Modernizare Pod Rulant 20 Tone

CUPRINS

INTRODUCERE

Industria a început să recunoască nevoia de îmbunătățire a calității și creșterea productivității între anii ‘60 – ’70. Flexibilitatea a devenit de asemenea o preocupare majoră (abilitatea de a schimba un proces rapid a devenit foarte importantă în ideea de a satisface nevoile consumatorului).

Încercați să vă imaginați o linie de producție industrială automata în anii ’60 – ’70. Întotdeauna exista un panou electric imens pentru controlul sistemului. În interiorul acestui panou era un număr foarte mare de relee electromecanice interconectate între ele pentru a face întregul sistem să funcționeze. Electricianul trebuia să realizeze toate conexiunile manual, utilizând fire conductoare.

Un inginer trebuia să proiecteze logica sistemului și electricianul primea o schemă de circuit pe care trebuia să o implementeze cu relee. Acesta schemă putea conține sute de relee. Planul după care electricianul se ghida se numea diagrama scară.

Apariția microprocesoarelor și utilizarea acestora în construcția PLC – urilor a dus la dezvoltarea funcționalității acestora odată cu reducerea prețului de cost, îmbunătățindu-se cu această ocazie și gabaritul și consumul de energie necesar unei instalații de automatizare și acționare. Astfel în cazul unor acționări electrice foarte complexe s-a renunțat la folosirea sistemelor de comandă cu relee intermediare și s-a adoptat soluția cu automate programabile.

Avantajele panourilor de automatizare cu automate programabile se pot prezenta în câteva trăsături caracteristice:

În comparație cu un panou de automatizare clasic, numărul necesar de conductoare este redus cu 80%.

Consumul de energie electrică este redus foarte mult, deoarece PLC-ul consumă mult mai puțin decât releele din panoul de automatizare convențional.

Funcția de detectare a erorilor din automatul programabil este foarte rapidă și foarte ușor de utilizat.

Schimbarea secvențelor de operare din cadrul aplicației este diferită de la un proces la alt proces și poate fi făcută foarte ușor înlocuind sau modificând programul scris în automatul programabil cu ajutorul unui PC (aceasta acțiune nu necesită schimbarea conductoarelor sau recablarea panoului de automatizare – așa cum se întâmpla la panourile de automatizare clasice, ci se rezumă doar la interconectarea dispozitivelor necesare la intrarile și/sau ieșirile PLC-ului).

Panourile de automatizare cu PLC necesită puține piese de schimb.

Este mult mai ieftin în comparație cu un sistem de automatizare clasic, deoarece fiind dotat cu un număr relativ mare de intrări – ieșiri, se poate conecta un număr mare de periferice atunci când se dorește realizarea unor funcții complexe.

Repunerea în funcție a unui PLC se face mult mai repede și ușor decât orice releu electromecanic sau de timp.

Dezavantajele utilizării AP-urilor (Automate Programabile) [16]:

utilizarea aplicațiilor fixe: unele aplicații nu au nevoie de automat programabil datorită gradului foarte mic de complexitate neexistând astfel necesitatea achiziționarii unui automat programabil relativ sofisticat;

probleme de mediu de funcționare: în unele medii există temperaturi ridicate sau alte condiții care pot duce la deteriorarea automatelor programabile astfel că acestea sunt greu sau chiar imposibil de utilizat.

PODURI RULANTE – NOȚIUNI INTRODUCTIVE

I.1. Funcționarea și elementele componente ale unui pod rulant

Podul rulant reprezintă un tip particular de macara, la care mecanismul de ridicare se deplasează de-a lungul unei grinzi orizontale, grindă care la rândul ei se deplasează pe 2 șine aflate la o anumită distanță una de cealaltă. De multe ori este plasat într-o hală industrială lungă iar cele 2 șine sunt construite de-a lungul pereților halei. Un pod rulant poate fi dotat cu un sistem monogrindă sau un sistem bigrindă. Cele 2 sisteme pot fi construite din grinzi obișnuite din oțel sau din grinzi cu secțiune în dublu T, conform figurii 1.1.

Fig.1.1. Grindă cu profil dublu T, folosită în construcția podurilor rulante.

Primul pod rulant a fost construit în Germania, în anul 1830 și era acționat cu ajutorul puterii aburului. Domeniul în care acest tip de macara este astăzi cel mai folosit este industria oțelului. În cadrul fiecărui proces de fabricație, până la finalizarea ca produs, oțelul este manevrat prin poduri rulante. Minereul din care se fabrică oțelul este turnat în furnal printr-o macara, oțelul topit este stocat pentru răcire cu ajutorul unui pod rulant. Barele astfel obținute sunt ridicate și încărcate în camioane de asemenea cu aportul unui pod rulant.

Principalele caracteristici tehnico-funcționale ale podurilor rulante sunt:

capacitatea maximă de ridicare;

înălțimea de ridicare;

cursa efectivă a căruciorului sau a electropalanului pe grinda principală;

ecartamentul;

ampatamentul;

tipul electropalanului folosit;

vitezele de lucru pentru deplasarea macaralei, ridicarea sarcinii și deplasarea căruciorului sau electropalanului.

Deplasarea podului este asigurată de 2 boghiuri motrice independente, situate pe una din cele 2 laturi ale centrului de sprijin al șinei.

Celelalte mișcări de ridicare a sarcinii și de deplasare a căruciorului sau palanului sunt asigurate constructiv de acestea. Translația căruciorului sau a electropalanului se efectuează cu ajutorul unui mecanism de translație plasat pe cărucior sau de aceeași parte a grinzii principale, în cazul electropalanelor.

Există diferite tipuri de scheme constructive pentru mecanismele de ridicare a sarcinii montate pe cărucior sau în electropalane. Blocul de role al palanului de ridicare poate fi amplasat pe sau sub căruciorul de sarcină. În prima variantă de montaj, înălțimea de ridicare a sarcinii crește sensibil.

Acționarea podurilor rulante atât pentru depozit cât și pentru montaj este electrică sau electrohidraulică; în consecință poate lucra în zonele sau la obiectivele la care este asigurată alimentarea cu energie electrică.

Fig. 1.2 – Structura de bază a unui pod rulant.

Deoarece marea majoritate a podurilor rulante sunt acționate prin motoare electrice, mecanismul de ridicat al acestora este un electropalan. Electropalanele sunt aparate de ridicat independente, alcătuite dintr-un motor electric, o frână, un reductor cu roți dințate cilindrice, o tobă, un palan factorial (simplu sau geamăn) cu organ flexibil pentru ridicare și un cârlig pentru suspendarea sarcinii.

Electropalanele pot fi:

– fixe;

– mobile.

Electropalanele fixe se pot monta la sol înlocuind troliile, sau pot fi atârnate de grinzi, planșee sau capre speciale. Electropalanele mobile se fixează pe un cărucior care se poate deplasa pe o cale suspendată, astfel că electropalanul poate realiza pe lângă mișcarea de ridicare – coborâre a sarcinii și deplasarea sarcinii în lungul căii de rulare.

Fig. 1.3. Electropalan fix.

Capacitățile de ridicare a palanelor fixe sunt cuprinse între 0,125tf și 5tf, iar pentru cele mobile între 0,125tf și 15tf. Vitezele de ridicare ale electropalanului variază între 3m/min și 15 m/min iar înălțimea de ridicare între 6m și 30m. În figura de mai jos este prezentat un electropalan mobil.

Fig. 1.4. Electropalan mobil.

Motorul electric al electropalanului poate fi introdus în interiorul tobei sau în exterior, pe prelungirea tobei. În prezent se utilizează și electropalane acționate cu câte 2 motoare electrice de curent alternativ cu rotor în scurtcircuit, alimentate prin cablu sau prin troleu dispuse paralel cu calea de rulare. Comanda se poate face de la sol sau dintr-o cabină suspendată de cărucior.

Dacă forța dezvoltată de organul de acționare este aplicată pe o singură ramură a cablului, palanul este “simplu”, iar dacă este aplicată pe două ramuri de cablu atunci palanul se numește “dublu geamăn”. Electropalanul geamăn realizează ridicarea complet verticală, are o stabilitate a sarciniii mai mare și o încărcare uniformă a lagărelor tobei.

I.2. Tipuri constructive de poduri rulante

În funcție de poziționarea căruciorului față de grinda orizontală și în funcție de poziția celor 2 module de translație față de șine se deosebesc următoarele tipuri de poduri rulante:

Pod suspendat cu cărucior suspendat în cazul căruia, cele 2 șine sunt montate pe tavanul halei industriale în care este folosită macaraua, conform figurii 1.5.

Fig. 1.5. Pod suspendat cu cărucior suspendat.

Pod rezemat pe șine, cu cărucior suspendat după cum se poate urmări în figura 1.6. În acest caz, șinele sunt montate pe suporturi speciale montate în pereții halei industriale.

Pod rezemat pe șine cu cărucior rezemat pe grindă , conform figurii 1.7. Acest sistem, poate folosi picioare (coloane) separate de pereții halei pentru susținerea șinelor pe care se deplasează grinda. Căruciorul este plasat pe grinda pe care se deplasează, spre deosebire de cazurile anterioare.

Fig. 1.6. Pod rulant rezemat pe șine, cu cărucior suspendat.

Fig. 1.7. Pod rezemat pe șine cu cărucior rezemat pe grindă.

Podurile rulante se mai pot clasifica și în funcție de numărul grinzilor orizontale de susținere a căruciorului și a eletropalanului.

Fig.1.8. Pod rulant monogrindă.

Pod rulant monogrindă (figura 1.8) la car căruciorul și electropalanul sunt susținute de oe singură grindă.

Pod rulant bigrindă în cazul căruia căruciorul și electropalanul sunt susținute de două grinzi paralele, după cum se poate observa în figura 1.9.

Fig. 1.9. Pod rulant bigrindă.

I.3. Acționarea electrică a podurilor rulante

În prezent, la majoritatea mecanismelor și mașinilor de ridicat unde există posibilitatea alimentării cu energie electrică de la rețea, se folosește acționarea cu motoare electric.

Avantajele acționării electrice a podului rulant sunt:

Randament mare și posibilitatea pornirii în orice moment și în plină sarcină.

Posibilitatea realizării unor frecvențe mari a corectărilor.

Posibilitatea instalării de motoare separate, cu sensuri de rotație reversibile, pentru fiecare mecanism și deci simplificarea schemei cinematice.

Siguranța în funcționare.

Consum redus de energie.

În general, acționarea podurilor rulante se realizează în curent continuu cu tensiunea de 110V, 220V, 440V și 600V sau în curent trifazat de 380V sau 500V și frecvența 50Hz. Pentru alimentarea podurilor transbordoare mari se utilizează tensiuni de 3,6kV și 10kV.

Motoarele electrice folosite pentru acționarea în curent alternativ sunt motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit datorită caracteristicilor externe ale mașinilor, care se pretează foarte bine la funcționarea cu turație variabilă (dacă sunt comandate cu convertoare statice tensiune – frecvență). Cele 2 boghiuri sunt acționate fiecare de câte un motor electric, pentru a elimina riscul dezechilibrării podului rulant în deplasare, iar electropalanul și căruciorul sunt de obicei echipate cu câte un motor electric asincron. Fiecare motor are prevăzut un mecanism de transmisie a mișcării, care este în esență un reductor de turație.

Frânarea se realizează electric: prin injecția de curent continuu în curcuitul statoric al motorului și mecanic , cu ajutorul unor frâne electromagnetice conectate la arborele motorului. Aceste frâne mecanice au mai ales rol de siguranță, deoarece în cazul în care alimentarea instalației este întreruptă, oprirea podului rulant este asigurată de acestea.

Figura 1.10. Electropalan cu frână electromagnetică.

Pentru siguranța funcționării sunt prevăzuți limitatori de cursă la capetele șinei, a grinzii și la capetele cursei de ridicare/coborâre a sarcinii, senzori de proximitate, limitatori de sarcină, etc.

În prezent, pentru acționarea motoarelor electrice ale unui pod rulant se folosesc convertoarele de frecvență, sisteme extrem de performante ce permit o funcționare flexibilă și fiabilă. Cu ajutorul convertoarelor, viteza de mișcare a modulelor podului poate fi modificată în timp real în limite largi.

Sistemul motor asincron – convertor static tensiune – frecvență, se execută în prezent în multe cazuri, ca un sistem monobloc, denumit sistem VSM (Var VSM (Varialbe Speed Motor – motor cu viteză variabilă). Sub aceasta formă, motorul dotat cu convertorul de frecvență se poate folosi la sistemele mobile de acționare cu viteză variabilă, cum este cazul motorului de ridicare. Structura unui sistem VSM este prezentată în figura 1.11.

Fig. 1.11. Motor de ridicare acționat cu convertor de frecvență; 1 – motor; 2,3 – discurile frânei electromagnetice; 4,5 – piulițele de fixare ale sistemului defrânare pe arborele motorului;

6 – scut frontal; 7 – carcasa concertorului; 8 – convertorul static tensiune – frecvență;

9 – cablu de alimentare al sistemului.

Pentru comanda podurilor rulante se utilizează de obicei la tensiuni mici: 24V, 48 V c.c. Se utilizează module de comandă suspendate de cărucior sau module de comandă de la distanță.

Fig. 1.12. Alimentarea podurilor rulante prin sistemul de contacte glisante.

Alimentarea instalațiilor în mișcare se realizează printr-un sistem de șine auxiliare ce sunt montate de-a lungul șinelor de translație a podului rulant. Pe aceste șine auxiliare sunt plasate contacte glisante ce permit alimentarea consumatorilor în mișcare, conform figurii 1.12.

PROIECTAREA INSTALAȚIEI ELECTRICE

II.1. Prezentarea proiectului

Proiectul realizat în prezentarea de față constă în acționarea electrică a unui pod rulant monogrindă (figura cu ajutorul unui PLC Siemens S7-300 și a unui convertor de frecvență Micromaster 420.

Fig. 2.1. Pod rulant monogrindă acționat electric.

Podul rulant se poate pe 3 direcții, pentru fiecare direcție corespunzând unui modul de acționare:

● Modul Pod Rulant – responsabil cu deplasarea pe direcția OX.

● Modulul Cărucior – responsabil cu deplasarea pe direcția OZ.

● Modulul Electropalan – responsabil cu deplasarea pe direcția OY.

Direcțiile de deplasare ale elementelor componente ale podului rulant la care se face referire mai sus, sunt prezentate în figura 2.2.

Fig. 2.2. Direcțiile de deplasare ale elementelor componente ale podului rulant.

Cele 3 module de deplasare sunt acționate cu ajutorul a patru motoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit.

Primul modul este alcătuit din 2 șine paralele, pe care se deplasează 2 module identice pentru mișcarea de translație a podului rulant. Ambele sunt echipate cu câte un motor asincron, un mecanism de transmisie între axul motorului și perechea de roți de tracțiune și 2 perechi de roți ce permit deplasarea pe șină. E necesară plasarea unui motor pe fiecare modul de translație pentru a nu crea dezechilibre în timpul deplasării podului rulant pe cele 2 șine, adică , grinda de suport a căruciorului trebuie să fie mereu, ca poziție, perpendiculară față de cele 2 șine de rulare ale podului.

Cel de-al doilea modul, căruciorul, pe care este montat electropalanul, permite deplasarea electropalanului pe grindă, pe direcția OZ. Este alcătuit dintr-un motor asincron, ce asigură forța de tracțiune, mecanismul de transmisie a motorului și trei perechi de de roți ce permit deplasarea pe grindă, dintre care una este conectată la sistemul de transmisie. O pereche de roți prezintă câte o roată pe fiecare parte a șinei.

Modulul numarul trei, electropalanul, permite manipularea sarcinii și mișcarea pe direcția OY a ansamblului ce constituie podul rulant. Este cel mai important din cele trei module și necesită un sistem de comandă foarte bine pus la punct pentru a evita posibilele accidente. Este compus dintr-un motor asincron, ce asigură cuplul necesar ridicării sarcinii și un sistem de transmisie la care se conectează un tambur. Pe tambur se rulează lanțul cu ajutorul căruia se manevrează sarcina.

La un capăt al lanțului se află sistemul de prindere al sarcinii alcătuit din cârlig și din sistemul de conectare a cârligului cu lanțul. Există de asemenea o cutie de colectare a lanțului.

În figura 2.3, se prezintă vederea laterală a palanului și a căruciorului care permite deplasarea electropalanului pe direcția OZ.

Fig. 2.3. Vedere laterală a căruciorului și electropalanului.

Ansamblul este dotat cu câte un limitator de cursă la ambele extremități ale unei șine. Acționarea mecanică unui astfel de limitator, determinată de contactul direct cu modulul de translație aferent acelei șine, duce la oprirea deplasării în acea direcție. De asemenea la cele 2 extremități ale grinzii există câte un limitator de cursă care determină oprirea căruciorului la capăt de cursă.

Pentru electropalan există un sigur limitator de cursă, plasat la capătul superior al cursei mecanismului de ridicare, și care acționat oprește sarcina la cel puțin 200mm sub elementul de construcție de care organul de prindere s-ar lovi.

La ambele extremități ale unei șine de translație și la ambele extremități ale grinzii pe care se deplasează căruciorul, la o distanță de 1 metru de capătul de cursă, există câte un senzor de proximitate inductiv folosit pentru a limita balansul sarcinii și regimul de frână al motoarelor.

Senzorii de proximitate sunt utilizați pentru detecția fără contact a obiectelor metalice. Principiul lor de funcționare este bazat pe o bobină și un oscilator ce creează un câmp electromagnetic de o anumită frecvență și amplitudine în apropierea suprafeței senzoriale. Prezența unui obiect metalic în zona de sensibilitate a aparatului cauzează o atenuare a oscilației. Modificările în amplitudinea oscilațiilor sunt determinate de un circuit de prag ce la rândul lui modifică valoarea semnalului de ieșire al senzorului. Distanța de operare a senzorului depinde de forma și dimensiunile obiectului ce trebuie detectat (actuatorului) și este legată strict de natura materialului din care acesta este realizat.

Fig. 2.4. Structura unui senzor inductiv de proximitate.

La conexiunea dintre lanț și cârlig se plasează un senzor de sarcină, ce măsoară masa sarcinii manevrate. Cu ajutorul acestui senzor se poate realiza protecția la suprasarcină, atunci

când se depășește sarcina maximă admisă, conform figurii 2.5.

Fig. 2.5. Senzori și limitatori de sarcină.

Pentru fiecare din motoarele asincrone ce deservesc primele 2 module de acționare și pentru unul din motoarele folosite pentru mișcarea de translație pe șină, se folosesc frâne electromagnetice atașate. Aceste frâne au în componența lor un disc de fricțiune ce este conectat la axul motorului. Acest disc se află între 2 plăcuțe metalice, una din ele fixă iar cealaltă mobilă, actionată printr-un resort. Un electromagnet este activat cand frâna este alimentată la tensiunea nominală și, datorită câmpului electromagnetic creat, un resort este comprimat sub acțiunea forțelor electromagnetice. Astfel plăcuța mobilă nu exercită nici un fel de presiune asupra discului iar axul motorului este liber să-și continue mișcarea de rotație. În figura 2.6 este prezentată frâna electromagnetică în cele două etape de functionare ale sale.

a) b)

Fig. 2.6. Funcționarea frânei electromagnetice: c) – frână alimentată;

b) – frână nealimentată.

Atunci când frâna nu mai este alimentată cu tensiunea nominală resortul nu mai este comprimat iar plăcuța mobilă reaplică presiunea asupra discului de fricțiune, blocând astfel arborele motorului.

Viteza de deplasare a celor 3 module se stabilește printr-un singur convertor de frecvență Micromaster 420, la fel și direcția de deplasare a modulelor. Comanda instalației: oprire/pornire motoare, schimbare sens, modificarea vitezei de mișcare/ridicare, alimentarea frânelor electromagnetice și semnalizarea se realizează cu ajutorul unui automat programabil Siemens PLC S7 300.

Datele de intrare pentru aceast proiect sunt:

– Sarcina maximă admisibilă: SE = 1000kgf.

– Viteza de ridicare maximă: vrMAX = 8m/min.

– Înălțimea de ridicare: H=3m.

II.2. Alegerea motoarelor electrice de acționare

II.2.1. Motorul asincron – noțiuni teoretice

Motoarele asincrone sunt cele mai des folosite motoare pentru controlul mișcării în industrie, dar și în majoritatea aplicațiilor domestice. Simple și robuste, costuri reduse de fabricare și întreținere și conectarea directă la o sursă de tensiune alternativă – acestea sunt avantajele principale ale motoarelor asincrone.

Principalele elemente constructive ale unei masini asincrone sunt prezentate în figura

Fig.2.7. Componentele unei mașini asincrone cu rotorul în scurtcircuit: 1) – statorul;

2) – rotorul; 3) – înfășurarea statorică; 4) – înfășurarea rotorică (în colivie);

5) – arbore (ax); 6) – lagăr cu rulment; 7) – carcasă; 8) – ventilator.

Principiul de funcționare al mașinii asincrone este prezentat mai departe, în acest paragraf. Considerăm o mașină asincronă trifazată funcționând în regim de motor. Înfășurarea statorică este formată din trei înfășurări monofazate identice (având același număr de spire și fiind repartizate în același număr de crestături), cu axele magnetice decalate la 2π/3 radiani în spațiu. Distribuția spațială a înfășurărilor care compun înfășurarea trifazată se consideră a fi aproximativ sinusoidală. Prin alimentarea înfășurării trifazate cu un sistem sinusoidal simetric de tensiuni de frecvență f1, în mașină va lua naștere un câmp magnetic învârtitor circular, de inducție B, care se rotește în întrefier cu viteza unghiulară Ω1.

Dacă rotorul este în repaus, acest câmp va induce în fazele înfășurării rotorice, conform legii inducției electromagnetice, tensiuni electromotoare de frecvență f1 și amplitudine proporțională cu numărul de spire al înfășurării de fază statorice.

În cazul în care înfășurarea rotorică este scurtcircuitată sau se conectează pe o impedanță trifazată simetrică, aceste tensiuni electromotoare vor determina apariția unor curenți rotorici induși. Prin interacțiunea dintre câmpului magnetic prodsus de stator și acești curenți induși vor lua naștere forțe electromagnetice F care se vor exercita asupra fiecărui conductor rotoric în parte [17].

Acestor forțe le corespunde un cuplu electromagnetic M, obținut prin însumarea tuturor cuplurilor determinate de forțele ce acționează asupra conductoarelor rotorice, cuplu care determină punerea în mișcare a rotorului, cu turația n, în același sens cu sensul de rotație al câmpului magnetic inductor statoric.

Viteza câmpului magnetic rotitor se numește viteză de sincronism:

(2.1)

În relația de mai sus, p este numărul de perechi de poli ai mașinii (de exemplu, pentru o mașină cu patru poli, p = 2).

Diferența relativă dintre viteza de sincronism Ω1 și viteza unghiulară a rotorului Ω (care corespunde turației n), poartă numele de alunecare:

(2.2.)

Viteza câmpului magneric învârtitor față de rotor va avea expresia:

(2.3)

Aproape 90 % din motoarele asincrone folosite în acționările industriale sunt construite cu rotorul în scurtcircuit și nu cu rotorul bobinat. Principalul avantaj al acestui tip constructiv este acela că elimină periile colectoare și colectorul, sistem care crește prețul de cost al mașinii și al operațiilor de întreținere.

Ca orice altă mașină electrică rotativă, mașina asincronă poate funcționa în trei regimuri:

– regim de motor (convertor electro – mecanic de energie);

– regim de generator (convertor mecano – electric de energie);

regim de frână electromagnetică (primește energie electrică pe la borne, energie mecanică pe la arbore și transformă întreaga energie primită în căldură).

În regim de motor mașina absoarbe putere electrică din retea, pe la bornele înfășurării statorice, și furnizează, la arbore, putere mecanică. Acesta este cel mai utilizat regim de funcționare al mașinii asincrone. Viteza rotorului, în acest caz, este mai mică decât viteza de sincronism (0 < Ω < Ω1, 0 < s < 1).

Sensurile mărimilor ce definesc funcționarea mașinii asincrone în regom de motor electric sunt ilustrate în figura 2.8

Fig. 2.8. Regimul de motor al mașinii asincrone.

Dacă mașina este antrenată din exterior, cu ajutorul unui motor auxiliar, în sensul de mișcare al câmpului magnetic din întrefier cu o viteza Ω > Ω1 (s < 0 ), se schimbă sensul de deplasare al rotorului față de câmpul magnetic inductor statoric B. Prin urmare se va schimba și sensul tensiunii electromotoare induse, respectiv al curentului indus, și, implicit, al cuplului electromagnetic generat de mașină. În această situație mașina primește putere mecanică pe la arbore (de la motorul auxiliar) și cedează putere electrică pe la bornele înfășurării statorice.

Se spune că mașina funcționează în regim de generator (figura 2.9).

Fig. 2.9. Regimul de generator al mașinii asincrone.

În cazul regimului de frână electromagnetică, mașina este antrenată, din exterior, în sens contrar câmpului statoric (Ω < 0, s > 1). Ea primește astfel putere mecanică pe la arbore, putere electrică pe la bornele înfășurării statorice, întreaga putere rezultată, după acoperirea pierderilor, fiind disipată pe înfășurări. Principiul de funcționare al mașinii asincrone în regim de frână electromagnetică este ilustrat în figura 2.10.

Fig. 2.10. Regimul de frână electromagnetică al mașinii asincrone

Procedeele de reglare a vitezei motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit rezultă din expresia vitezei rotorice:

(2.4)

Conform relației de mai sus, posibilitătile de modificare a vitezei unui motor asincron cu rotorul în scurtcircuit, constau în:

modificarea frecvenței tensiunii de alimentare f1;

modificarea numărului de poli 2p ai mașinii (cea mai cunoscută și utilizată fiind metoda Dahlander).

Fig. 2.11. Caracteristica mecanică naturală a mașinii asincrone.

Caracteristica mecanică a mașinii asincrone la parametri nominali de funcționare (denumită și caracteristica mecanică naturală) este prezentată în figura 2.11.

Porțiunea stabilă de funcționare în regim de motor liniară, până la valoarea maximă Mm a cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină. Pe aceată portiune se află punctul nominal de funcționare A, care corespunde cuplului nominal de sarcină Mn și turației nominale nn. Dacă cuplul de sarcină depășește valoarea maximă a cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină Mm atunci punctul de funcționare trece pe porțiunea hiperbolică a caracteristicii, ajungând în punctul n = 0. Se spune dă mașina decroșează. Altfel spus, dacă se neglijează orice coeficient de suprasarcină, cuplul de sarcină poate crește în cel mai optimist caz până la valoarea maximă a cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină.

Reglarea vitezei motorului asincron prin modificarea numărului de poli 2p prezintă dezavantajul că reglarea se face în trepte, deoarece și numărul de poli ai mașinii se modifică în trepte. Pe lângă aceasta, complicațiile constructive ale înfășurării trifazate statorice și necesitatea unui comutator de modificare a numărului de poli conduc la creșterea prețului de cost al a mașinii.

În prezent, datorită dezvoltării electronicii de putere și comandă și a ieftenirii componentelor și a ansamblurilor electronice, se preferă surse electronice de alimentare cu tensiune alternativă de frecvență variabilă, așa numitele convertoare statice tensiune – frecvență, cu toate că astfel de convertoare există și in varianta mașinilor electrice rotative.

Ecuația tensiunilor statorice în regimstaționar de funcționare este:

(2.5)

Dacă în ecuația tensiunilor statorice (2.5) se neglijează căderea de tensiune pe impedanța statorului, z1I1 ≈ 0, rezultă că tensiunea electromotoare indusă E1 este aproximativ egală cu tensiunea de alimentare U1. În modul:

(2.6)

Pentru o mașină dată, w1∙kw1 = const., înseamnă că produsul f1∙Φ este proporțional cu tensiunea de alimentare:

(2.7)

Menținând tensiunea de alimentare U1 constantă și modificând frecvența, se obțin caracteristicile artificiale din figura 2.12. Analizând aceste caracteristici, se remarcă faptul că la valori ale frecvenței mai mari decât frecvența nominală scade cuplul maxim dezvoltat de mașină, ceea ce conduce la scăderea coeficientului de suprasarcină (kM = Mm/Mn) și chiar la imposibilitatea pornirii mașinii dacă cuplul de sarcină Mn este mai mare decât cuplul maxim dezvoltat de mașină pentru frecvența respectivă, mai mare decât frecvența nominală.

Fig. 2.12. Caracteristicile mecanice ale mașinii asincrone pantru U1 = const. și f1 = variabil.

Dacă frecvența se modifică în sensul scăderii ei fată de frecvența nominală, rezultă o creștere a fluxului Φ, ceea ce ar conduce la saturarea puternică a circuitului magnetic (care este ușor saturat chiar la frecvența nominală) și prin aceasta creșterea curentului de magnetizare , a pierderilor în fier și deci o înrăutățire a parametrilor de funcționare. Pentru a evita saturarea puternică a circuitului magnetic, se impune să se modifice simultan cu frecvența și amplitudinea tensiunii de alimentare, adică:

(2.8)

Această condiție se adoptă numai pentru cazul în care frecvența tensiunii de alimentare se modifică în domeniul valorilor mai mici decât frecvența nominală. Dacă frecvența de alimentare evoluează în domeniul valorilor mai mari decât valoarea nominală, amplitudinea tensiunii de alimentare se mărește mai puțin decât proporțional cu frecvența sau se menține constantă, pentru a nu depăși nivelul admis al pierderilor în fier și a nu solicita suplimentar semiconductoarele din instalația de alimentare. Caracteristicile mașinii în condițiile respectării relației (2.8) sunt prezentate în figura 2.13.

Familia de caracteristici mecanice obținută pentru diverse frecvențe are un aspect foarte favorabil menținând capacitatea de suprasarcină, indiferent de viteză. Metoda de reglare a vitezei prin metoda U1/f1 – const., se realizează în practică prin alimentarea motoarelor de la convertoare statice tensiune – frecvență și poartă numele de controlul scalar al motorului asincron. Controlul scalar poate fi aplicat în două variante: în buclă deschisă (fără reacție după viteză) și în buclă închisă (cu reacție după viteză sau alte mărimi caracteristice regimului de funcționare a mașinii).

Fig. 2.13. Caracteristicile mecanice ale mașinii asincrone, în domeniul frecvențelor

mai mici decât frecvența nominală, respectând U1/f1 – const.

În domeniul frecvențelor mai mici decât frecvența nominală, reglarea vitezei prin respectarea condiției (2.8), permite menținerea fluxului Φ constant, deci păstrează gradul de magnetizare al mașinii. În domeniul frecvențelor mai mari decât frecvența nominală, amplitudinea tensiunii de alimentare rămâne constantă sau crește mai puțin decât frtecvență, ceea ce conduce la scăderea fluxului și respectiv a cuplului electromagnetic maxim dezvoltat de mașină. Dependența U1 = U1(f1) este prezentată în figura 2.14.

Fig. 2.14. Dependența U1 = U1(f1) pentru frecvențe mai mari și mai mici

decât frecvența nominală.

II.2.2. Alegerea motorului pentru Modulul Electropalan

Alegerea motorului folosit pentru acționarea palanului se realizează luând în calcul puterea necesară pentru a ridica sarcina și a sistemului de prindere a sarcini cu o anumită viteză.

Figura 2.13 – Diagramă cu elementele principale ale electropalanului.

În figura de mai sus sunt prezentate principalele elemente componente ale electropalanului, în care:

nM – turația la arborele motorului;

MM – cuplul la arborele motorului;

i – raportul de transmisie;

nT – turația la ieșire din sistemul de transmisie (reductor);

d – diametrul tambur;

v – viteza de ridicare;

m – masa sarcinii;

F – forța de ridicare.

Puterea necesară la arborele motorului va trebui să fie mai mare decât puterea necesară ridicării:

(2.9)

în care:

– Pr – puterea necesară ridicării sarcinii și echipamentului de suspensie [kW];

Q – sarcina totală de ridicat [daN];

v – viteza de ridicare a sarcinii [m/s];

η – randamentul mecanismului de ridicare ( fără randamentul motorului).

Viteza de ridicare este stabilită la v = 8 m/min iar randamentul mecanismului de ridicare este considerat η = 0,8.

Sarcina totală Q este alcătuită din sarcina de ridicat și sistemul de ridicare:

(2.10)

Astfel, puterea necesară la arbore pentru motorul de ridicare trebuie să fie mai mare sau egală cu:

(2.11)

Motorul trebuie ales și ținând cont de serviciul de funcționare al angrenajului. Astfel motoarele folosite pentru cele 3 module de acționare funcționează în regimul S3 – Intermitent Periodic. Regimul intermitent periodic constă dintr-o succesiune de cicluri identice, fiecare ciclu conținând un timp de funcționare ta cu parametri constanți și un timp de repaus tp, durata ciclului tc nedepășind 10 minute . Un astfel de regim este caracterizat prin durata activă relativă a ciclului:

(2.12)

Pentru modul electropalan se alege un motor asincron cu rotor în scurtcircuit din catalog Bega Electromotor cu caracteristicile:

Tip: ASME 112-6A Construcție închisă cu autoventilație exterioară.

Putere nominală (puterea la arbore): PN = 2 kW >1,71 kW;

Numărul de perechi de poli: p = 3;

Turația nominală: nn = 860 rot/min;

Curentul nominal: IN (400V)= 5.58 A;

Randamentul mașinii: η = 74 %;

Factorul de putere: cosφ = 0,7;

Rapoartele Mp/MN = 2, Mmin/MN = 0,8, Mmax/MN = 2,5, Ip/IN = 6;

Momentul de inerție: J = 0,047 kg/m2;

Masa motorului: 32 kg;

Serviciul nominal S3 intermitent periodic cu DA=40%, 120 conectări pe oră;

Conexiunea înfășurării statorice: stea.

II.2.3. Alegerea motoarelor pentru Modulul Cărucior și Module Tranzlație

Pentru ca cele trei module de acționare ale podului rulant să poată fi acționate printr-un singur convertizor de frecvență, curentul absorbit de motorul căruciorului trebuie să fie egal cu acela absorbit de motorul electropalanului.

Astfel, pentru modulul cărucior se folosește același tip de motor ca și pentru electropalan, cu aceleași caracteristici:

– Tip motor: ASME 112-6A;

– PN (cărucior) = 2 kW;

– IN (cărucior) = 5,58 A.

De asemenea, tot pentru buna funcționare a acționării, curentul total absorbit de cele 2 motoare ale Modulului Pod Rulant trebuie să fie cât mai apropiat (mai mic sau egal, niciodată mai mare) de valoarea curentului nominal motor electropalan.

Pentru Modulul Pod Rulant aleg 2 motoare asincrone identice cu rotor în scurtcircuit din catalog Bega Electromotor cu caracteristicile:

Tip: ASME 112-6A Construcție închisă cu autoventilație exterior

Putere nominală (puterea la arbore) PN = 1 kW;

Numarul de perechi de poli: p = 2;

Turația nominală: nn = 1200 rot/min;

Curentul nominal:

IN (400V) = 2,8 A;

Randamentul mașinii: η = 67 %;

Factorul de putere: cosφ = 0,77;

Rapoartele Mp/MN = 2,5, Mmin/MN = 0,8, Mmax/MN = 2,2, Ip/IN = 6;

Momentul de inerție: J = 0,0085 kg/m2;

Masa motorului: 14,5 kg;

Serviciul nominal S3 intermitent periodic cu DA=40% , 120 conectări pe oră;

Conexiune înfășurări statorice: stea.

II.3. Dimensionarea și alegerea convertorului de frecvență

Convertorul va fi selectat în funcție de caracteristicile motorului ce acționează electropalanul, mai exact alegerea se face în funcție de curentul maxim absorbit de motor Imaxm, care se calculează cu relația:

(2.13)

în care:

– I0 este curentul de magnetizare [A];

– m = Mmax/MN = 2,5;

– Iw reprezintă componenta activă a curentului absorbit [A].

Curentul de magnetizare se calculează cu relația:

(2.14)

în care IN este curentul nominal al motorului.

Componenta activă a curentului absorbit de motor se calculează astfel:

(2.15)

Curentul maxim devine:

(2.16)

Curentul de ieșire al convertorului trebuie să fie mai mare sau egal cu raportul Infu:

(2.17)

Se alege un convertizor de frecvență Micromaster 420, Siemens cu caracteristicile:

● Puterea debitată: Pc = 4 kW;

● Curentul de intrare: Iin = 12,8 A;

● Curentul de ieșire: Iout = 10,2 A > Infu;

● Tensiunea nominală de alimentare: Ua = 400 V trifazat.

II.4. Configurația automatului programabil

Comanda acționării celor trei module ale podului rulant se realizează printr-un automat programabil din seria S7 300, de la firma Siemens. Automatul (PLC – programmable logic controller) este format din:

– Sursa de alimentare;

– CPU – central processing unit – ‘Creierul’ automatului programabil;

– Cartelele (interfețele) pentru intrări și ieșiri.

În aceast proiect se folosește ca sursă de alimentare, sursa Power Supply PS307, 10 A, produsă de firma Siemens cu următoarele date nominale:

1) curent debitat la ieșire: Iout = 10 A cc;

2) tensiunea de ieșire: Uout = 24 V cc;

3) curentul absorbit de la rețea: Iintrare = 1,9 A ca;

4) tensiunea de intrare: Uintrare = 230 V ca.

Sursa are în componență un modul de protecție la scurcircuit, dar ca o măsură de protecție suplimentară, se plasează în amonte un fuzibil pentru a evita orice pericol de distrugere a PLC-ului.

Procesorul automatului – CPU – are rolul de a aplica logica de comandă transmisă prin program de utilizator: la activarea anumitor intrări transmite un semnal de comandă pentru anumite ieșiri, definite prin logica de program. CPU este legat de toate cartelele de intrări/ieșiri alocate automatului prntr-o magistrala de date. Prin această magistrală se realizează fluxul de date în ambele sensuri: CPU către cartele și invers.

Dispozitivul este dotat cu 2 interfețe de comunicație:

– interfață MPI cu o viteză de transmisie date 12 Mbits/secundă;

– interfață Profibus, ce poate fi folosită pentru a comunica cu Micromaster 420;

Alimentarea procesorului se face printr-un conector special de la sursa PS 307.

Cartelele de intrări/ieșiri sunt în număr de 4 și alimentarea lor se face de la sursa PS 307:

– Cartelă DI16xDC24V – 16 intrări digitale alimentată la 24 V cc;

– Cartelă DO16xDC24V/0.5 – 16 ieșiri digitale alimentată la 24 V cc;

– Cartelă AI4/AO2x8/8Bit – 4 intrări analogice și 2 ieșiri analogice cu rezoluția semnalului 8 biți;

– DI8xDC24V – cartelă suplimentară de 8 intrări digitale.

II.5. Schema electrică de forță

Schema de forță cât și partea de comandă a instalației electrice a fost proiectate cu ajutorul EPLAN Electric P8, un soft de proiectare asistată de calculator a instalațiilor electrice. Schema de forță , în cazul aplicației de față , este alcătuită din 4 module:

1. Alimentarea instalației de la rețeaua electrică de joasă tensiune.

2. Alimentarea convertorului de frecvență.

3. Instalația de alimentare a celor 4 motoare ce acționează podul rulant.

4. Acționarea frânelor electromagnetice.

II.5.1. Alimentarea instalației de la rețea

Acest modul al instalației de forță poate fi vizualizat la sectiunea Anexe – Anexa 1.

Alimentarea consumatorilor se face trifazat – L1, L2, L3 – de la rețeaua de joasă tensiune, mai exact de la un Post de transformare (PT). Tensiunea de linie a rețelei este UL = 400V. De asemenea conductorul de masă sau conductorul de protecție al instalației este legat la protecția PT (conductorul de neutru este legat la protecție deoarece au același potențial – 0V).

Pentru protecția PT se folosește un întrerupător triploar F1 cu mecanism de comutare, cu trei relee termice de supracurent, și trei declanșatoare electromagnetice de protecție. Acest tip de aparat este realizat pentru acționare și protecție în instalațiile de distribuție a energiei electrice. Întreruptoarele automate prevăzute cu protecție la suprasarcină, denumite și disjunctoare, se aleg respectând condiția:

(2.18)

în care: InD este curentul neîntrerupt suportat de aparat pe o perioadă lungă de timp ;

In – curentul nominal al liniei pe care se montează.

Disjunctorul se alege astfel:

reglarea echipamentului de protecție la suprasarcină să se poată face la Ir = In;

reglarea de protecție la scurtcircuit să se poată face la Irm = Isc , unde Isc este valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit dacă defectul s-ar produce în apropierea disjunctorului.

Curentul nominal al liniei pe care aparatul se montează se poate calcula însumând curenții absorbiți de la rețea de consumatori: convertizorul de frecvență (CF), sursa PLC și sursa de alimentare a frânelor electromagnetice:

(2.19)

Luând în considerație valoarea acestui curent, se alege pentru F1 un disjunctor Moeller – Eaton cu următoarele caracteristici:

– Tip: PKZ2;

– Curentul nominal: IN (400V)= 16 A;

– Curentul de reglare la suprasarcină: Ir = 10 A – 16 A;

– Curentul declanșare scurtcircuit: Irm = 80 A – 140 A.

Protecția convertorului de frecvență se realizează prin dijunctorul F2 , plasat în amonte fată de dispozitivul protejat. Alegerea tipului s-a făcut având în vedere curentul absorbit de CF – I = 12,8 A:

– Tip disjunctor F2: PKZ2;

– Curentul nominal: IN (400V)= 16 A;

– Curentul de reglare la suprasarcină: Ir = 10 A – 16 A;

– Curentul declanșare scurtcircuit: Irm = 80 A – 140 A;

Disjunctorul are un modul de contacte auxiliare atașate, cu 3 contacte normal deschise ce vor fi utilizate în circuitul de comandă, la cartela DO16xDC24V/0,5.

Fig. 2.16. Alimentarea de la rețea și disjunctorul F1.

Pentru a realiza o bună selectivitatea protecțiilor, timpii de declanșare la suprasarcină și scurtcircuit ai F2 sunt mai mici decât cei ai lui F1 iar curentul Irm al F1 este mai mare ca cel al lui F2.

Astfel la apariția unui defect în aval față de F2 , disjunctorul se va deschide înaintea lui F1, întrerupând alimentarea doar pentru CF și nu pentru ceilalți consumatori.

Controlul alimentării convertizorului de frecvență se realizează printr-un contactor mecanic Q1. Contactoarele sunt aparate de comutație cu o singură poziție de repaus, acționate în alt mod decât manual, capabile să închidă, să suporte și să întrerupă curenți în condiții normale ale circuitului, inclusiv curenții de serviciu și de suprasarcină.

Alegerea acestui tip de aparat electric se face punând condiția:

(2.20)

unde INC este curentul nominal al contactorului, iar IN este curentul nominal ce trebuie întrerupt de către contactor.

Fig. 2.17. Alimentarea CF cu disjunctorul F2 și contactorul Q1.

Pentru Q1 se ia în considerare curentul absorbit de CF-I=12,8 A și astfel se alege:

– Tip contactor Q1: Schneider TesysD;

– Curentul nominal: Iemax = 18 A (gama imediat inferioara avea I = 12 A);

– Tensiunea de funcționare: Ue = 400 V;

– Regim funcționare: AC3 – pornirea – oprirea motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit.

Alimentarea PLC-ului se face prin sursa PS 307 de 10 A, conectată la faza L3 și la nul, tensiunea de alimentare U = 230 V. Protecția sursei se face cu ajutorul fuzibilului F7. Siguranțele fuzibile sunt aparate de comutație care întrerup circuitul în care sunt instalate, prin topirea unuia sau a mai multor elemente concepute și calibrate în acest scop, atunci când curentul care parcurge siguranța depășește o anumită valoare pe o anumită durată.

Fuzibilul F7 se alege în funcție de curentul de intrare al sursei I = 1,9 A:

– Tip siguranță fuzibilă F7: NEOZED Siemens;

– Curentul nominal: IN = 2 A;

– Numărul de poli: 1 pol.

Sursa PS 307 are la ieșire 4 terminale pentru alimentarea consumatorilor la tensiunea 24 V cc. De la aceste terminale se alimentează cartelele de intrare/ieșire din componența automatului.

Fig. 2.18. Alimentarea sursei PLC – PS 307, 10A.

Pentru alimentarea sursei ce asigură funcționarea frânelor electromagnetice se folosesc fazele L1 și L2 de la rețea cu UL = 400 V.

II.5.2. Alimentarea convertorului de frecvență

Acest modul al instalației de forță poate fi vizualizat la sectiunea Anexe – Anexa 2.

Alimentarea convertorului de frecvență (CF) se realizează trifazat, U=400 V, pe la bornele de intrare L1, L2, L3. De asemenea conductorul de protecție (PE) este conectat la borna aferentă a CF. Bornele de ieșire U, V, W sunt conectate la bornele de alimentare statorice ale celor patru motoare. Ieșirea CF este ecranată.

La bornele circuitului intermediar de curent continuu al convertizorului, DC+ și DC-, se montează un rezistor și un tranzistor de “frânare” – un “chopper de frânare” al cărui mod de funcționare și utilitate vor fi explicate în capitolul III.

Semnalele digitale pentru întrările 1 și 2 (bornele 5 și 6) provin de la cartela DO16xDC24V/0,5 iar la borna 9 este conectată masa cartelei. Semnalul analogic pentru intrarea de la bornele 3 și 4 ale CF provine de la cartela AI4/AO2x8/8Bit, mai exact de la una din ieșirile analogice.

Modulul de comunicație Profibus este alimentat de la circuitul intermediar de curent continuu și are rolul de a face posibil trensferul de date între convertor și automatul programabil. Magistrala de date Profibus este conectată la modulul Profibus al PLC-ului.

Fig. 2.19. Bornele de conexiuni ale convertorul de frecvență Micromaster 420.

II.5.3. Instalația de alimentare a celor patru motoare ce acționează podul rulant

Acest modul al instalației de forță poate fi vizualizat la sectiunea Anexe – Anexa 3.

Alimentarea motoarelor prin sistemul L1, L2, L3, PE se face de la ieșirea convertorului de frecvență. Fiecare motor are pentru protecție un disjunctor și pentru controlul alimentării un contactor. Alimentarea unui anumit motor se face prin închiderea contactorului corespunzător (doar unul din cele 3 module de acționare ale podului rulant poate fi alimentat la un moment dat) și prin comanda în frecvență și sens de rotație primită de la convertor.

Aparatele de protecție și comutație pentru motoarele M1 și M2 (electropalan și cărucior) sunt aceleași. Pentru F3 și F4 aparatele au fost alese având în vedere curentul nominal al motoarelor IN = 5,58 A:

– Tip: PKZ2/ZM-6 Moeller – Eaton;

– Curentul nominal: IN (neântrerupt) = 6 A;

– Curentul de reglare la suprasarcină: Ir = 4 A – 6 A;

– Curentul declanșare scurtcircuit: Irm = 50 A – 80 A.

Contactoarele Q2 și Q3 sunt identice și sunt alese în funcție de curentul nominal al motoarelor IN = 5,58 A:

– Tip contactor: Schneider TesysK;

– Curentul nominal: Iemax= 6 A;

– Purerea nominală: PN = 2 kW;

Tensiunea de funcționare: Ue = 400 V;

– Regim funcționare: AC4 – pornirea – oprirea motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit, mers în șocuri, inversarea sensului de rotație (regim greu de exploatare).

Aparatele de protecție și comutație pentru motoarele M3 și M4 (cele 2 module translație) sunt aceleași. Pentru disjunctoarele F3 și F4 s-au ales aparatele având în vedere curentul nominal al motoarelor IN = 2,8 A:

– Tip: PKM0 Moeller Eaton;

– Curentul nominal: IN (neântrerupt)= 4 A;

– Curentul de reglare la suprasarcină: Ir = 2,5 A – 4 A;

– Curentul declanșare scurtcircuit: Irm = 56 A.

Contactoarele Q2 și Q3 sunt identice și sunt alese în funcție de curentul nominal al motoarelor IN = 2,8 A:

– Tip contactor: Schneider TesysK;

– Curentul nominal: Iemax= 6 A;

– Purerea nominală: PN = 1 kW;

– Tensiunea de funcționare: Ue = 400 V;

– Regim funcționare: AC4 – pornirea – oprirea motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit, mers în șocuri, inversarea sensului de rotație (regim greu de exploatare).

II.5.4. Acționarea frânelor electromagnetice

Acest modul al instalației de forță poate fi vizualizat la sectiunea Anexe – Anexa 9.

Pentru alimentarea sursei ce asigură funcționarea frânelor electromagnetice se folosesc fazele L1 și L2 de la rețea cu UL = 400 V. Frânele nu pot fi alimentate de la circuitul de forță al convertorului (curent alternativ sau din circuitul intermediar de curent continuu), deoarece frânele au nevoie de sursă de tensiune fixă pentru a funcționa la parametri nominali. Sursa FEA a fost aleasă însumând curenții absorbiți de frânele electromagnetice:

(2.21)

Conform rezultatului de mai sus, s-a ales o sursă cu următoarele caracteristici:

– Tip: PHASEO Schneider;

– Tensiune nominală de intrate: UN = 400 V c.a. monofazat;

– Putere: PS = 120 W;

– Curent de ieșire: Iout = 5 A.

Pentru protecția sursei la scurtcircuit se folosește un o siguranță fuzibilă F8. Fuzibilul F8 se alege în funcție de curentul de intrare al sursei I = 0,8 A:

– Tip siguranță fuzibilă: NEOZED Siemens;

– Curentul nominal: IN = 1 A;

Numărul de poli: 1 pol.

Frânele electromagnetice au fost selectate în funcție de cuplul necesar frânării respectivului motor, la al cărui arbore sunt conectate. Pentru majoritatea aplicațiilor, un cuplu de frânare egal cu 150 % din cuplul dezvoltat de motor la sarcină maximă este sufucient. Pentru unele aplicații însă este nevoie de un cuplu mai mare. Cuplul maxim se calculează cu relația:

(2.22)

Pentru FEA 1, ce deservește motorul electropalanului P=2 kW, cuplul necesar frânării este de 2 ori mai mare decât cuplul dezvoltat de motor deoarece, pentru a opri sarcina frâna trebuie să învingă și forța de gravitație.

(2.23)

În concordanță cu rezultatul din relația de mai sus, se alege pentru FEA1 , o frână cu următoarele caracteristici:

– Tip: 764-14 Brook Crompton;

– Tensiune alimentare: U = 24 V cc;

– Putere nominală : PN = 53 W;

– Cuplu de frânare: MF = 60 Nm;

– Timp de răspuns: t1 ( întrerupere alimentare) = 86 ms; t2 (frână alimentată) = 84 ms.

Pentru FEA 2, ce deservește motorul căruciorului P=2 kW, cuplul necesar frânării este de 1,5 ori mai mare decât cuplul dezvoltat de motor deoarece solicitările asupra frânei sunt mai reduse:

(2.24)

Conform acestei valori se alege frâna FEA 2, cu următoarele caracteristici:

– Tip: 764-13 Brook Crompton;

– Tensiune alimentare: U = 24 V cc;

– Putere nominală: PN = 40 W;

– Cuplu de frânare: MF = 40 Nm;

– Timp de răspuns: t1 ( întrerupere alimentare) = 45 ms; t2 (frână alimentată) = 90 ms.

Pentru FEA 3, ce deservește unul din motoarele de translație P=1 kW, cuplul necesar frânării este de 1,5 ori mai mare decât cuplul dezvoltat de motor :

(2.25)

Se alege pentru FEA 3, o frână cu următoarele caracteristici:

– Tip: 764-10 Brook Crompton;

– Tensiune alimentare: U = 24 V cc;

– Putere nominală: PN = 26 W;

– Cuplu de frânare: MF = 10 Nm;

– Timp de răspuns: t1 ( întrerupere alimentare) = 20 ms; t2 (frână alimentată) = 95 ms.

Fig. 2.18. Alimentarea celor trei frâne electromagnetice.

În circuitul de alimentare al fiecărei frâne , există un contact normal deschis, a cărui închidere este controlată de la un releu intermediar alimentat de la cartela de ieșiri digitale. Prin aceste 3 relee intermediare se face de fapt comanda frânelor electromagnetice.

CONVERTORUL DE FRECVENȚĂ MICROMASTER 420

III.1. Principiul de funcționare al convertorului de frecvență

Convertoarele statice de frecvență (CSF) permit transformarea energiei de la rețeaua trifazată de tensiune și frecvență fixă într-o energie de curent alternativ cu tensiune și frecvență variabilă. Aceste circuite electronice constituie astfel, surse optime de alimentare a motoarelor de curent alternativ – rotative sau liniare, asincrone sau sincrone – în sistemele de acționare cu viteză reglabilă.

Acționările utilizând motoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit, alimentate de la convertoare statice de frecvență, au pătruns în cele mai diferite domenii datorită în special avantajelor acestor motoare (robuste, ușoare, dimensiuni mici, inerție redusă, întreținere ușoară, etc.).

Ansamblul convertor static – motor asincron cu rotor în scurtcircuit facilitează punerea de acord a caracteristicii mecanice a motorului cu condițiile impuse de mașinile de lucru cele mai diferite. În acest mod, se pot asigura practic toate cerințele impuse sistemelor de acționare cum ar fi:

♦ pornirea automată și accelerarea controlată;

♦ funcționarea cu turație constantă sau cuplu constant;

♦ reglarea automată după program a turației;

♦ schimbarea sensului de rotație;

♦ frânarea automată;

♦ gamă largă de reglare a vitezei cu finețe deosebită a reglării;

♦ sensibilitate redusă la variații în anumite limite a tensiunii și frecvenței de alimentare;

♦ viteză mare de răspuns.

Convertoarele statice de frecvență (CFS) cu circuit intermediar de curent continuu au ca element caracteristic o dublă conversie a energiei electrice:

– transformarea tensiunii alternative, de amplitudine și frecvență constantă a rețelei de alimentare într-o tensiune continuă de nivel constant sau variabil, prin intermediul unui redresor comandat sau necomandat;

– transformarea tensiunii continue din circuitul intermediar de curent continuu (cale de curent continuu) într-o tensiune altenativă de frecvență și amplitudine variabilă, utilizând un invertor static.

Schema bloc a convertorului static tensiune – frecvență este prezentată în figura 3.1.

Fig. 3.1. Schema bloc a unui convertor static tensiune – frecvență (CFS).

Realizarea dublei conversii a energiei electrice implică la toate convertoarele de frecvență cu circuit intermediar de curent continuu, trei elemente de bază: redresorul, filtrul circuitului intermediar de curent continuu și invertorul. Redresorul poate fi comandat sau necomandat, circuitul intermediar poate conține sau nu variator de tensiune continuă (chopper). Invertoarele sunt componentele de bază ale convertoarelor statice de frecvență cu circuit intermediar de tensiune continuă, echipamente electronice de putere care stau la baza acționărilor electrice cu turație reglabilă cu motoare de curent alternativ. În structura acestor sisteme de acționare, invertorul are un rol decisiv în stabilirea performanțelor energetice și dinamice ale sistemului pentru un motor de acționare dat.

Pentru modificarea turației motoarelor asincrone este nevoie, pe lângă modificarea fecvenței de alimentare și de modificarea amplitudinii tensiunii de alimentare a statorului, pentru a nu se ajunge la saturație magnetică (U/f = ct).

Funcționarea invertoarelor de tensiune cu impulsuri dreptunghiulare (prin conducția continuă a contactoarelor statice pe durate corespunzătoare unor unghiuri de 1800 sau de 1200), prezintă două dezavantaje semnificative:

– un conținut ridicat de armonici de joasă frecvență al undei tensiunii de ieșire;

– imposibilitatea reglării simultane a amplitudinii și frecvenței tensiunii de ieșire, numai prin intermediul invertorului.

În majoritatea sistemelor de acționare electrică cu viteză reglabilă actuale, pentru modificarea în limite largi a frecvenței simultan cu modificarea amplitudinii tensiunii de alimentare a motoarelor asincrone numai cu ajutorul invertorului și pentru reducerea conținutului de armonici de joasă frecvență a acestei tensiuni, se utilizează modularea în durată a impulsurilor de tensiune, cunoscută sub denumirea de comandă PWM (Pulse Width Modulation). În principiu, această metodă de comandă a invertoarelor constă în fragmentarea duratei de conducție a contactoarelor statice în scopul reducerii conținutului de armonici de joasă frecvență al tensiunii de la ieșirea invertorului.

Modularea impulsurilor în durată (lățime) constă în alimentarea mașinii cu un număr de impulsuri de tensiune (curent) pe fiecare semiperioadă, durata fiecărui impuls fiind o funcție sinusoidală, dependentă de poziția unghiulară a impulsului în decursul semiperioadei.

Modularea se realizează prin compararea unui semnal de comandă (modulator), de amplitudine Um și frecvență fm variabile, a cărui formă este identică cu forma semnalului ce se dorește a fi obținut la ieșirea invertorului, cu un semnal triunghiular (purtător), de amplitudine Up și frecvență fp fixe.

Caracterizarea acestui proces de modulație, cunoscut sub denumirea de modulație PWM sinusoidală se face cu ajutorul a doi parametri:

– gradul de modulație în frecvență, definit prin raportul dintre frecvența semnalului purtător și frecvența semnalului modulator fp/fm = m (m determină numărul de pulsuri pe perioadă);

– gradul de modulație în amplitudine al tensiunii, definit prin raportul dintre amplitudinea semnalului modulator sinusoidal și amplitudinea semnalului purtător triunghiular Um/Up = k.

Principiul metodei PWM și momentele de comendă a contactoarelor statice de putere, pentru un invertor trifazat sunt prezentate în figura 3.2.

Momentele în care unda modulatoare de frecvență fm și amplitudine Um (A ,B ,C) intersectează unda purtătoare triunghiulară de frecvență fp și amplitudine Up, constituie momente de comutare pentru contactoarele statice din invertor. Prin aceasta se produc impulsurile de tensiune modulate în durată după legea sinusoidală impusă de unda modulatoare.

Cât timp unda modulatoare este mai mare decât unda purtătoare, contactoarele statice corespunzătoare fazei și polarității respective sunt închise, aplicând înfășurării mașinii un impuls de tensiune. Când unda purtătoare devine mai mare decât unda modulatoare, aceste contactoare se vor deschide.

În funcție de contactoarele care se închid, impulsurile de tensiune aplicate înfășurării mașinii vor fi de o polaritate sau alta.

Fig. 3.2. Principiul modulării sinusoidale a impulsurilor în durată.

III.2. Structura și caracteristicile convertorului Micromaster 420

Convertorul Micromaster 420 (MM 420) este adecvat pentru o varietate de aplicații în care este nevoie de viteză variabilă. Are un design modular, panourile de operare și modulele de comunicație pot fi montate cu ușurință la corpul principal al convertizorului.

Fig.3.3. Convertorul Micromaster 420.

Convertorul este alcătuit din 5 module principale:

► Redresorul necomandat, realizat cu diode, alimentat de la un sistem trifazat de tensiuni cu UL = 400 V;

► Circuitul intermediar de curent continuu;

► Invertorul;

► Blocul de comandă;

► Interfața cu utilizatorul.

Fig. 3.4. Structura convertorului Micromaster 420.

Circuitul intermediar de curent continuu conține un condensator de filtrare pentru a obține la intrarea invertorului o tensiune care să aibă o formă de undă cât mai apropiată de cea continuă. Acest condensator este încărcat atunci când tensiunea de la ieșirea redresorului crește și apoi se descarcă când această tensiune este pe o pantă descendentă, conform figurii 3.5.

Fig. 3.5. Forma de undă a tensiunii la intrarea invertorului.

Invertorul este alcătuit din 6 tranzistoare de tip IGBT, ce au o viteză mare de comutare (mai mare de 10 kHz), iar pierderile la comutarea semiconductorului sunt mici. Comanda IGBT – urilor se face pe poartă. Comanda invertorului se realizează prin tehnica PWM cu frecvența de comutare (frecvența la care tranzistoarele sunt comandate) variabilă, pentru a reduce zgomotul produs de motorul acționat.

Circuitul de control al convertorului conține un microprocesor ce este programat printr-un soft și care este responsabil cu comanda circuitului de forță, adică invertorul. Microcontrolerul determină perioada de conducție a IGBT-rilor (contactoarelor statice) în funcție de setările impuse de utilizator prin modificarea parametrilor și în funcție de frecvența necesară. Astfel se asigură alimentarea motorului la frecvența dorită și la tensiunea corespunzătoare acelei frecvențe. Blocul de comandă mai conține și elemente de memorie în care sunt salvate status – ul, rapoartele de defecțiune și valorile parametrilor convertorului.

Interfața cu utilizatorul se poate face prin 3 modalități:

1. BOP – Basic Operating Panel – este un panou de operare ce se poate monta pe convertor. Cu ajutorul BOP convertorul poate fi oprit sau pornit, se poate stabili sensul de rotație al motorului și se pot seta parametrii CF. Valorile și unitățile sunt afișate pe un ecran LCD cu un display de 5 caractere, conform figurii 3.6.

2. Modulul ProfiBus – este un modul opțional de comunicație ce poate fi utilizat pentru transferul de date, sub forma unor telegrame , spre și dinspre un automat programabil (figura 3.7).

Fig. 3.6. Panoul de operare de bază – BOP.

Fig. 3.7. Modul ProfiBus.

3. Intrări analogice și digitale – trei intrări digitale, o intrare analogică, o ieșire analogică și un releu de ieșire.

Fig. 3.8. Vedere din spate cu bornele convertorului.

În figura 3.8, se prezintă vederea din spate a convertorului, cu evidențierea bornelor pentru legăturile de forță

Atât intrările cât și ieșirile digitale/analogice pot fi configurate pentru a reprezenta un anumit parametru al convertorului. Intrarea digitală 1 – borna 5 este setată pentru parametrul On/Off. Asceastă intrare este legată la o ieșire digitală a PLC-ului, încât astfel la primirea semnalului treaptă de 24 V convertorul este pornit. Intrarea digitală 2 – borna 6 – este setată pentru inversarea sensului de rotație al motorului acționat. De asemenea această intrare este legată la o ieșire digitală a PLC – la semnal digital 1 motorul se rotește în sens invers.

Fig. 3.9. Schema bloc a convertorului Micromaster 420.

Intrarea analogică este setată pentru stabilirea frecvenței de ieșire a convertorului, valoarea semnalului de tensiune ce poate fi trimis este cuprinsă între 0 V și 10 V. Această intrare este legată la o ieșire analogică a PLC-ului prin care utilizatorul poate regla frecvența (viteza) dorită.

Releul de ieșire – bornele 12, 13 – poate fi folosit pentru semnalizare, apariția defectelor, etc. Componente alimentate în curent alternativ sau continuu pot fi folosite în funcție de tipul de echipament utilizat.

COM Link – RS485 este un protocol de comunicație auxiliar, serial iar DIP Switch este un întreruptor cu ajutorul căruia se poate stabili care este frecvența de alimentare a CF: 50 Hz sau 60 Hz.

Convertorul dispune de protecție internă la supracurent, supratensiune, subtensiune, supratemperatură, diferențială, la scurt-circuit, termică I2t, protecție pentru motor blocat (rotor calat) și interblocarea parametrilor. CF calculează valorile de prag ale acestor protecții după caracterisiticile motoarelor acționate (introduse de operator).

III.3. Caracteristica U/f liniară

Metodele de comandă ale motoarelor acționate de convertor sunt în număr de patru și sunt stabilite de parametrul P1300:

– Caracteristică U/f liniară;

– Caracteristică U/f parabolică;

– Caracteristică U/f definită de utilizator;

– Caracteristică U/f cu controlul curentului de flux (FCC).

În figura 3.10, se prezintă caracteristica U/f liniară, pentru frecvențe mai mari și mai mici decât frecvență nominal f = 50 Hz.

Fig. 3.10. Caracteristica U/f liniară.

Deoarece convertorul alimentează 2 motoare în același timp metodele de comandă sunt limitate la primele 3, însă pentru proiectul de față de este recomandată folosirea caracteristicii U/f liniară stabilită prin P1300 = 0.

Această metodă de comandă constă în menținerea fluxului constant în mașină la modificarea frecvenței, prin modificarea, proporțional față de frecvență, a amplitudinii tensiunii de alimentare.

La mașina asincronă, cuplul electromagnetic dezvoltat de mașină M, este proporțional cu produsul vectorial între curentul rotoric indus și fluxul statoric inductor:

(3.1)

Cuplul nominal al motorului poate fi dezvoltat la frecvente între 0 Hz și 50 Hz. Cuplul dezvoltat de motor scade odată ce frecvența trece peste pragul de 50 Hz, deoarece impedanța înfășurărilor statorice crește odată cu frecvența. O consecință a acestui fenomen este micșorarea curentului statoric, și prin aceata, micșorarea câmpului magnetic rotitor inductor. Ecte cauza care determină scăderea cuplului electromagnetic maxim ce poate fi dezvoltat de mașină.

Convertorul de frecvență compensează scăderea intensității câmpului, de la 0 Hz la 50 Hz, prin creșterea tensiunii de alimentare a înfășurărilor motorului. Raportul V/Hz este liniar între 0 Hz și 50 Hz. Însă, tensiunea rămâne constantă când frecvența depășește 50 Hz, după cum se poate remarca în figura 3.11.

Fig. 3.11. Evoluția puterii, fluxului și cuplului în funcție de U și f.

III.4. Creșterea tensiunii – Opțiunea Voltage Boost

La frecvențe mici, caracteristica U/f liniară impune o valoare mică a tensiunii la ieșire, dacă frecvența necesară este și ea mică. În domeniul frecvențelor mici, rezistența ohmică a înfășurării statorice devine egală sau depășește reactanța inductivă a acesteia, astfei încât impedanța înfășurării nu se mai poate neglija. Căderea de tensiune pe impedanța statorică, la valori mici ale tensiunii de alimentare conduce scăderea curentului de magnetizare cu următoarele consecințe:

– magnetizarea motorului devine prea mică (fluxul inductor devine prea mic);

– reducerea cuplului electromagnetic și astfel ținerea unei sarcini suspendatenu mai este posibilă;

– apare posibilitatea ca motorul să nu poată produce un cuplu de pornire/accelerare sau frânare necesar regimului de funcționare impus de utilizator.

În acest proiect este nevoie de un set cupluri pornire/accelerare/frânare mari pentru motorul ce acționează electropalanul (pentru a putea ține sarcina și pentru a exista posibilitatea de pornire în sarcină a electropalanului), cupluri ce nu pot fi atinse prin utilizarea U/f liniară.

Astfel, se poate activa parametrul P1310 Voltage Boost continous ce mărește valoarea tensiunii de ieșire la frecvențe mici, urmărind caracteristica de mai jos.

Fig. 3.12. Voltage Boost Continous pentru caracteristica U/f liniară.

Voltage Boost continous mărește tensiunea la accelerare și decelerare (la frecvențe mici) dar și în regim staționar, când motorul este acționat la o frecvență redusă constantă.

Parametrii P0304, P0310, P1082 sunt setați de operator iar VConBoost,100 și VConBoost,50 sunt stabilite de convertizor în funcție de caracteristicile motorului (introduse de operator) și de valoarea parametrului P1310.

Pentru aplicația prezentată stabilesc:

– P1310 = 100% din valoarea curentului nominal al mașinii: motorul pornește la P = PN (și nu la P aproape de 0) și I = In.

– fboost,end = 15 Hz.

Datorită facilității Voltage Boost a fost nevoie de supradimensionarea motoarelor căruciorului și de translație. Dacă puterile lor ar fi fost mai mici ca cea a motorului de ridicare, la pornire/oprire sau la frecvențe mici, puterea debitată de CF ar fi fost mai mare decât puterea lor nominală.

III.5. Conectarea rezistorului și a tranzistorului de frânare

La coborârea sarcinii, motorul ce acționează electropalanul este acționat la arbore de respectiva sarcină și trece astfel în regim de generator. În acest regim , mașina debitează energie electrică spre circuitul intermediar de curent continuu al convertizorului de frecvență. Micromaster 420 este nu este dotat cu redresor comandat, care să asigure posibilitatea recuperării în rețea a energiei de generatede mașină, prin trecerea sa în regim de invertor.

Astfel, nivelul tensiunii condensatorului din circuitul de cc va crește considerabil, existând posibilitatea ca protecțiile interne ale convertizorului să întrerupă alimentarea motorului. În plus, energia debitată se va disipa pe înfășurările statorice ale mașinii, ceea ce va conduce la regimuri anormale de funcționare a mașinii și eventual la distrugerea izolației spirelor ce compun înfășurarea statorică trifazată.

Fig. 3.13. Trecerea motorului asincron în regim de generator, la micșorarea

bruscă a frecvenței tensiunii de alimentare.

Trecerea motorului asincron în regim de generator se face și la scăderea bruscă a vitezei, (dacă aceasta este necesară la motoarele căruciorului și de tranzlatie), prin micșorarea frecventei tensiunii de alimentare, după cum se poate vedea în figura 3.13.

Conform figurii 3.13, se consideră că motorul funcționează stabil în punctul A, corespunzător frecvenței f a tensiunii de alimentare și a cuplului de sarcină MS. Dacă vrecvența tensiunii de alimentare scade brusc (de la f la f/2) în primul moment, datorită inerției, punctul de funcționare trece la viteză constantă 2n, în B, pe caracteristica corespunzătoare noii valori f/2 a frecvenței. În acest punct mașina funcționează în regim de generator electric, producând un cuplu electromagnetic cu caracter de frânare (cuplu ce se opune mișcării rotorului). Acest cuplu de generator, produce micșorarea vitezei motorului, iar punctul de funcționare se deplasează pe caracteristica f/2 către noul punct de funcționare stabilă, C.

Energia produsă în perioadele în care mașina funcționează în regim de generator, dacă nu poate fi trimisă în rețeaua de alimentare deoarece convertorul nu are redresor comandabil), trebuie disipată (consumată) pe un circuit auxiliar.

Circuitul de disipare a energiei produse de mașină în regim de generator, se plasează în circuitul intermediar de curent continuu și constă dintr-un rezistor conectat prin intermediul unui contactor static (tranzistor de putere), în momentul în care tensiunea căii de curent continuu depășește o anumită valoare, datorită faptului că energia nu poate fi trimisă în rețeaua de alimentare. Conectarea rezistorului de disipare a energiei, denumit curent rezistor de frânare este prezentată în figura 3.14.

Fig. 3.14. Conectarea rezistorului de disipare Tf.

Tranzistorul de frânare Tf și rezistorul de trânare Rf poartă impropriu denumirea „de frânare”. Aceste componente nu au rol în procesul de frânare. Frânarea se produce datorită cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină în regim de generator, iar componentele intervin numai după ce a apărut cuplul de frânare (după de mașina a trecut în regim de generator), pentru a limita în anumite condiții efectele nefavorabile ale elergiei electrice produse.

În cazul de față, rezistorul de frânare se cuplează în circuitul de curent continuu numai în momentul în care sarcina este coborâtă.

Închiderea și deschiderea tranzistorului tranzistorului Tf este realizată printr-un circuit de comandă pe poarta tranzistorului. În acest circuit este plasat un contact normal deschis de la releul intermediar kf, controlat prin logica de comandă a PLC-ului și prin cartela de ieșiri digitale.

Pentru a dimensiona rezistența de frânare este nevoie de calculul puterii electrice produse la coborârea sarcinii:

(3.2)

în care: m – masa sarcinii maxime; v – viteza maximă de coborâre și η – randamentul mecanismului, care include și randamentul motorului.

Se alege dintr-un catalog de rezistențe de frânare JovyAtlas cu o putere nominală ce poate fi absorbită Prf = 1,34 kW și o durată de acționare de DA = 20%.

III.6. Setarea parametrilor convertorului

Pentru ca Micromaster 420 să poată fi folosit cu succes în aceast proiect, trebuie setați o serie de parametri legați de comanda și caracteristicile motorului acționat. Pentru început va trebui realizată procedura de Quick Commissioning (împuternicire rapidă), realizată pentru ca CF să se plieze cât mai bine la aplicația deservită. Valorile parametrilor vor fi luate din datele nominale ale motorului de ridicare M1 (M2 este identic iar M3 și M4 au puterile însumate egale cu M1).

Pentru procedura de Quick Commissioning vor fi selectați parametrii:

– P0003 = 3 – Nivelul de acces al utilizatorului; 3=expert;

– P0010 = 1 – Începerea procedurii QC;

– P0100 = 1 – Frecvența de alimentare a CF = 50 Hz;

– P0304 = 400 – tensiunea de alimentare nominală a motorului;

– P0305 = 5.58 – Curentul nominal al mașinii;

– P0307 = 2 – Puterea nominală în kW;

– P0308 = 0,7 – factorul de putere;

– P0309 = 74 – randamentul mașinii [%];

– P0310 = 50 – frecvența nominală a mașinii [Hz];

– P0311 = 860 – turația nominală [rpm];

– P0335 =0 – răcirea motorului –prin ventilator conectat la arborele mașinii

– P0640 = 200 – factorul de suprasarcină; Valoarea P0640 = Imaxm/IN∙100% = 200 % – este folositor pentru ca CF să știe să nu declanșeze protecția la suprasarcină decât dacă depășește 200%;

– P0700 = 2 – sursa comenzilor pentru CF – 2=terminal (intrări/ieșiri digitale și analogice);

– P1000 = 2 – sursa pentru valoarea frecvenței de acționare – 2= intrare analogică;

– P1080 = 0 – frecvența minimă [Hz];

– P1082 = 50 – frecvența maximă [Hz];

– P1120 = 2 – timpul de accelerare [sec];

– P1121 = 1 – timpul de decelerare [sec];

– P1300 = 0 – modalitatea de comandă – 0= caracteristică U/f liniară;

– P3900 = 0 – sfârșitul Quick Commissioning.

În afara QC mai trebuiesc setați și câțiva parametrii adiționali:

– P0300 = 1 – Tipul de motor acționat: motor asincron;

– P1310 = 100% – procentul din curentul nominal pentru Voltage Boost continous;

– P1316 = 30 – Procentul din frecvența maximă la care boost atinge 50% din valoare – ceea ce înseamnă la f=15 hz;

– P0340 = 1 – parametrizare completă – CF calculeaza în funcție de datele introduse la Quick Commissioning alte mărimi legate de motor (conform tabelului 3.1) și care folosesc la anumite funcții printre care și Voltage Boost

Tabelul 3.1. Parametri suplimentari ai motorului.

– P0290 = 1 – reactia CF la suprasarcină; la 1 doar se întrerupe alimentarea;

– P0610 = 2 – reacția CF la I2t; la 2 doar întrerupe alimentarea;

– P1240 = 0 – dezactivează Vdc Controller (care micșorează rampele de decelerare dacă se atinge o anumită valoare a Ucc), ca să se poată disipa energia generată de motor pe Rf (figura 3.15).

Fig. 3.15. Graficul rampei de accelerare a CF.

În figura de mai sus, valoarea tup este dată de relația:

(3.3)

Rampa de accelerare reprezintă timpul în care CF ajunge de la frecvență 0 la frecvența maximă setată și are valoarea de 2 secunde pentru a limita curenții la pornirea motoarelor în sarcină (mai ales la acționarea modulului electropalan, la ridicare sarcină) . Dacă rampa este prea abruptă, este posibil ca disjunctorul sau protecțiile interne ale convertorului să întrerupă alimentarea motorului.

Rampa de decelerare este diferită de 0 pentru a elimina posibilitatea ca motorul să intre în regim de frânare din cauza momentului mare de inerție a angrenajului și de asemenea pentru a limita balansul sarcinii.

AUTOMATUL PROGRAMABIL SIEMENS S7 – 300

IV.1. Componentele automatului programabil

Sistemele automate de control a proceselor sunt dispozitive electronice care asigură trei parametri importanți de care trebuie să se țină cont în proiectare. Acești parametrii sunt: stabilitate, acuratețe și performanță.

Automatele programabile (PLC – Programabille Logic Controller), pe lângă conexiunile cu instrumentele de măsură și senzorii din procesul de automatizare, trebuie:

să permită comanda întregului proces;

să comunice operatorului stările procesului prin semnale vizuale și sunet și/sau printr-o rețea de comunicație la un computer local.

Aceste caracteristici, foarte importante, permit exploatarea automatizărilor la un înalt grad de flexibilitate, prin schimbarea și monitorizarea parametrilor de bază a procesului.

Fiecare componentă din sistemul de control a procesului joacă un anumit rol, în concordanță cu importanța sa. Spre exemplu, fără niciun senzor, PLC-urile nu ar putea știi modul de variație în timp a parametrilor principali ai procesului (considerați parametri de intrare). În sistemele automate, PLC-urile sunt partea centrală a sistemului de control sau a automatizării.

Un automat programabil este alcătuit de regulă din următoarele componente [16]:

unitatea centrală: este elementul cel mai important al AP-ului. Este compusă din:

procesor, memorie și sursă de alimentare. Prin intermediul acesteia este realizată conducerea întregului proces;

unitatea de programare: este reprezentată în multe cazuri de către un calculator prin intermediul căruia pot fi scrise programe care apoi sunt încarcate pe unitatea centrală și rulate. În cazul în care se dorește o unitate mai ușor de manevrat sunt puse la dispoziția programatorilor console prin intermediul cărora pot fi scrise programe pentru automate;

modulele intrare/ieșire: permit interconectarea cu procesul primind sau transmițând semnale către acesta. Aceste module pot fi cuplate direct cu unitatea centrală sau prin control la distanță (dacă este cazul pentru un anumit proces);

șina: dispozitivul pe care sunt montate unitatea centrală, modulele de intrare/ieșire și alte module funcționale adiționale (dacă este cazul).

Automatul programabil Siemens S7-300, folosit în această aplicație pentru comanda componentelor din chema de forță, este alcătuit din:

O sursă PS 307 pentru alimentarea CPU și a cartelelor intrare/ieșire

Un procesor CPU 315-2DP

O cartelă de 16 intrări digitale DI16xDC24V

O cartelă de 16 ieșiri digitale DO16xDC24V/0.5A

O cartelă analogică de 4 intrări și 2 ieșiri AI4/AO2x8/8Bit

O cartelă suplimentară de 8 intrări digitale DI8xDC24V

Fig. 4.1. Schema bloc a PLC S7-300.

IV.2. Sursa de alimentare a PLC-ului

Alimentarea PLC-ului se face prin sursa PS 307 10 A, conectată la faza L3 și la nul, tensiunea de alimentare U = 230 V. Caracteristicile sursei prezentată mai jos sunt:

tensiune intrare: Uin = 230 V;

curent absorbit: Iin = 1.9 A;

tensiune ieșire: Uout = 24 V cc;

curent debitat: Iout = 10A .

protecție internă la scurtcircuit.

Sursa PS 307 are la ieșire 4 terminale pentru alimentarea consumatorilor la tensiunea 24 V cc. De la aceste terminale se alimentează procesorul, cartelele de intrare/ieșire din componența automatului și senzorii folosiți în schema de acționare.

Se găsește de asemenea un switch on/off și un switch de selecție pentru 230/130V AC ca nivel de tensiune de alimentare.

Figura 4.2 – Schema bloc a sursei PS307 10A

Sursa este alcătuită pe partea de forță dintr-un redresor necomandat, un chopper comandat prin buclă de tensiune cu reacție , un transformator și un invertor necomandat. Tranzistorul chopperului poate fi comandat doar dacă comutatorul este pe poziția On, iar led-ul este alimentat când există 24 V cc la ieșire.

IV.3. Procesorul CPU 315 – 2DP

Procesorul reprezintă “creierul” fiecărui calculator și ‘știe’ ce are de facut prin intermediul unor programe. CPU comunică cu cartelele de intrări/ieșiri cu ajutorul

Modulul de memorie ce intră în componența CPU, poate fi împărțită și ea în două entități:

memoria fixă – este memoria care este înscrisă de către producătorul automatului;

memoria volatilă – este cea în care sunt înscrise programele utilizatorului.

Tipurile de memorie fixă și volatile care pot fi întâlnite în cazul automatelor programabile sunt următoarele: ROM, RAM, PROM, EPROM, EEPROM și NOVRAM. Este evident că dependent de mărimea memoriei pot fi conduse procese mai complexe sau mai simple.

Blocurile în care este împărțită în mod obișnuit o memorie sunt: memoria utilizator, destinată programelor scrise de către utilizator; imaginea intrărilor procesului : memoreaza datele care vin din proces; imaginea ieșirilor procesului: memoreaza datele care pleacă spre proces; starea timerelor; starea numărătoarelor; date numerice; alte funcții.

Există un microprocesor în CPU care controlează ieșirile în baza intrărilor și a programului descărcat prin interfața MPI de la PC. CPU face aceasta lucrând în 3 pași:

1. CPU verifică statusul intrărilor (dacă sunt high sau low).

2. CPU se uită în program.

3. CPU controlează ieșirile. Acest lucru e făcut prin trimiterea unui semnal la modulul de ieșire astfel încât statusul modulului de ieșire devine fie high, fie low.

Programul începe din nou după al treilea pas.

Comutatorul este folosit pentru a seta CPU în modul (RUN) sau off (STOP) . Poate fi folosit și pentru a reseta cardul de memorie. (MRES).

Un program poate fi scris și salvat pe cardul de memorie (MMC micro). Configurațiile hardware și alte date (de exemplu, istoricul sau rapoartele de erori) pot fi de asemenea salvate pe card. Cardul de memorie este o memorie non-volatilă, aceasta însemnând că la scoaterea de sub tensiune, datele vor ramane salvate pe card. Fără card PLC-ul nu poate funcționa deoarece programul creat de operator este trimis prin MPI de la softul specializat Step 7 (PC) și memorat în card.

LEDurile prezintă starea de operare și erorile în CPU:

SF: Eroare hardware sau software. SF vine de la System Fault.

DC5V: Există tensiune de 5V. Tensiunea de 5Volți este folosită pentru a alimenta componentele electronice din CPU și modulele de intrare și de ieșire (via BUS).

FRCE: FRCE vine de la Forced. Acest LED galben arată că o intrare sau o ieșire a fost fortată să aibă o stare particulară. Această stare poate fi dată numai de către programatorul care lucrează cu PLC-ul.

RUN: Când acest LED este aprins, CPU lucrează prin intermediul programului (modul run). Când LEDul pâlpâie cu o frecvență de 2 Hz (de două ori pe secundă), CPU este în modul de pornire. Dacă LEDul pâlpâie cu o frecvență de 0.5 Hz ( o data la două secunde), CPU este în pauză.

STOP: Când acest LED este aprins, CPU este în modul STOP, pauză, sau de pornire. Dacă LEDul pâlpâie cu o frecvență de 2 Hz (2x pe secundă), CPU se resetează. Dacă LEDul pâlpâie cu o frecvență de 0.5 Hz (1x la 2 secunde) CPU necesită resetare.

Figura 4.3 – Ledurile și cardul de memorie ale PLC-ului

Echipamentul de programare, un PC sau un laptop, poate fi conectat la CPU de obicei prin interfața MPI și poate fi folosit pentru a scrie sau a schimba un program în cardul de memorie. Sunt necesare cabluri cu adaptoare MPI- USB.

Acest modul al instalației de comandă, CPU 315-2DP poate fi vizualizat la secțiunea Anexe – Anexa 4.

IV.4. Cartele de intrări digitale

Aplicația realizată în acest proiect necesită folosirea a 2 cartele de intrări digitale, una de 16 intrări și cealaltă de 8. Ambele cartele sunt alimentate de la terminalele de ieșire ale sursei PS 307.

Tensiunea de alimentare a cartelelor este de 24 V cc și pot fi folosite în combinație cu întreruptoare și senzori de proximitate cu 2. 3 sau 4 fire.

Figura 4.4 – Schema bloc a cartelei DI16xDC24V

Semnalul digital poate fi :

în curent: semnal 1 – 7 mA

în tensiune: semnal 1 : 13…30 V iar semnal 0: -30…5 V

În figura de mai jos:

1 reprezintă numărul canalului de intrare ;

2 este ledul de status al canalului – aprins dacă semnalul de intrare este 1 digital ;

3 reprezintă modulul intern al cartelei de comunicație cu controlerul.

Acest modul al instalației de comandă – DI16xDC24V, poate fi vizualizat la secțiunea Anexe – Anexa 5 și 6. Cartela D16 este alimentată de la terminalul 2 al sursei PS 307 pe la bornele 1, 11 (+) și 10, 20 (-). Cele 16 intrări sunt grupate pe 2 bytes I1 și I0 , fiecare cu câte 8 biți , fiecare bit corespunzând unei ieșiri.

Tabel 4.1 – Configurarea cartelei DI16 – byte I0

Tabel 4.2 – Configurarea cartelei DI16 – byte I1

Pentru senzorii de proximitate aflați la 1 metru de cele 2 capete de cursă a șinei și grinzii orizontalee, s-au ales 4 senzori inductivi cu următoarele caracteristici:

Tip: XS6 Schneider Tubulari – PNP

Tip contact: normal deschis

Distanța nominală de observație: 15 mm

Tensiune alimentare: UN = 12…48 V

Senzorii sunt alimentați de la terminalul 2 al sursei.

Cartela DI8xDC24V – modul al instalației de comandă , poate fi vizualizat la secțiunea Anexe – Anexa 12. Cartela D8 este alimentată de la terminalul 4 al sursei PS 307 pe la bornele 1 (+) și 10 (-). Cele 8 intrări sunt grupate pe 1 byte de intrare I4 , cu 8 biți ,fiecare bit corespunzând unei ieșiri.

Tabel 4.3 – Configurarea cartelei DI8 – byte I4

IV.5. Cartele de ieșiri digitale

Figura 4.5 – Schema bloc a cartelei DI16xDC24V

Aplicația realizată în acest proiect necesită folosirea a unei singure cartele de 16 ieșiri digitale DO16xDC24V/0.5A. Cartela este alimentată de la terminalele de ieșire ale sursei PS307.

Tensiunea de alimentare a cartelei este de 24 V cc și pote fi folosită în combinație cu valve solenoidale, bobine (alimentate la 24 V cc) comandă contactoare și lămpi de semnalizare . Semnalul digital de ieșire este de 0.5 Amperi.

În figura de mai jos 1 reprezintă numărul canalului de ieșire, 2 este ledul de status al canalului – aprins dacă semnalul de ieșire este activat – iar 3 reprezintă modulul intern al cartelei de comunicație cu controlerul.

Cartela DO16xDC24V/0.5A – modul al instalației de comandă , poate fi vizualizat la secțiunea Anexe – Anexa 7 și 8.

Cartela DO16 este alimentată de la terminalul 3 al sursei PS 307 pe la bornele 1, 11 (+) și 10, 20 (-). Cele 16 ieșiri sunt grupate pe 2 byți Q2 și Q3 , fiecare cu câte 8 biți , fiecare bit corespunzând unei ieșiri.

Tabel 4.4 – Configurarea cartelei DO16 – byte Q2

Tabel 4.5 – Configurarea cartelei DO16 – byte Q3

Pentru ieșirile digitale legate la borne ale convertizorului MM 420, masa cartelei este legată la borna 9 a CF. Pentru releu intermediar de control al FEA 1 există în circuitul de alimentare un contact N.D. al disjunctorului F2 și un N.D. al F3. Pentru K fea2 există în circuitul de alimentare un contact N.D. al disjunctorului F2 și un N.D. al F4.Pentru K fea3 există în circuitul de alimentare un contact N.D. al disjunctorului F2. Astfel la apariția unui defect frânele nu sunt alimentate.

IV.6. Cartele de intrări/ieșiri analogice

Diferența dintre un modul digital și unul analogic este că un modul digital poate citi și transmite 0 sau 1. Aceasta în contrast cu un modul analogic care poate transmite și citi numai semnale analogice. Numai senzorii care lucrează cu semnale variabile (analogice) (de exemplu o rezistență termosensibilă cum ar fi PT100) pot fi conectați la modulele cu intrări analogice. Doar actuatoarele care lucrează exclusiv cu semnale variabile (de exemplu, un convertor de frecvență) pot fi conectate la modulele de ieșire.

De asemenea, nu există LEDuri de stare pe modulele analogice. Dacă dorim să verificăm intrările și ieșirile analogice, aceasta se face fie prin intermediul programului, fie cu un aparat de masură.

Cartela analogică – modul al instalației de comandă , poate fi vizualizat la secțiunea Anexe – Anexa 10 și 11.

Atât intrările cât și ieșirile analogice au o rezoluție de 8 biți . Semnalul conectat la intrări poate fi:

în tensiune: 0… 10 V

în curent : 0…20 mA

Semnalul debitat de ieșiri poate fi:

în tensiune: 0… 10 V

în curent : 0…20 mA

Mai jos am prezentat schema bloc a cartelei și un exemplu de conexiune a 4 traductoare cu 4 fire ce trimit un semnal analogic în curent la cele 4 intrări și 2 actuatori ce primesc un semnal analogic în tensiune.

unde: 1 – alimentarea cartelei; 2 – convertor analog-digital; 3 – cele 4 canale de intrări analogice; 4 – cele 2 canale de ieșiri analogice; 5 – convertor digital-analogic; 6 – modulul intern al cartelei de comunicație cu controlerul; 7 – legătura la împăpântare; 8– împământarea.

Precum se poate observa fiecare canal analogic prezintă o bornă pentru masă sau minus, o bornă plus pentru semnalul transmis în tensiune și o bornă plus pentru semnalul în curent. Pentru ca modulul să funcționeze corect toate bornele de masă (-) trebuiesc conectate la masa sursei de alimentare a cartelei și puse la pământ.

În cadrul aplicației sunt folosite 2 intrări analogice – ambele transmit semnalul în tensiune:

Canalul intrare 2 : un potențiometru cu ajutorul căruia operatorul poate selecta prin poziția cursorului (variația tensiunii între 0–10 V între MV0+ și M0–) frecvența tensiunii de ieșire a CF între 0 și 50 Hz; adresa intrării este PIW 290, de tip integer – 2 byți

Canalul intrare 3: un senzor de greutate plasat la conexiunea dintre lanțul electropalanului și cârlig, ce sesizează masa sarcinii între 0 și 1100 kg și transmite un semnal corespunzător de tensiune între 0 și 10 V, la intrarea 2; adresa intrării este PIW292, de tip integer și ocupă 2 byți în memoria CPU;

Figura 4.6 – Schema bloc a cartelei AI4/AO2x8/8Bit

O singură ieșire analogică este folosită din cele 2. Canalul ieșire 1 transmite un semnal în tensiune între 0 și 10 V la intrarea analogică a convertizorului de frecvență pentru a-i controla frecvența de ieșire în funcție de logica de program. De precizat e faptul că convertizorul permite doar un semnal analogic în tensiune 0…10V la intrare.

Adresa ieșirii este PQW 288, este de tip integer și ocupă 2 byți în memorie.

ANEXE

ANEXA 1 – Alimentarea instalației de la rețea.

ANEXA 2 – Alimentarea convertorului de frecvență.

ANEXA 3 – Instalația de alimentare a celor 4 motoare ce acționează podul rulant

ANEXA 4 – Alimentarea CPU 315 2DP

ANEXA 5 – Cartela 16 intrări digitale – Partea 1, intrări 0.0-0.7

ANEXA 6 – Cartela 16 intrări digitale – Partea 2, intrări 1.0-1.7

ANEXA 7 – Cartela 16 ieșiri digitale – Partea 1, ieșiri 2.0-2.7

ANEXA 8 – Cartela 16 ieșiri digitale – Partea 2, ieșiri 3.0-3.7

ANEXA 9 – Acționarea frânelor electromagnetice

ANEXA 10 – Cartela analogică 4 intrări și 2 ieșiri – Partea 1, intrări PIW 288,290,292,294

ANEXA 11 – Cartela analogică 4 intrări și 2 ieșiri – Partea 2, ieșiri PQW 288,290

ANEXA 12 – Cartela suplimentară 8 intrări digitale – intrări 4.0-4.7

BIBLIOGRAFIE

Boțan, Nicolae, Coman, Liviu „Acționarea electrică a macaralelor și podurilor rulante”, Editura Tehnică, București.

***, “Manualul Instalatorului Electric”.

Mircea, Gogu, “Prezentarea convertorului static de frecvență cu circuit intermediar de curent continuu ELVAR 4.0 KW”, Îndrumar de laborator, 2007.

Mircea, Gogu, “Sisteme moderne de comandă a mașinilor de curent alternativ” – curs Master.

Rakesh, Parekh, “AC Induction Motor Fundamentals”, Microchip Technology Inc.

***, “Revista Tehnium Azi”.

http://www.siemens.com/

http://support.automation.siemens.com/

http://www.demagcranes.com/

http://www.swfkrantechnik.com

http://www.schneider-electric.com

http://www.fargocontrols.com

Home

http://www.electromotor.ro/

http://www.leerstofnet.nl/

Ionel, Teo, „Automate Programabile – curs”, Electrotehnică, www.RegieLive.ro

Emil, Costel, Teodoru, Mircea, Gogu, “Mașini electrice”, Rotaprint, Universitatea Tehnică “Gh. Asachi”, Iași, 2000.

BIBLIOGRAFIE

Boțan, Nicolae, Coman, Liviu „Acționarea electrică a macaralelor și podurilor rulante”, Editura Tehnică, București.

***, “Manualul Instalatorului Electric”.

Mircea, Gogu, “Prezentarea convertorului static de frecvență cu circuit intermediar de curent continuu ELVAR 4.0 KW”, Îndrumar de laborator, 2007.

Mircea, Gogu, “Sisteme moderne de comandă a mașinilor de curent alternativ” – curs Master.

Rakesh, Parekh, “AC Induction Motor Fundamentals”, Microchip Technology Inc.

***, “Revista Tehnium Azi”.

http://www.siemens.com/

http://support.automation.siemens.com/

http://www.demagcranes.com/

http://www.swfkrantechnik.com

http://www.schneider-electric.com

http://www.fargocontrols.com

Home

http://www.electromotor.ro/

http://www.leerstofnet.nl/

Ionel, Teo, „Automate Programabile – curs”, Electrotehnică, www.RegieLive.ro

Emil, Costel, Teodoru, Mircea, Gogu, “Mașini electrice”, Rotaprint, Universitatea Tehnică “Gh. Asachi”, Iași, 2000.