate(ǎ) domnule/doamnǎ , cunoscând preocupǎrile dumneavoastrǎ în domeniul acționǎrilor electrice , vǎ rugǎm sǎ rǎspundeți la urmǎtoarele întrebǎri :

A .Care sunt în opinia dumneavoastrǎ cerințele calitative care trebuie sǎ le satisfacǎ un motor de curent continuu ?

B. Care sunt principalele caracteristici care realizeazǎ aceste cerințe ?

C .Este motorul de curent continuu preferat celui de curent alternativ ?De ce?

D. Care sunt avantajele folosirii motorului de curent continuu ?

Aceste informatii ne sunt utile pentru un studiu de Analiza și Ingineria Valorii .

1.Este fiabil (ani) .

2. Este mentenabil (ore) .

3. Transformǎ puterea electricǎ în putere mecanicǎ .

4.Asigurǎ transmiterea unui cuplu.

5 .Este etanș (fǎrǎ pierderi de fluide ).

6. Este compact ().

7. Asigurǎ electrosecuritatea utilizatorului .

8. Este estetic .

9.Este ergonomic .

10. Asigurǎ un nivel redus de poluare .

11. Asigurǎ izolație antivibratorie .

12.Dezvoltǎ putere (CP)

2.2.Determinarea utilitaților intrinseci ale funcțiilor

F1 : Este fiabil :

Aceastǎ etapǎ este necesarǎ pentru a stabili gradul în care varianta concretǎ a produsului nostru satisface pretențiile maxime ale utilizatorului pentru fiecare din funcțiile produsului .

Fiabilitatea este aptitudinea unui dispozitiv de a-și îndeplini funcția specificatǎ , în condiții date de-a lungul unei perioade date .

În literatura de specialitate existǎ diverse puncte de vedere în legaturǎ cu aceastǎ noțiune .Astfel fiabilitatea este consideratǎ o caracteristicǎ tehnicǎ de calitate definitǎ ca: probabilitatea ca oricare exemplar din produsul respectiv sǎ îndeplineascǎ funcția pentru care a fost creat fǎrǎ a se defecta , un anumit interval de timp , în anumite condiții de exploatare .Rǎmânând în domeniul normelor românești , principalii indicatori de fiabilitate , care pot fi folosiți pentru aprecierea utilitatii acestei functii sunt :

probabilitatea de funcționare fǎrǎ defect un timp dat T – P (T) ;

durata medie de viațǎ T ;

durata medie de funcționare pânǎ la defct –m ;

rata medie de defectare .

Acești indicatori sunt independenți unii de alții , astfel încât putem alege unul , de obicei durata medie de viațǎ –T .

Considerǎm :

= a * x + b

-durata minimǎ de viațǎ ;

-durata maximǎ de viațǎ ;

-durata de viațǎ consideratǎ de noi pentru acest sistem .

u(3)=03a +b=0

a=1/7 ; b=-3/7 =0.42

u(10)=110a+b=1

F2.Este mentenabil .

Mentenabilitatea este aptitudinea unui dispozitiv de a fi menținut sau restabilit în stare de a-și îndeplini funcția specificatǎ , atunci când mentenanța se efectueazǎ în condiții date , cu procedee și remedii prescrise .

Principalul indicator de apreciere a mentenabilitǎtii este timpul mediu de mentenanțǎ sau de reparații –Trep .

În acest caz , relația dintre utilitatea funcției F2 și timpul mediu de mentenanțǎ este :

; unde si sunt timpul minim , respectiv timpul mediu de mentenanțǎ sau de reparații pentru produsul analizat .

considerǎm numǎrul de reparații cuprins între 0-3.

= a * x + b

– numǎrul mediu de reparații

3. Transformǎ puterea electricǎ în putere mecanicǎ .

Motorul de curent continuu primește putere electricǎ pe la borne și cedeazǎ putere mecanicǎ la arbore .

Pentru aceastǎ funcție considerǎm utilitatea maximǎ .

=1

4.Asigurǎ transmiterea unui cuplu.

Considerǎm :

= a * x + b

-cuplul minim transmis ;

-cuplul maxim transmis ;

-cuplul mediu considerat pentru acest sistem .

u(30)=030a +b=0

a=1/50 ; b=-0.6 =0.4

u(80)=180a+b=1

5 .Este etanș (fǎrǎ pierderi de fluide ) .

Funcția poate fi apreciată prin cantitatea de lichid care se pierde datorită etanșării imperfecte .Apreciem că pentru aparatul analizat

= 1

6. Este compact (volum – ).

125

45000

15000

= a * x + b

-volumul minim ;

-volumul maxim ;

-volumul mediu considerat pentru acest sistem .

u(125)=0125a +b=0

a=1/44875 ; b=-0.002785=0.34

u(45000)=145000a+b=1

7. Asigurǎ electrosecuritatea utilizatorului .

50 MΏ;

150 MΏ;

= 100 MΏ;

= ( 100 – 50 ) / ( 150 – 50 ) = 50 / 100 = 0,5;

la o valoare mai mică nu asigură electrosecuritatea utilizatorului ;

valoare la care este asigurată electrosecuritatea utilizatorului;

8. Este estetic (note )

=

5

10

8

= ( 8 – 5 ) / ( 10 – 5 ) = 3 / 5 = 0,6;

apreciem gradul de înfrumusețare al produsului în jurul notei 8. La notă mai mică se consideră că produsul nu mai are nici o valoare;

reprezintă calificativul pentru un produs excelent din punct de vedere al esteticului;

9.Este ergonomic ( note )

=

5

10

7

= ( 7 – 5 ) / ( 10 – 5 ) = 2 / 5 = 0,4;

10. Asigurǎ un nivel redus de poluare .

Din lipsǎ de informatii considerǎm =1

11. Asigurǎ izolație antivibratorie .

Nu produce vibratii : =1

12.Dezvoltǎ putere (CP)

8CP

500 CP

300 CP

= a * x + b

u(8)=08a +b=0

a=1/492 ; b=-0.6=0.58

u(500)=1500a+b=1

Stabilirea importanței reletive a funcțiilor

CHESTIONAR

Stimate(ǎ) domnule/doamnǎ , cunoscând preocupǎrile dumneavoastrǎ în domeniul acționǎrilor electrice , vǎ rugǎm sǎ rǎspundeți la urmǎtoarele întrebǎri :

Ce vârstă aveți?

Până în 25 de ani

Între 25 și 35 de ani

Între 35 și 50 de ani

Peste 50 de ani

Ce profesie aveți?

3.Care sunt în opinia dumneavoastrǎ cerințele calitative care trebuie sǎ le satisfacǎ un motor de curent continuu ?

F1 – Să fie fiabil

F2 – Să fie mentenabil

F3 -Transformǎ puterea electricǎ în putere mecanicǎ .

F4.Asigurǎ transmiterea unui cuplu.

F5 .Este etanș (fǎrǎ pierderi de fluide ).

F6. Este compact ().

F7. Asigurǎ electrosecuritatea utilizatorului .

F8. Este estetic .

F9.Este ergonomic .

F10. Asigurǎ un nivel redus de poluare .

F11. Asigurǎ izolație antivibratorie .

F12 – Dezvoltǎ putere (CP)

4.Considerați că parametrii calitativi enumerați sunt reprezentativi pentru produsul nostru?

Da

Nu

5.Pentru d-voastră prețul reflectă calitatea produsului?

Da

Nu

6.Care este importanța relativă a funcțiilor produsului într-o grilă de maxim 100 de puncte? (se poate acorda același punctaj pentru mai multe funcții)

F1 F2

F3 F4

F5 F6

F7 F8

F9 F10

F11 F12

Vă mulțumim pentru colaborare. Aceste informatii ne sunt utile pentru un studiu de Analiza și Ingineria Valorii .

Pentru noi cuvântul d-voastră contează foarte mult.

Informațiile obținute au fost centralizate în tabelul 2.3.1, unde s-au acordat puncte pânǎ la 100, în funcție de importanța fiecărei funcții .

2.3.Stabilirea importanței relative ( ponderii ) funcțiilor .

Tabelul 2.3.1

Media = Total / Nr de subiecti

Ponderea = Media / Suma obtinuta din totalul mediilor *100

Uj =uj*qj

uj = cele calculate de noi

2.4 : Dimensionarea economicǎ a funcțiilor

Până acum am analizat produsul exclusiv din punct de vedere al utilizatorului. Acum vom analiza produsul din punct de vedere al producătorului ,ce mijloace sau resurse se consumă pentru realizarea produsului și a funcțiilor sale?

Cât costă produsul și funcțiile sale ?

Dimensionarea economică a funcțiilor reprezintă operațiunea prin care se determină costul fiecărei funcții. Ea necesită o foarte bună cunoaștere a soluției constructiv – funcționale a produsului, a tehnicilor de ingineria valorii și o muncă foarte intensă .

Pentru a realiza dimensionarea economică a funcțiilor, trebuie să subliniem următoarele noțiuni de bază, cu referire la un produs :

Etapa III. Analiza sistemică a funcțiilor

Obiectivul analizei sistemice a funcțiilor este identificarea funcțiilor critice/supradimensionate din punct de vedere economic, adică a funcțiilor ale căror costuri sunt mult mai mari decât valoarea lor de întrebuințare.

Functiile care se gǎsesc deasupra dreptei de regresie se numesc funcții supradimensionate iar cele care se gǎsesc dedesuptul dreptei de regresie ții subdimensionate .

, unde a – este panta dreptei de regresie ;

a= ;

Se calculează suma "S" a disproporțiilor și raportul utilitate/cost

s=unde s – reprezintǎ suma abaterilor pǎtratice ale punctelor reale fațǎ de cele teoretice ( situate pe dreapta de regresie idealǎ ) .

3.1Analiza sistemică cu note de la 1-100 ( pentru cost total )

a= =069977

s=/1000= 0.42096

3.2 Analiza sistemică cu note de la 1-11(pentru cost total)

a= ==0.962412

s=/1000= 0.4953

Cloncuzii

În urma analizării funcțiilor pe dreapta de regresie și conform tabelului 3.1, s-au desprins următoarele concluzii :

Întrucât s<0.01 rezultǎ cǎ acest produs nu este echilibrat sub aspectul celor douǎ dimensiuni –tehnicǎ și economicǎ .

Funcțiile produsului sunt împǎrțite în douǎ categorii :

funcții prost dimensionate din punct de vedere economic : > a;

funcții bine dimensionate din punct de vedere economic : < a;

Deci funcțiile

F2 , Este mentenabil (ore) .

F3 , Transformǎ puterea electricǎ în putere mecanicǎ

F4 , Asigurǎ transmiterea unui cuplu.

F6 , Este compact ().

F12 Dezvoltǎ putere (CP) – nu sunt bine dimensionate .

Iar funcțiile :

F1.Este fiabil (ani)

F5.Este etanș (fǎrǎ pierderi de fluide

F7.Asigurǎ electrosecuritatea utilizatorului

F8. Este estetic .

F9.Este ergonomic .

F10. Asigurǎ un nivel redus de poluare .

F11. Asigurǎ izolație antivibratorie sunt bine dimensionate .

ETAPA IV. RECONCEPEREA PRODUSULUI

Funcțiile F2 ,F3 ,F4 ,F6 , F12 sunt prost dimensionate din punct de vedere economic . Din cele cinci căi necesare pentru reconceperea produsului, și anume:

– creșterea utilității (valorii de întrebuințare sau performanței) mai repede decât a costului ;

– creșterea utilității și păstrarea constantă a costului;

– creșterea utilității concomitent cu reducerea costului funcției;

– menținerea utilității și scăderea costului;

– reducerea utilității mai încet decât a costului ,

o vom alege pe cea de-a patra , adică păstrarea performanțele intacte dar reducerea

Pentru aceasta se va relua dimensionarea economică în timp ce dimensionarea tehnică va rămâne aceiași.

3.1Analiza sistemică cu note de la 1-100 ( pentru cost total )

a= ===1.177259

s=/1000= 0.747599

BIBLIOGRAFIE:

1. Adrian Cretu – Electrotehnica si Masini Electrice

2. Simion, Al. – Mașini electrice speciale, Institutul Politehnic Iași, Facultatea de electrotehnică, 1992.

3. Măgureanu, R. – Mașini electrice speciale pentru sisteme automate, Editura Tehnică, București.

4. www.onsemi.com Power Solution From

5. Condurache Gh., Rusu,C. 1998, Interferenta dintre AIV si QFD, in revista Asigurarea calitatii , nr.15,anul IV, iulie-septembrie 1997,pag.24-27. ISSN : 1214 – 5410.

6. Ciobanu,R.M., Condurache Gh. 2001, Ingineria valorii, Editura Tehnica Info, Chisinau, ISBN : 9975 – 63 – 029 – Y

7. http://www.misp.tuiasi.ro/people/condur_ro.html