Studiul Actionarii Electrice a Schimbatoarelor de Cale In Sistemul Feroviar

Studiul actionarii electrice a schimbatoarelor de cale in sistemul feroviar

CUPRINS

CAP.1.Istoria transportului feroviar

1.1.Căile “ferate” din lemn

1.2Căile ferate metalice

CAP.2. Sistemele de acționare

2.1.Introducere

2.2. Elemente componente ale acționărilor electrice

CAP.3. Infrastructura feroviară

3.1.Suprastructura căii

3.2.Infrastructura căii

3.3.Instalații de electrificare

3.4.Calea de rulare

CAP.4.Schimbatorul de cale ferată

4.1.Aparate de cale

4.2.Schimbătorul de cale simplu

4.3.Elemente componente

CAP.5.Motorul de current continuu

5.1.Generalitați

5.2.Tipuri de motoare de curent continuu

5.3.Funcționarea motorului de curent continuu

5.4.Elemente constructive

5.5.Caracteristicile motorului de curent continuu cu excitație serie

CAP.6.Construcția si funcționarea electromecanismului EM-5/EM-5R de acționare a schimbătorului de cale ferată

6.1.Clasificarea electromecanismelor de macaz

6.2 Elemente constructive și funcționale ale electromecanismului

de acționare macaz tip EM-5

6.3 Schema de conectare a electromecanismului de macaz

CAP.7. Modelarea si simularea electromecanismului de macaz cu ajutorul soft-ului PSIM

7.1.Soft-ul PSIM

7.2.Studiul motorului de current continuu cu excitație serie la acționarea electromecanismului de macaz EM-5 cu ajutorul soft-ului PSIM

Bibliografie

CAP.1.

Istoria transportului feroviar

Primele mărturii ale unor căi de rulare pot fi considerate cele din Diolkos, prin care se transportau bărci de-a lungul istmului Corint, în Grecia, datate în 600 î.Hr. Vehicule cu roți, trase de oameni sau cai, se deplasau pe niste făgașe (rigole) din calcar. Acest mod de transport rămâne în uz peste 650 de ani, adică cel puțin până la sfârșitul secolului I d.Hr. apoi copiat și în alte zone ca insula Malta și anumite regiuni ale Imperiului Roman.

1.1.Căile "ferate" din lemn

Un strămoș mai sigur al căii ferate este calea cu făgașe de lemn, a cărei apariție datează din secolul al XVI-lea. Astfel, în minele din Leberthal (Alsacia) se utilizau acest tip de șine în anul 1525: Vagoanele, prevăzute cu roți metalice de diametru mic, rulează pe longrine de lemn.De asemenea, în minele de aur de la Brad, din Transilvania, se utilizau vagoneți de lemn. Pentru schimbarea direcției se foloseau macaze de lemn, prevazute cu ac și inimă. Acești vagoneți și macaze sunt printre primele semnalate în tehnică și demonstrează ingeniozitatea maeștrilor necunoscuți ai tehnicii populare românești.

In Germania anilor 1550 putem vorbi de existența unei căi ferate. Șinele erau de asemenea din lemn, iar vagoanele erau trase de cai.

O astfel de modalitate de transport este descrisă în 1556 de Georgius Agricola. Această tehnologie se raspândește în întreaga Europă, și semnalată în zona britanica în jurul lui 1600. Se ajunge până la utilizare convoaielor de vagoneți, utilizate la căratul minereului, trase de cai sau propulsate gravitațional prin crearea unor pante artificiale. În acest ultim caz, la sosirea la destinație, vagoneții erau frânați printr-un sistem inovativ prin care roțile erau presate.

În minele de cărbune din Anglia, Franța și Germania, calea de rulare era construită tot din lemn. În 1767 un inventator britanic a construit prima șină din fontă, care putea rezista încărcăturilor grele, mai bune decât cele de cherestea.Caile ferate moderne au evoluat de la cele din lemn și fontă până la cele din oțel, utilizate din anul 1820, acestea rezolvând problema distrugerii rapide a căilor de rulare.

1.2.Căile ferate metalice

Acest sistem de transport, dovedindu-se eficace, este perfecționat prin diverse inovații: se introduc roțile metalice chiar prevăzute cu un bandaj proeminent, pentru ca vagoneții să nu deraieze, ca apoi, prin 1760, șinele să fie acoperite cu benzi metalice. În acest fel, prin reducerea frecării, crește volumul de marfă transportat: de la minereu și materie primă pentru industria fierului (aflate pe atunci în plină expansiune), până la mărfuri alimentare.

În 1767, șinele din lemn utilizate pe traseul de tramvai Horsehay – Coalbrookd ale au fost înlocuite, de Richard Reynolds, prin șine din fontă prevăzute cu un șanț central de ghidare. În 1785, rețeaua liniilor engleze care utilizau șine de fontă de tip Reynolds, cuprindea peste 30 km.În 1776, englezul John Curr introduce șina din fontă în formă de colțar – roțile metalice ale vagoanelor aveau bandaje netede – pe liniile miniere din zona orașului Sheffield.În 1789, englezul William Jessop proiecteaza primul vagon cu roți prevăzute cu "rebord" – acel bandaj proeminent care nu permitea roții sa părăsească linia. Aceasta invenție apare și la materialul rulant de astăzi.Tot Jessop inventează șina cu coama edge-rail (cu secțiunea în formă de ciupercă). Astfel apare "drumul de fier" propriu-zis, deoarece noua cale de rulare nu mai putea fi folosită de vehiculele rutiere, ci numai de cele feroviare. Până la apariția primelor locomotive, pe aceste linii a fost utilizată tracțiunea cu cai.

În anul 1823, întemeietorul transportului feroviar, George Stephenson, a condus lucrările de construcție ale primei căi ferate pentru transportul de persoane, inaugurată la 27 septembrie 1825 între orașele Stockton și Darlington. Această cale ferată a fost utilizată doar doi ani, motiv pentru care liniei ferate date în exploatare în 15septembrie1830, între Liverpool și Manchester, îi aparține intâietatea.La 27 octombrie 1831 linia a fost vizitata de tanarul bursier Petrache Poienaru, care, in raportul sau oficial , spunea printre altele:”Am facut aceasta calatorie cu un nou mijloc de transport, care este una din minunile industriei secolului… douazeci de trasuri legate unele cu altele, incarcate cu 240 de persoane sunt trase deodata de o singura masina cu aburi… ” . A fost primul roman care a calatorit cu trenul.

Evoluția transporturilor feroviare ulterioară este extrem de rapidă, iar în anii imediat următori apar căi ferate și în alte țări ale Europei, precum: Franța (1833); Belgia (1835); Germania (1835); Olanda (1835); Austria (1838); Elveția (1844); Danemarca (1844); Spania (1848); Suedia (1851); Norvegia (1853) ;Portugalia (1854); Grecia (1860). România(20 august1854 Oravita- Bazias cu 62.5Km, iar la 1 aprilie 1880 este infiintata compania “CFR”. Construcția acestei căi ferate s-a justificat prin nevoia Austriei de a transporta produsele miniere din Banatul montan și în special din zona Aninei, către portul Baziaș, de unde să poată fi duse mai departe, pe Dunăre, către centrul Europei. Lucrările au început în 1847 și au fost întrerupte anul următor, datorită evenimentelor revoluționare din 1848-1849. În 1850 a fost reluată construcția liniei, pentru ca aceasta să fie finalizată în 1854. În acel moment avea loc Războiul Crimeei care a cauzat și o cerere sporită pentru cărbune. Imediat, după finalizarea lucrărilor, linia a fost pusă în funcțiune pentru transportul cărbunelui și și-a câștigat numele de Kohlenbahn („linia cărbunelui”).

În 1855 statul austriac aflat în criză financiară, avea să vândă domeniile din Banat, printre care și această cale ferată, către societatea StEG. La 1 noiembrie 1856 a fost deschis și traficul de călători. În primii ani de funcționare, pe traseul Oravița – Baziaș, în lungime totală de 62,5 km, circula o singură pereche de trenuri mixte. Viteza medie comercială era de 20,6 km/h, prin urmare traseul era parcurs în aproximativ 3 ore. În 1858, s-a dat în folosință și calea ferată de la Jasenovo la Vârșeț și Timișoara, care făcea legătura cu căile ferate austro-ungare, iar în 1863 a fost dată în folosință calea ferată Oravița – Anina, care era o prelungire a liniei.

CAP.2

Sisteme de acționare

2.1 Introducere

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric și protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea inițial la complectarea structurilor mecanice din construcția aparatelor cu componente electronice.

În prezent termenul definește o știință inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcția de mașini, electrotehnică și informatică, își propune să îmbunătățească performanțele și funcționalitatea sistemelor tehnice.

Ca și în cazul multor altor domenii de mare complexitate, în literatura de specialitate nu există o definiție unitară a noțiunii de mecatronică. În IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (1996) mecatronica a fost definită astfel: “Mecatronică este integrarea sinergetică a ingineriei mecanice cu controlul electronic și cel inteligent cu calculatoare în proiectarea și fabricația produselor și proceselor.”. Termenul “sinergetică” impune o detaliere. În Mic Dicționar Enciclopedic (Editura Enciclopedică Română, 1972) termenul “sinergie” este definit astfel:

– gr. Synergia (“conlucrare”) s.f. (FIZIOL.) Asociație a mai multor organe sau țesuturi pentru îndeplinirea aceleiași funcțiuni.

Cele mai sugestive reprezentări ale mecatronicii sunt reprezentate prin intersecția a trei sau mai multor cercuri, figura 2.1.

Figura 2.1 Diagrame pentru ilustrarea noțiunilor

În tabelul 2.1 se prezintă o evoluție a sistemelor mecanice, electrice și mecatronice.

Tabelul 2.1

2.2 Elemente componente ale acționărilor electrice

Schema bloc a unei acționari electrice prin intermediul mecanismelor de acționare este prezentată in figura 2.2.

Figura 2.2 Schema bloc a ansamblului motor – mecanism de acționare –sarcină

2.2.1 Sarcina reprezintă obiectul(greutatea) ce trebuie deplasat prin intermediul mecanismului de acționare de catre motor.

2.2.2 Mecanism

Un mecanism este un sistem tehnic alcătuit din mai multe piese, o parte din ele mobile, o parte fixe care sunt angrenate între ele, astfel încît unele elemente mobile să transmită forțe, miscări, altor elemente mobile din angrenaj.

Mecanismele pot fi acționate prin intermediul unor sisteme electrice, hidraulice, pneumatice, de unde apare și denumirea de electromecanisme, sisteme mecanohidraulice, sisteme mecanopneumatice.

Mecanismele de acționare au câteva funcții importante:

Transmiterea mișcării de la motor la sarcină; toate mecanismele de acționare au acest rol, dar exemple mai spectaculoase sunt transmisiile cardanice sau cele cu arbori flexibili;

Adaptarea mișcării motorului la mișcarea sarcinii. Pot fi motoare rotative și sarcini cu mișcare de translație, între care trebuie să se interpună un mecanism adecvat (șurub-piuliță, pinion-cremalieră, pinion-curea dințată etc.), sau motoare liniare și sarcini cu mișcare de rotație, între care se intercalează mecanisme de tip: cremalieră-pinion, cablu/curea dințată/lanț – roată/pinion/roată de lanț etc;

Adaptarea parametrilor cinematici și dinamici ai motorului (cursă, viteză/viteză unghiulară și forță/moment) la parametrii cinematici și dinamici ai sarcinii.

Întrucât mecanismul de acționare complică ansamblul și introduce erori, datorită jocurilor și deformațiilor elastice, proiectanții preferă, ca, acolo unde este posibil, sarcina să fie legată direct pe tija/axul motorului. Sunt „acționările directe = directdrive”, uzuale în acționarea hidraulică/pneumatică sau cu anumite tipuri de actuatori electrici (electromagneți, actuatori piezoelectrici) a unor sarcini cu mișcare de translație, dar care, în cazul motoarelor electrice rotative, impun, în multe cazuri utilizarea unor motoare speciale, costisitoare, cu moment motor mare, numite „torque motors”.

Utilizarea unor mecanisme de acționare complică ansamblul motor – sarcină, datorită unor elemente care au mișcări diferite și la parametri cinematici diferiți de motor.

Acționarea electrică se realizează cu ajutorul motoarelor electrice care transformă energia electrică având ca parametri caracteristici: tensiunea electrică (U) și intensitatea (I) în energie mecanică cu parametrii caracteristici: cuplu (C), turație (n), forță (F), viteză (v), figura 2.3.

Figura 2.3 Schema de conversie a energei electrice în energie mecanică

Alegerea motorului și implementarea unor algoritmi de comandă corespunzători acestuia, impun raportarea tuturor elementelor cinematice și dinamice la axul motorului, prin intermediul unor ecuații de forma:

pentru motoare rotative, respectiv:

pentru motoare liniare.

Mărimile care apar în relațiile (2.1) și (2.2) au următoarele semnificații:

Mm – momentul dezvoltat de un motor rotativ la axul său de rotație;

Jr – momentul de inerție redus (resimțit) la axul motorului, în cazul accelerării tuturor maselor din sistem;

εm – accelerația unghiulară dezvoltată de motor;

Mr – momentul rezistent redus (resimțit) la axul motorului, corespunzător tuturor forțelor și momentelor rezistente și de frecare din sistem;

Fm – forța dezvoltată de un motor liniar la elementul (tija) de translație;

mr – masa redusă (resimțită) la tija motorului, în cazul accelerării tuturor maselor din sistem;

am – accelerația liniară dezvoltată de motor;

Fr – forța rezistentă redusă (resimțită) la axul motorului, corespunzătoare tuturor forțelor și momentelor rezistente și de frecare din sistem;

Elaborarea ecuațiilor de forma (2.1), respectiv (2.2), presupune rezolvarea a trei categorii de probleme:

Reducerea maselor/momentelor de inerție la tija/axul motorului;

Reducerea forțelor/momentelor rezistente din sistem la tija/axul motorului;

Alegerea unui profil adecvat de viteză a motorului și calculul accelerațiilor motoare, pe diferitele paliere ale profilului ales.

După anul 1990, pe plan mondial se constată o tendință vizibilă pentru utilizarea acționării electrice în domeniul roboților industriali, mașinilor unelte cu comandă numerică, perifericelor de calculator etc. În mare parte, această tendință se justifică prin progresele deosebite înregistrate în proiectarea și construcția sistemelor electrice de acționări, apariția motoarelor rapide și ușor de controlat, a unor materiale magnetice noi cu energii mari și a unor sisteme de comandă robuste și viabile, precum și prin implicarea directă a calculatoarelor electronice în sistemele de comandă în timp real.

Acționarea electrică tinde să devină cea mai răspândită variantă de acționare industriala datorită unor avantaje evidente, cum ar fi:

disponibilitatea energiei electrice în qvasitotalitatea mediilor în care acționează roboții, mai puțin mediile explozive;

fiabilitatea ridicată și gabaritul redus ale motoarelor electrice realizate la ora actuală;

modalități simple de reglare a parametrilor cinematici și dinamici;

compatibilitatea cu sistemele de comandă, cu traductorii de măsură a deplasărilor și vitezei și cu sistemul senzorial;

prețurile moderate datorită faptului că elementele acționării sunt standardizate și executate în producție de serie în întreprinderi specializate.

Principalul dezavantaj al acționărilor electrice constă în necesitatea utilizării unor mecanisme suplimentare pentru reglarea parametrilor cinematici și dinamici (viteze, forțe, momente) la valorile impuse de funcționarea robotului (transformatoare, convertizoare etc.).

2.2.3 Motoarele electrice

Acționare a unei sarcini mecanice se face prin intermediul unui motor, de un anumit tip, între care se interpune, în cele mai multe cazuri un mecanism de acționare cu rolul de a realiza o adaptare a parametrilor cinematici și dinamici ai motorului la cei ai sarcinii.

Motoarele (actuatorii) pot fi: electrice, hidraulice, pneumatice, mecanice, chimice și pot genera la tija/axul lor o mișcare de translație (motoare liniare) sau o mișcare de rotație (motoare rotative).

Motoarele electrice cele mai des utilizate în acționarea electromecanică pot fi clasificate și grupate după o serie de criterii. Se utilizează motoare de curent continuu și curent alternativ, sincrone și asincrone, etc.

În figura 2.4 se prezintă o secțiune printr-un motor asincron și un motor de curent continuu, folosite în structura servomecanismelor cu acționare electrică.

b.

Figura 2.4. Motoare electrice utilizate în sistemele de acționare

a. motor de ca b. motor de cc

O categorie specială de motoare electrice, cu largă utilizare practică în robotică, mecanică fină și mecatronică o constituie motoarele pas cu pas. Aceste motoare reprezintă mașini electrice sincrone modificate, având înfășurările de comandă alimentate cu un sistem n-fazat de impulsuri de tensiune și rotorul fără înfășurări proprii. Deoarece câmpul magnetic din întrefierul motorului are o repartiție discretă, mișcarea rotorului constă din deplasări unghiulare elementare succesive, denumite pași.

CAP.3

Infrastructura feroviară

3.1.Suprastructura căii este ansamblul constructiv aflat deasupra platformei, fiind alcătuit din cele două șine, traversele și prisma de balast.(fig.3.1)

Fig. 3.1. Alcătuirea suprastructurii căii ferate.

3.2.Infrastructura căii cuprinde toate elementele aflate de la suprafața platformei, în jos, adică terasamentele căii (deblee și ramblee) și lucrările de artă: tuneluri, poduri, viaducte, ziduri de sprijin, etc.

Pentru o bună exploatare, calea ferată include și alte construcții și instalații anexe: stații, noduri și triaje, clădiri și instalații.

3.3. Instalatiile fixe de electrificare.

În prezent majoritatea liniilor feroviare sunt electrificate . Cel mai răspândit sistem de electrificare este cel cu frecvența de 50 Hz și tensiunea de 25 Kv. Elementele componente ale unei căi ferate electrificate sunt prezentate în figura 3.2.și cuprinde următoarele instalații:

instalație producătoare de energie electrică C centrale termo și hidro electrice

linii electrice pentru transportul energiei electrice la mare distanța LT

Instalații pentru racordarea căii ferate electrice la liniile de transport adică așa numitele substații de tracțiune ST , care au drept scop să transforme tensiunea înaltă care circulă în linia de transport LT în tensiune necesară căii ferate electrice.

Linia de contact LC , care este o rețea electrică aeriană constituită de-a lungul căii ferate de la care locomotiva absoarbe energie electrică .

Șinele , care în afară de rolul lor de cale de rulare mai îndeplinesc și rolul de conductor de întoarcere a curentului la substația de tracțiune .

Figura 3.2.Elementele componete ale unei căi ferate electrice

Locomotiva electrică LE , care primește energie electrică de la linia de contact și o transformă în energie mecanică la obada roților .Curentul electric de tracțiune circula de la barele de plecare ale substației prin linia de contact LC și este captata prin pantograful P al locomotivei. De la locomotiva , curentul se întoarce prin șine la barele B ale substației

In lungul liniei ,din loc în loc , se montează posturile de secționare PS , care, așa cum le arată numele , au rolul de a secționa linia în caz de avarie . Aceste posturi au și rolul de a lega în paralel liniile de alimentare în cazul liniilor ferate duble .

Sistemele de alimentare pot fi : de curent continuu , de în curent alternativ monofazat și de curent alternativ trifazat . În țara noastră , electrificarea căilor ferate se face în sistemul de alimentare în curent monofazat 25 kv și 50 Hz, folosindu-se locomotive electrice cu redresoare cu diode cu siliciu și motoare electrice de tracțiune de curent continuu.

3.4.. Calea de rulare.

Calea de rulare cuprinde:

Calea ferată este formată din ansamblul instalațiilor, clădirilor și amenajărilor destinate asigurării unei activități feroviare normale.

Pentru a fi construită, o cale ferată necesită executarea unei platforme pe care să se așeze calea. Platforma de pământ a căii obținută la cotele din proiect se numește terasament.

Linia, pozată pe platformă, este elementul care susține direct circulația materialului rulant. Este formată din două șine metalice care păstrează între ele o distanță constantă numită ecartament(cale normala-1435cm).

Șinele se fixează pe grinzi din lemn sau beton, numite traverse. Între ele, șinele se prind cu platbande (eclise) strânse în șuruburi; punctele de prindere dintre șine se numesc joante.

Distanța dintre două joante se numește panou. Lungimea panoului depinde de lungimea de fabricație a șinei, ex. 12, 15, 30 m.

Șinele se fixează pe traverse cu tirfoane sau crampoane prin intermediul unor plăci care se așează între șină și traversă.Traversele se înglobează în stratul (prismul) de balast care se sprijină pe o platformă de pământ. Balastul rol de repartizare uniformă, pe suprafața platformei, a încărcărilor transmise de materialul rulant prin intermediul șinelor și traverselor. Șinele așezate cap la cap formează firele (două) căii.

Denumirea material mărunt de cale include: șine, piese de legătură de la joante și piese de fixare în traverse.

Fig. 3.1. Exemplu de prindere indirectă.

Traseul este deschis de linie între două puncte oarecare.Variantele de traseu sunt trasee care leagă două puncte comune.

Stațiile sunt puncte intermediare ale unui traseu de cale ferată. Trenurile se pot încrucișa (la linie simplă), se por depăși sau pot fi garate (pentru încărcare-descărcare).

Nodurile de cale ferată sunt stații mai mari unde se întretaie sau se ramifică trei, patru sau mai multe direcții. Se pot forma trenuri pentru direcții secundare.

Triajele sunt grupări de linii unde se primesc trenurile de marfă, se împart pe direcții (se triază) și se expediază. Sunt așezate pe lângă stații și în general, lângă nodurile de cale ferată.

Clădirile deservesc stațiile, nodurile și linia curentă de circulație; alte clădiri sunt cabinele de centralizare și cabinele de acari, depouri cu instalațiile aferente. În lungul căii, în linie curentă, se află cantoanele pentru personalul de întreținere și revizie.

Instalatii de semnalizare:semnale care permit circulatia trenurilor in siguranta, trecerile nivel de cale ferata si semnale sonore(ex fluier).

Materialul rulant reprezinta vehiculele care circula pe calea ferata si este compus din: locomotive, vagoane , drezine si vehicule feroviare speciale de lucru.

Aparate de cale sunt instalații care permit vehiculelor feroviare să treacă de pe o linie pe alta sau să traverseze o linie.

CAP.4

Schimbătorul de cale ferată

4.1.Aparate de cale sunt instalații care permit vehiculelor feroviare să treacă de pe o linie pe alta sau să traverseze o linie. Acesta poate fi:

aparat de manevră cu contragreutate, pentru manevrarea manuală la fața locului, fig.4.1.

Figura 4.1. Aparat de manevră cu contragreutate

electromecanism de macaz, pentru manevrarea de la distanță cu ajutorul energiei electrice, figura 4.2.

Figura 4.2. Electromecanism de macaz

În continuare se prezintă o serie de tipuri de aparate de cale:

schimbătoare de cale simplu figura 4.3 și dublu;

traversările simple și cu joncțiune, figura 4.4;

bretelele, figura 4.5.

Schimbătorul de cale simplu permite trecerea vehiculelor de pe o linie pe linia lăturată, paralelă sau nu.

Schimbătorul de cale dublu permite trecerea vehiculelor pe două linii alăturate, de ambele părți a liniei în care este montat.

Schimbătorul de cale combinat se folosește la linii încălecate cu trei fire.

Figura. 4.3 Schimbător de cale simplu

Figura 4.4. Traversare simplă

Figura 4.5 Bretela

Traversarea simplă permite trecerea vehiculelor peste o linie, fără posibilitatea de a intra pe linia traversată.

Traversările cu joncțiune permit atât traversarea simplă a liniilor cât și trecerea de pe o linie pe alta, dintr-o singură direcție sau din ambele.

Bretela este o instalație care permite legătura în ambele sensuri între două linii paralele.

Inima izolată permite trecerea vehiculelor peste firele care se întretaie la încălecare și descălecare a unei linii încălecate.

4.2.Schimbătorul de cale simplu

Schimbătorul de cale simplu este aparatul de cale cel mai des folosit pentru schimbarea direcției de mers a vehiculelor feroviare. El se montează numai pe linie în aliniament, deoarece are o direcție dreaptă și una de abatere. Unghiul α format între direcțiile celor două linii este numit unghi de deviere, putând fi la dreapta sau la stânga față de sensul de mers.

Un schimbător de cale simplu se compune din macaz, inimă de încrucișare, șine intermediare și dispozitiv de manevrare, figura 4.6.

Figura 4.6. Componentele unui schimbător de cale simplu

4.3 Elementele componente ale unui schimbător de cale simplu sunt:

Macazul este subansamblu al unui aparat de cale compus din ace, contraace, alunecatoare, șine de legătură, traverse și material mărunt de cale.

Acul macazului este un element mobil de formă specială component al aparatului de cale care, prin manevrare și fixare într-una din pozițiile extreme, permite trecerea vehiculelor de pe o linie pe alta.

Contraacele macazului sunt două șine exterioare, una în continuarea firului exterior direct iar cealaltă în continuarea firului exterior abătut de care se lipesc vârfurile acelor.

Inima de încrucișare este un ansamblu de piese metalice din componența aparatului de cale, ce permite trecerea vehiculelor feroviare de pe o linie pe alta.

Bara de conexiune este un element metalic de asamblare a acelor unui aparat de cale, având rolul de a păstra constantă distanța între ele.

Dispozitivul de manevrare, de care sunt legate prin una sau două bare de manevrare acele, permite manevrarea acelor unui macaz.

Dispozitivul de manevrare electric este un electromecanism de macaz, acționarea realizandu-se cu ajutorul motorului de curent continuu – tip EMM-0.55 cu excitație serie.(fig.4.7)

Fig.4.7. Electromecanism de macaz

CAP.5

Motorul de curent continuu

5.1. Generalități.

Motorul de curent continuu a fost inventat în 1873 de Zénobe Gramme. Acesta a conectat un generator de curent continuu la un generator asemănător. Astfel a observat că mașina se rotește, realizând conversia energiei electrice absorbite de la generator.

Motorul de curent continuu este un sistem de conversie electromecanică a energiei, care prin intermediul câmpului electromagnetic, transformă energia mecanică în energie electrică de curent continuu sau invers.

Puterea maximă a acestor motoare este limitată la circa 10 MW, deoarece toată puterea transmisă rotorului trece prin contactele glisante perii-colector. Tensiunea nominală nu depășește, în mod obișnuit, 1,5 kV, din cauza dificultății asigurării unei tensiuni maxime de 20 V între două lamele de colector învecinate, pentru a se evita apariția cercului de foc la colector. Aceasta se manifestă prin apariția scânteilor la contactul dintre perii si colector care determină o supraîncălzire si colorare in brun închis a colectorului.

Motoarele de curent continuu sunt folosite în numeroase acționări electrice datorită modului simplu și economic de modificare a turației prin tensiunea de alimentare și prin dispariția câmpului.

La pornirea motorului, tensiunea electromotoare indusă este nulă, iar curentul are o valoare limitată de rezistența înfășurării indusului și de rezistența de trecere la perii.

Ip = U/Ra (1.1)

Schimbarea sensului de rotație a motorului de curent continuu se poate face prin schimbarea sensului curentului în înfășurarea de excitație sau prin schimbarea sensului curentului, inversând legăturile la perii sau schimbând polaritatea tensiunii de alimentare a indusului. Prima metodă are avantajul utilizării unor contactoare de mică intensitate, dar prezintă o inerție mare datorită inductivităților mari din circuitul de excitație. Mărirea sau micșorarea vitezei se face prin modificarea tensiunii de alimentare, a curentului de excitație sau prin introducerea de rezistențe în circuitul rotorului.

5.2.Tipuri de motoare de curent continuu

5.2.1.Motorul de current continuu cu magneti permanenți

Motorul cu magnet permanent este cel mai utilizat tip de motor de curent continuu din lume. Aceste motoare folosesc magneți permanenți pentru a produce câmpul magnetic al statorului. Motoarele PMDC sunt folosite, în deosebi, în aplicațiile de putere mică deoarece în acest caz magneții permanenți sunt mai ieftini decât electromagneții. Dezavantajul acestui tip de motor este că în timp magneții își pierd proprietățile magnetice. Unele motoare cu magneți permanenți au înfășurări speciale care previn pierderea proprietăților magnetice. Curbă de performanță (tensiune-viteza) este foarte liniara în cazul motoarelor de curent continuu cu magneți permanenți. De asemenea consumul de curent variază liniar cu cuplul. Aceste motoare răspund foarte rapid la modificarea tensiunii deoarece câmpul magnetic al statorului este întotdeauna constant.

Figura 5.2.1. Motorul de curent continuu cu magnet permanent

5.2.2.Motorul de curent continuu cu excitație paralelă

Motoarele de curent continuu cu câmp magnetic de excitație paralel au bobină de excitație în paralel cu rotorul. Curentul din bobina și cel din rotor sunt independenți. Astfel aceste motoare au un control foarte bun al turației. Acest tip de motor este utilizat în aplicații de putere mai mare decât cele cu magneți permanenți. Spre deosebire de motoarele cu magneți permanenți, pierderea proprietăților magnetice nu mai este o problemă la acest tip de motor.

Figura 5.2.2. Motorul de curent continuu cu excitație paralelă

5.2.3. Motorul de curent continuu cu excitație serie

Motoarele de curent continuu cu perii cu câmp magnetic de excitație serie au bobină de excitație în serie cu înfășurarea rotorica. Aceste motoare sunt ideale pentru aplicațiile care necesită cuplu ridicat deoarece curenții din stator și rotor cresc odată cu creșterea sarcinii. Un dezavantaj al acestui tip de motor este că spre deosebire de motoarele cu magneți permanenți și cele cu excitație paralelă, nu permite controlul precis al vitezei.

Figura5.2.3. Motorul de curent continuu cu excitație serie

5.2.4. Motorul de current continuu cu excitație mixtă.

Motoarele cu excitație mixtă reprezintă o combinație a motoarelor cu excitație serie și a celor cu excitație paralelă. După cum se observă în Fig.5.2.4, aceste motoare au atât o înfășurare de excitație serie cât și una paralelă. Motoarele cu excitație mixtă au cuplu mai mare decât cele motoarele cu excitație paralelă și permit un control al vitezei mai exact decât în cazul motoarelor cu excitație serie

Figura5.2.4. Motorul de curent continuu cu excitație mixtă.

5.3. Funcționarea motorului de curent continuu

Înfășurarea rotorică parcursă de curent va avea una sau mai multe perechi de poli magnetici echivalenți. Rotorul se deplasează în câmpul magnetic de excitație până când polii rotorici se aliniază în dreptul polilor statorici opuși. În același moment, colectorul schimbă sensul curenților rotorici astfel încât polaritatea rotorului se inversează și rotorul va continua deplasarea până la următoarea aliniere a polilor magnetici.

Pentru acționări electrice de puteri mici și medii, sau pentru acționări ce nu necesită câmp magnetic de excitație variabil, în locul înfășurărilor statorice se folosesc magneți permanenți.Turația motorului este proporțională cu tensiunea aplicată înfășurării rotorice și invers proporțională cu câmpul magnetic de excitație. Turația se reglează prin variația tensiunii aplicată motorului până la valoarea nominală a tensiunii, iar turații mai mari se obțin prin slăbirea câmpului de excitație. Ambele metode vizează o tensiune variabilă ce poate fi obținută folosind un generator de curent continuu (grup Ward-Leonard), prin înserierea unor rezistoare în circuit sau cu ajutorul electronicii de putere (redresoare comandate, choppere).

Cuplul dezvoltat de motor este direct proporțional cu curentul electric prin rotor și cu câmpul magnetic de excitație. Reglarea turației prin slăbire de câmp se face cu diminuarea cuplului dezvoltat de motor. Motoarele de curent continuu cu excitație serie se folosesc în tracțiunea electrică urbană și feroviară (tramvaie, locomotive).

Schimbarea sensului de rotație se face fie prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare, fie prin schimbarea sensului câmpului magnetic de excitație.

M = Km *Ø *Ia

La motorul serie, prin schimbarea polarității tensiunii de alimentare se realizează schimbarea sensului ambelor mărimi și sensul de rotație rămâne neschimbat. Un astfel de motor se numește motor universal și se utilizează în aplicații casnice de puteri mici și viteze mari de rotație (aspirator, mixer).

5.4. Elemente constructive (Figura 5.5.1)

Figura 5.5.1. Elementele componente ale unui motor de c.c.

Motorul de curent continuu este construit din două părți componente: stator și rotor.

5.5.1.Statorul (figura 5.5.2) este partea fixă a mașinii, fiind compusă din:

circuit magnetic (miez feromagnetic);

sistem de înfășurări;

carcasă.

Figura 5.5.2. Elementele componente ale statorului

Carcasa de formă cilindrică, se execută din tablă de oțel îndoită și sudată (la mașinile de puteri mici), respectiv din oțel sau fontă turnată (la mașinile de puteri mari). De obicei, carcasa constituie jugul inductorului, prin care se închide fluxul magnetic al mașinii. Tălpile de fixare a mașinii de fundație sunt sudate de carcasă sau se toarnă împreună cu aceasta.

La mașinile de putere mică, precum și la cele alimentate prin convertoare statice, circuitul magnetic al inductorului se realizează în întregime din tole. Înfășurarea de excitație și cea de comutație se execută din sârmă sau bare de cupru izolate (sub formă de bobine), care se dispun pe poli. Bobinele ce aparțin aceleiași înfășurări se conectează astfel încât între ele, atunci când sunt parcurse de curent, să determine o polaritate alternativă N – S – N – S a polilor respectivi. Capetele înfășurărilor sunt conectate la bornele din cutia de borne, care este fixată de carcasă.

5.5.2Rotorul (figura 5.5.3) este partea mobilă a mașinii, fiind compusă din:

circuit magnetic (miez feromagnetic);

sistem de înfășurări;

arbore;

sistem colector.

Figura 5.5.3. Elementele componente ale rotorului

Miezul rotoric este confecționat din tole de oțel electrotehnic de 0,5 mm grosime și este fixat pe arbore fie direct, fie prin intermediul unui butuc. Înfășurarea rotorului este o înfășurare repartizată în două straturi, fiind plasată în crestăturile echidistante practicate pe marginea exterioară a miezului. Bobinele acestei înfășurări sunt efectuate din conductoare de cupru izolate. Consolidarea bobinelor în lungul crestăturilor se realizează cu pene din material izolant, iar la capete cu bandaje din sârmă de oțel, fibre poliesterice etc. Capetele bobinelor se racordează (prin lipire ) la lamelele comutatorului.

Între stator și rotor există o porțiune de aer numită întrefier folosită pentru a putea transfera câmpul magnetic din circuitul magnetic către exterior, sau pentru a limita valoarea maximă a câmpului magnetic. Grosimea întrefierului este un indicator important al performanțelor motorului.

5.5. Caracteristicile motorului de c.c. cu excitație serie

Schema simbolică a motorului de c.c. cu excitație serie este redată mai jos (5.5.4), având ecuațiile cu neglijarea căderii de tensiune pe perii Up 0

Figura 5.5.4

; ;

Deoarece curentul absorbit de motor de la rețea este acum același cu curentul ce parcurge înfășurarea rotorică și de excitație, fluxul mașinii este funcție de curentul din indus, având o dependență neliniară. Aproximând caracteristica magnetică neliniară în funcție de curentul din indus cu relația:

reprezentată grafic în figura de mai jos, figura 5.5.5., unde:

Figura 5.5.5

s fluxul de saturație al polilor inductori;

Ie valoarea curentului determinată de intersecția tangentei la porțiunea liniară a caracteristicii de magnetizare .

Pentru determinarea caracteristicii mecanice a motorului serie vom analiza valoarea curentului indus, funcție de valoarea limită Ie.

Caracteristica cuplului

În ecuația cuplului înlocuind fluxul cu rezultă:

Pentru I IL rezultă: , deci variație pătratică având valori pentru I = IL .

Pentru I IL rezultă: deci: variația liniară.

Dependența astfel obținută, este redată în figura 5.5.6:

Figura 5.5.6

Caracteristica de sarcină (externă) se obține din ecuația de tensiuni:

unde: obținând: .

sau .

La valori mici ale curentului din indus I Il rezultă:

, deci .

Pentru valoarea curentului din indus I Ie:

caracteristică liniară asemănătoare cu cea a motorului derivație dar de pantă mult mai mare datorată prezenței rezistenței înfășurării de excitație. În figura 5.5.7 este redată variația

Figura 5.5.7

Caracteristica mecanică se obține înlocuind expresia cuplului în relația turației:

Obținem astfel:

Pentru I IL expresia cuplului este:

sau

și respectiv

deci: .

La valori mari ale curentului din indus I IL avem:

caracteristică identică cu cea a motorului cu excitație derivație, dar de pantă pronunțată datorită înserierii cu indusul a înfășurării de excitație (figura 5.5.8).

Figura 5.5.8

Din examinarea caracteristicii, rezultă că la cupluri mici motorul se ambalează, deci trebuie evitată funcționarea în gol. Datorită caracteristicii mecanice căzătoare, motorul cu excitație serie este utilizat la tracțiunea electrică urbană și feroviară.

Caracteristicile de reglare a vitezei vizează metodele de reglare a vitezei,

domeniul de reglare a vitezei (nmin , nmax) și aprecierea economicității acestor metode.

În cazul general, în care indusul este înseriat cu un reostat de rezistenta reglabilă Rs , ecuațiile de funcționare conduc la expresia turației:

Aceasta expresie pune în evidență următoarele posibilități de reglare a turației la un cuplu de sarcină Mr dat:

variatia rezistentei reostatului de reglaj Rs;

modificarea fluxului magnetic F;

variația tensiunii de alimentare Ub.

Reglajul turației prin creșterea rezistenței în circuitul indusului.

Comparativ cu motorul cu excitație derivație ce are o caracteristica rigida , motorul cu excitație serie are caracteristica la P=ct.

În cazul motorului serie, IA = Ie = I.

Dacă sarcina este suficient de mică pentru a considera fluxul F proporțional cu curentul IA , respectiv că motorul este nesaturat, , atunci expresia caracteristicii mecanice în prezența reostatului de reglaj Rs este:

Dacă la sarcini mari, motorul se saturează atât de mult încât fluxul magnetic poate fi considerat independent de sarcina F = constant, atunci variația n(Mr) este liniară, ca si în cazul motorului derivație.La un cuplu de sarcină dat, turația se reduce pe măsura creșterii rezistenței Rs ( figura 5.5.9. b).

Deoarece puterea utilă scade odată cu scăderea turației, randamentul în acționare scade, puterea dezvoltată în reostatul Rs , reprezentând o parte din pierderile bilanțului conversiei electromecanice a energiei.

Reglajul turației prin modificarea fluxului inductor.

Modificarea fluxului inductor presupune modificarea curentului de excitație. Metoda aceasta este prin excelență o metodă de creștere a turației prin slăbirea fluxului inductor.

În general se utilizează pentru creșterea turației până la de doua ori valoarea nominală. Peste aceasta limită, epuizarea câmpului magnetic inductor poate avea efecte adverse negative asupra stabilității si comutației.

Reostatul de câmp Rc, la acționarea căruia se modifică fluxul inductor, respectiv curentul de excitație Ie , este un reostat în serie cu înfășurarea de excitație în cazul motorului derivație (figura 5.5.10), respectiv în paralel cu înfășurarea de excitație la motorul serie (figura 5.5.11).

Figura 5.5.10. Reostat în serie cu înfășurarea Figura5.5.11Reostat în paralel cu înf.de excitație la motorului derivație motorul serie

Reglajul turației prin modificarea tensiunii de alimentare

C.1 Acționarea Ward-Leonard respectiv grupul motor asincron – generator de curent continuu – motor de curent continuu (figura 5.5.12).

Turația ansamblului motor asincron   < M3~ – generator – excitație E > este practic independentă de regimul de sarcină, respectiv de cuplul rezistent la axul motorului care antrenează instalația de acționat M.

                           Figura 5.5.12. Acționarea Ward – Leonard

Modificarea turației motorului M doar prin modificarea tensiunii la bornele indusului său are loc prin reglajul reostatului de câmp Rcg, care modifică de fapt curentul de excitație al generatorului G si prin urmare, tensiunea indusă. Turația n a grupului se poate regla si prin schimbare fluxului inductor al motorului M, respectiv acționând asupra reostatului Rcm.

Acționarea este reversibilă, sensul de rotație putând fi inversat prin schimbarea poziției oricăruia dintre cele doua inversoare k1și k2 din figura 5.5.12.

C.2.Acționarea cu ajutorul electronicii de putere

Capitolul 6

Construcția si funcționarea electromecanismului EM-5 de acționare a schimbătorului de cale ferată

6.1. Clasificarea electromecanismelor de macaz

Instalațiile de centralizare electrodinamică reprezintă ansamblul de echipamente electrice și electronice cu care impiegatul de mișcare, prin intermediul unui pupitru sinoptic, comandă și controlează în condiții de siguranță realizarea parcursurilor și punerea pe liber a semnalelor luminoase de circulație sau de manevră.

În instalațiile de centralizare electrodinamică, fiecare macaz, fiind comandat de la distanță, este echipat cu un electromecanism de macaz; acesta fiind un mecanism acționat electric de la postul central printr-un cablu.

Electromecanismul este montat pe traversele de la vârful macazului, legat de acele acestuia, printr-un sistem de bare, asigurând înzăvorârea acului lipit de contraac, fixarea acului dezlipit cât și controlul poziției macazului (printr-un circuit electric ce utilizează aceleași conductoare ale cabului de acționare).

Electromecanismele de macaz se clasifică după o serie de criterii:

După tipul motorului de acționare:

– electromecanisme cu motoare de curent continuu;

– electromecanisme cu motoare de curent alternativ;

După tipul acționării:

– mecanisme acționate pur electric;

– mecanisme acționate electrohidraulic;

– mecanisme acționate electropneumatic;

După modul de înzăvorâre:

electromecanism de macaz cu înzăvorâre interioară tip EM-1 și EM-2 EM-4;

electromecanism de macaz cu înzăvorâre exterioara tip EM-5 și EM-5R;

Condițiile tehnice și de siguranță care trebuiesc îndeplinite de un electromecanism de macaz sunt:

– să asigure manevrarea și înzăvorârea acelor macazului în poziția manevrată;

– în poziția înzăvorâtă a macazului să asigure între acul dezlipit și contraac o distanță de cel puțin 125 mm;

– să nu permită înzăvorârea acelor, în cazul când între ac și contraac este o distanță de 4 mm sau mai mare, întrucât în acest caz există pericol de deraiere;

– să fie talonabil, adică să permită manevrarea macazului de către roțile trenului în cazul când macazul este atacat fals pe la călcâi, fără deteriorări importante, dar să semnalizeze acest lucru prin întreruperea contactului;

– să asigure o protecție corespunzătoare elementelor componente la sfârșitul cursei de manevrare, când acul lipit se oprește brusc, iar motorul se mai învârtește datorită forței de inerție.

– să asigure posibilitatea manevrării manuale de la fața locului în cazuri de defectare a circuitelor electrice, sau a unor componente mecanice;

– să permită ca după începerea manevrării macazului,acesta să poată fi readus în poziția inițială din orice poziție intermediară.

6.2 Elemente constructive și funcționale ale electromecanismului de acționare macaz tip EM-5

Electromecanismele de macaz EM-5/EM-5R se folosesc în instalațiile SCB, având următoarele functii:

– asigura în pozițiile extreme lipirea și fixarea acului de contraac;

– asigură controlul pozițiilor extreme al acelor macazului;

– asigură cursa de 220 ± 5 mm;

– este de tip netalonabil sau talonabil și poate să fie folosit atât la macaz simplu, cât și la macaz dublă joncțiune;

– electromecanismele EM-5/EM-5R pot fi acționate pe cale electrică de la un post central sau manual cu ajutorul unei manivele.

Parametri tehnico-funcționali:

Tipuri constructive: EM-5, fără reductor și EM-5R, cu reductor;

Electromecanismele de macaz EM-5/EM-5R au cutia din fontă, prevăzută cu capac pentru protecția cremalierei și liniarelor de control;

Motor de acționare : tip EMM-0,55, excitație serie, tensiune nominală 100 V, turație 720 rot/min, P=270±10% W;

Cuplajul de fricțiune permite reglarea: până la 4250 N ± 250 N pentru EM-5R, de la 1000 N pâna la 2500 N pentru EM-5;

Efort de talonare maxim: 15000 N, fără a provoca autotalonarea;

Regim de funcționare normală.

În figura6.1 se prezintă o imaginea electromecanismului de acționare macaz tipEM5.

Figura 6.1 Electromecanism de acționare macaz EM 5

În figura 6.2 se prezintă schema de principiu a electromecanismul de acționare macaz tip EM 5, unde sunt precizate elementele constructive.

Acest tip de electromecanism se compune din motorul electric 1, a cărui mișcare este transmisă cu ajutorul angrenajelor formate din roțile dințate Z1-Z2 și Z3-Z4 la ambreiajul de fricțiune 2, care are rolul de a proteja electromecanismul împotriva suprasarcinilor care apar în timpul manevrării. De la ambreiajul de fricțiune mișcarea de rotație este transmisă prin intermediul altor angreanje cu roți dințate Z5-Z6 la ambreiajul de talonare 3, care în principal protejează electromecanismul în cazul atacării false a macazului. Momentul transmis de motor este preluat în continuare de către roata dințată Z7 și care prin intermediul cremalierei de pe liniarul 9, transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație. Liniarul 9 , prin intermediul barelor de manevrare, trece acele macazului de pe o poziție pe alta. Poziția nr. 8 din figura 5.2 reprezintă un distanțier. Electroemecanismul mai cuprinde comutatoarele automate 5 și două liniare de control 6, prin care se face legătura între poziția reală a acelor de pe teren și schema electrică pentru controlul poziției macazului.

Fig 6.2 Reprezentarea schematică a electromecanismului de macaz tip EM-5

Toate elementele componente ale electromecanismului sunt montate într-o cutie de fontă 7, fixată prin intermediul a patru urechi pe două plăci de oțel, care sunt montate, la rândul lor pe două traverse alăturate.

Motorul electric utilizat este un motor de curent continuu cu excitație în serie, reversibil, bipolar, de tip capsulat, cu răcire naturală. Reversibilitatea motorului, adică schimbarea sensului de rotație, se obține prin conectarea în serie cu rotorul a câte unei singure înfășurări a statorului. Pentru ca electromecanismul să poată fi manevrat și manual,(în cazul unor defecțiuni), axul motorului electric este prevăzut la un capăt cu o secțiune pătrată, pe care se poate introduce o manivelă.

Ambreiajul de fricțiune se folosește pentru a proteja deteriorarea pieselor mobile ale mecanismului, deoarece la terminarea cursei de manevrare a limbilor acului, mecanismul de macaz se oprește brusc, iar motorul electric se rotește în continuare, chiar și după întreruperea alimentării, datorită forțelor de inerție.

Acesta este necesar și pentru decuplarea motorului când între ac și contraac există un obiect care împiedică manevrarea până la capăt sau când macazul se manevrează greu. În acest caz este necesar să se protejeze motorul față de eventuala suprasarcină ce apare la manevrare și care poate conduce la arderea mototrului. Mișcarea de rotație obținută cu ajutorul motorului electric este transmisă ambreiajului de fricțiune prin intermediul roților dințate Z2 și Z3.

Ambreiajul de fricțiune, figura 6.3 este compus dintr-o carcasă cilindrică 1, care este solidară cu roata dințată Z4, fiind montată liber pe ax. În interiorul carcasei se montează opt discuri de metal, dintre care patru discuri sunt de fontă și patru discuri sunt din oțel. Discurile de fontă 2 sunt antrenate de carcasa cilindrică 1 cu ajutorul a trei pene dispuse pe suprafața interioară a carcasei. Discurile de fontă pot să culiseze de-a lungul celor trei pene, dar se vor roti odată cu carcasa 1 și deci odată cu roata dințată Z4 montată liber pe ax.

Discurile de oțel 3 sunt calate pe arborele 4 (fixate pe axul cuplajului) cu ajutorul a trei pene longitudinale, prevăzute de-a lungul arborelui. Toate discurile de oțel se vor roti odată cu axul culajului de fricțiune.

În carcasa 1, cele opt discuri se montează intercalat (un disc de oțel, apoi unul de fontă, din nou un disc de oțel și așa mai departe). Discurile sunt comprimate printr-un resort puternic 5, care presează discurile în carcasă prin intermediul șaibei de presiune 6.

Figura 6.3 Ambreiajul de fricțiune

Forța de presiune poate fi reglată cu ajutorul piuliței crenelate de reglaj 7, asigurată împotriva deșurubării printr-un șurub 8, care se înșurubează în arbore prin crenelurile piuliței. În felul acesta acesta, roata dințată Z4 care primește mișcarea de rotație de la motorul electric, fiind fixată solidar cu carcasa cilindrică 1, rotește și discurile de fontă 2. Datorită forței de frecare ce se realizează între discurile de fontă 2 și discurile 3, prin presiunea provocată de resortul 5, discurile de fontă antrenează cu ele discurile de oțel și odată cu ele axul cuplajului.

Mișcarea de rotație a roții dințate Z4 se transmite axului cuplajului, care în continuare, transmite această mișcare unui alt dispozitiv, numit ambreiajul de talonare, prin roata dințată Z5.

Reglarea presiunii dintre discurile de oțel și discurile de fontă trebuie să se facă în anumite limite, astfelîncât să se asigure decuplarea sistemului la finele cursei de manevrare, când axul cuplajului de fricțiune cu discurile de oțel se oprește brusc, iar carcasa cilindrică 1 cu discurile de fontă continuă să se rotească, datorită forței de inerție a motorului, învingând forța de frecare dintre discuri.

Forța de frecare dintre discuri trebuie să fie mai mare decât forța necesară pentru manevrarea macazului. De aceea în exploatare ambreiajul de fricțiune se reglează pentru o forță de 1250-1750 N. Dacă se depășește această forță, ambreiajul de fricțiune patinează, protejând motorul electric care se rotește în continuare.

Ambreiajul de talonare servește pentru protecția electromecanismuli de macaz în cazul atacării false a macazului, precum și pentru împiedicarea manevrării spontane a macazului datorită trepidațiilor.

În cazul funcționării normale, ambreiajul de talonare acționează ca o piesă rigidă, iar în cazul atacării false asigură decuplarea legăturii dintre acele macazului și sistemul de transmisie, protejându-se astfel piesele componente ale elctromecanismului.

Comutatorul automat permite obținerea unui control efectiv al poziției macazului, precum și comutarea alimentării motorului în vederea schimbării sensului de rotație. Electromecanismul EM 5 este prevăzut cu două comutatoare automate. Fiecare comutator este format din câte un bloc de șase contacte de tip cuțit, dintre care două perechi de contacte sunt de o construcție mai robustă, întrucât sunt conectate în circuitul de manevrare al macazului.

Cutia electroemcanismului este dreptunghiulară, realizată din fontă și prevăzută cu un capac de tablă, în interiorul ei fiind montate motorul electric și întregul mecanism de antrenare. Cutia este asigurată împotriva umezelii, ploii, zăpezii sau a altor copruri strine. Este prevăzută cu o încuietoare cu cheie specială.

Construcția cutiei electromecanismului permite montarea pe ambele părți a cremalierelor și liniarelor de control, astfel că se pot folosi aceleași garnituri, bare și capace. Astfel, același electromecanism poate fi montat atât pe dreapta cât și pe stânga, în mabele cazuri succesiunea liniarelor spre vârful macazului fiind mereu aceeași.

6.3 Schema de conectare a electromecanismului de macaz cuprinde trei circuite distincte, cuplate între ele prin contacte de relee:

circuitul de comandă, alimentat de la bateria de acumulatoare de 24 V a instalației;

circuitul de manevrare, alimentat de la bateria de acumulatoare de 160 V a instalației, folosind pentru acționarea motorului numai două conductoare;

– circuitul de control, alimentat de la o rețea proprie de curent alternativ de 127 V, cu frecvența de 50 Hz sau 75 Hz.

Fig.6.4. Schema electrică bifilară a electromecanismului de macaz EM-5 la instalațiileCR-2

Principalele notații întâlnite în schemele electromecanismelor de macaz sunt:

– Mm: maneta macazului;

– MB: buton din interiorul manetei (la pupitrul vertical);

– BAv: buton de avarie;

– BP: buton de comandă macaz pe plus (la pupitrul domino);

– BM: buton de comandă macaz pe minus (la pupitrul domino);

– M: motorul electromecanismului;

– PM: releu de pornire macaz;

– IM: releu de inversare a acționării macazului;

– KM: releu de control al poziției macazului;

– KMP: releu de control al poziției plus a macazului;

– KMM: releu de control al poziției minus a macazului;

– RKMP: repetitor releu KMP;

– RKMM: repetitor releu KMM;

– CA: contacte ale comutatorului automat al electromecanismului;

– Z: releu zăvor;

– SI: releu de secțiune izolată;

– RSI: repetitor al releului de secțiune izolată;

– RT: releu talonare;

– KT: releu control talonare;

– CMP: releu comandă macaz pe plus;

– CMM: releu comandă macaz pe minus;

– BT: buton talonare;

– C: contact de protecție al dispozitivului de închidere a cutiei electromecanismului;

– BDM: buton deblocare macaz – permite manevrarea cu secțiunea izolată ocupată (plombat);

– BAM: buton de regim automat sau manual;

– RSiT: releu repetitor cu temporizare la atragere de 8 secunde al releului de secțiune izolată.

Circuitul de comandă are drept scop acționarea releului PM (pornire macaz), care fiind alimentat între mediana bateriei de 24 V a instalației (± 12V) și unul din capetele ei ( +24 V sau -24 V), își va atrage armătura neutră și își va comuta armătura polarizată, după cum macazul trebuie manevrat pe plus sau pe minus. Releul PM se va atrage numai dacă secțiunea macazului este liberă și dacă macazul respectiv nu este cuprins într-un parcurs comandat anterior și înzăvorât electric. Aceste condiții se verifică prin înserierea în circuitul releului a contactelor de lucru ale releelor Z (zăvor) și SI (secțiune izolată).

La instalațiile CR-2 pentru acționare în urma rotirii manetei (Mm) și apăsării pe buton (MB) se stabilește circuitul (fig.6.4.):

±12V – SI↑ – Z↓ – – Mm – MB – -24V.

Releul PM se excită, își atrage armătura neutră și își comută armătura polarizată, deoarece anterior (când s-a manevrat pe plus), circuitul, care s-a stabilit a fost:

+24V – MB – Mm – – Z↑ – SI↑ – ±12V.

↑- circuitul se închide prin contactul de lucru; ↓- circuitul se închide prin contactul de repaus

Dacă secțiunea izolată de macaz este defectă sau dacă s-a întrerupt alimentarea circuitelor de cale, manevrarea macazului se poate face prin apăsarea butonului de avarie BAv care șuntează contactul releului SI (secțiune izolată). În acest caz, circuitul releului PM se închide prin acest contact la borna mediană a bateriei ± 12V.

Fig.6.5. Diagrama de timp a funcționării circuitelor electrice din fig. 6.4

Realizarea acestui nou tip de electromecanism a fost necesară datorită introducerii macazurilor cu limbi elastice, pe de o parte, iar pe de altă parte de faptului că în regulamentele de exploatare tehnică se prevede ca pe secțiile de circulație cu viteze de peste 120 km/h macazurile atacate pe la vârf să aibă înzăvorâre exterioară, superioară din punctul de vedere al siguranței circulației, celei interioare.

Acționarea electrică a electromecanismului de macaz EM-5 si EM-5R se realizează cu ajutorul motorului de curent continuu – tip EMM-0.55 cu excitatie serie.

CAP.7

Modelarea si simularea electromecanismului de macaz cu ajutorul soft-ului PSIM

7.1.Soft-ul PSIM

PSIM este un software de simulare special conceput pentru electronica de putere și actionarile electrice ale sistemelor electromecanice. Cu o simulare rapidă și o interfață prietenoasă, PSIM oferă un puternic mediu de simulare a electronicii de putere, controlului analog si digital , magnetismul si sistemelor de actionare cu motoare electrice a sistemelor electromecanice.

Acest soft are urmatoarele module :

Motor Drive Module

Digital Control Module

SimCoupler Module

Thermal Module

MagCoupler Module

MagCoupler-RT Module

Modulul Motor Drive contine modele de mașini electrice și modele mecanice de încărcare pentru studierea sistemelor electromecanice.

Modulul Digital Control oferă elemente de control digital, cum ar fi blocuri funcționale, elemente logice, regulatoare, filtre digitale, .

Modulul SimCoupler oferă interfață între PSIM și Matlab/Simulink pentru co-simulare.

Modulul Thermal oferă capacitatea de a calcula pierderile in dispozitivelor semiconductoare.

Modulul MagCoupler oferă interfață între PSIM și software de analiză electromagnetica JMAG pentru co-simulare.

Modulul MagCoupler-RT este modulul legăturii intre PSIM cu JMAG-RT ( regim tranzitoriu) fișiere de date.

Mediu de simulare PSIM constă din:

PSIM Schematic -programul schematic de circuit,

PSIM Simulator – simulator de motor,

și program de procesare a formei de undă SIMVIEW

Procesul este ilustrat după cum urmează:

Un circuit este reprezentat în PSIM în patru blocuri: circuit de putere, circuit de control, senzori, și controlere de comutare. Figura de mai jos prezintă relația dintre aceste blocuri

Circuitul de putere este format din dispozitive de comutație, elemente de circuit RLC, transformatoare, si bobine cuplate magnetic, mașini electrice .Senzori sunt folosiți pentru măsurarea marimilor electrice din circuit și pentru transmiterea la circuitul de control. Semnalele amplificate sunt apoi generate de circuitul de control și trimise înapoi in circuitul de putere prin intermediul operatorilor de comutare .

Elemente de circuit

Punti redresoare monofazate

Motor de antrenare

Modulul Motor Drive (motor de antrenare) este un modul de bază al programul de PSIM. Acesta oferă modele de mașini și modele mecanice de încărcare pentru studierea sistemelor electromecanice. In sistemele electromecanice trebuie sa definim Reference Direction of Mechanical Systems adica cine pe cine antreneaza.

Într-un sistem mecanic, un element este desemnat ca unitatea master (acest element este considerat a opera în modul de master), iar restul elementelor sunt slave.

Unitatea master definește direcția de referință a sistemului mecanic. Directia este definita ca direcție de la nodul arborele de unitatea master, de-a lungul arborelui, la restul sistemului mecanic. Elemente care pot fi unități master sunt: masini electrice, , blocuri de interfață electrice-mecanice , cutii de viteze, precum și dispozitive modelate de Power Modeling Blocks. Odată ce direcția de referință a sistemului mecanic este definit, viteza și cuplu de referință al sistemului mecanic poate fi definit.

Mai mult decât atât, fiecare element de mecanica are propria direcție de referință. Următoarea diagramă arată direcția de referință pentru fiecare element de mecanică, cum este indicat de săgeată:

Direcție de referință pentru fiecare element și direcția de referință a sistemului mecanic de ansamblu determina modul în care elementul interacționează cu sistemul mecanic. Următoarea figura arată un alt sistem mecanic, cu senzori și sarcinile conectate în moduri diferite:

In acest sistem mecanic, mașina din stânga este unitatea masterde referință direcția a sistemului mecanic este de la stânga la dreapta de-a lungul arborelui mecanic. Comparând această direcție cu direcția de referință a fiecărui element, sarcina 1, Viteza senzorul 1, și cuplul 1, va fi de-a lungul direcției de referință, și sarcina 2, Viteza 2, și cuplul 2 vor fi opusă la direcția de referință a mecanic de sistem. Prin urmare, în cazul în care viteza mașinii este pozitiva, senzor de viteză 1va fi pozitiv, și senzor de viteză 2 va fi negative

Modulul Motor Drive (motor de antrenare) fiind un modul de bază al programul de PSIM contine urmatoarele module de masini electrice:

masina de cc

Observatie

Ecuații care descriu modelele matematice ale mașinilor sunt prezentate în Manualul de utilizare al soft-ului si in Help

Crearea unui circuit

Următoarele funcții sunt prevăzute pentru crearea circuitului. In meniul Elements există mai multe moduri de a obține un element din biblioteca softului . Una este să utilizați meniul vertical. Se deschide meniul Elements, și submeniu ce evidențiaza elementul care urmează să fie selectat

.

O alta cale este de a utiliza browser-ul bibliotecii, așa cum se arată mai jos:

A Plasarea elementului in schema

Odată ce un element este selectat din meniu, imaginea de element va apărea pe ecran și pentru a muta cu mouse-ul faceți clic pe butonul din stânga al mouse-ului si pozitionati elementul selectat.

B. Rotirea elementului

Înainte de a plasa elementul selectat , faceți clic dreapta pentru a roti elementul sau după ce un element este selectat si plasat, selectați Edit -> Rotate pentru a roti elementul.

C. Realizarea legaturilor intre Elemente

Pentru a conecta un fir între două noduri, selectați Edit -> Wire. Imaginea de un stilou va apărea pe ecran. (Se poate selecta si imaginea stiloului de pe ecran) Pentru a desena un fir, țineți butonul stânga al mouse-ului apăsat și trageți mouse-ul. Un fir începe întotdeauna de la capătul unui element si un nod plutitor este afișat ca un cerc indicand conexiunea

D. Atribuirea parametrilor unui element

Pentru a atribui parametrii ale unui element, faceți dublu clic pe element. O caseta de dialog va apărea. Specificați valorile și apăsați tasta <Return> sau faceți clic pe OK.

F. Rularea simularii circuitului

Pentru a rula simularea, selectați Run Simulation din meniul Simulate. Aceasta va începe simularea PSIM a circuitului Pentru a vizualiza rezultatele simulării, selectați Run SIMVIEW din meniul Simulare.

7.2.Studiul motorului de curent continuu cu excitație serie la acționarea electromecanismului de macaz EM-5 cu ajutorul soft-ului PSIM

Date tehnice :

Motoare de c.c. tip EMM-0.55 cu excitatie serie

Un=100 V

n= 720 rot/min

P=270±10% W

Cuplaj de frictiune permite reglarea:

La EM-5 – de la 1000N pana la 2500N

La EM-5R – pana la 4250N±250N

Effort de talonare maxim15000N (fara a provoca autotalonarea).

Regim de functionare normala:

Pe baza schemei de principiu a electromecanismului de acționare a macazului tip EM5, prezentată în capitolul 6 se obține schema cinematică din figura 7.1

Figura 7.1 Schema cinematică a electromecanismului de macaz

Angrenajele cu roți dințate, din componența electromecanismului sunt:

angrenajul z1-z2 cu :

z1=16 dinți

z2=75 dinți

angrenajul z3-z4 cu :

z3=15 dinți

z4=46 dinți

angrenajul z5-z6 cu :

z5=14 dinți

z6=44 dinți

angrenajul pinion z7 cremalieră cu:

z7=9 dinți cu m7=5 mm.

S-a notat cu sl deplasarea liniarului. Timpul de acționare a macazului se consideră t=2s.

Se va determina deplasarea liniarului sl.

Raportul de transmitere al angrenajului 1-2 este:

rezultă:

Raportul de transmitere al angrenajului 3-4 este:

rezultă:

Turația roții dințate 2 este egală cu turația roții dințate 3.

Raportul de transmitere al angrenajului 5-6 este:

rezultă:

Turația roții dințate 4 este egală cu turația roții dințate 5, iar turația roții dințate 7 este egală cu turația roții dințate 7. Deci:

Transformarea mișcării de rotație în mișcare de translație se realizează prin intermediul pinionului 7 și a cremalierei 8, astfel se obține:

Viteza pinionului 7 pe cercul de rulare este:

unde: Dr reprezintă diametrul de rulare

Dacă se consideră mișcarea liniarului o mișcare rectilinie uniformă cu viteza v atunci:

În urma efectuării calculelor se obține:

Se obține pentru sl o valoare care se încadrează în specificațiile producătorului de electroemcanisme care precizează cursa maximă de 154 mm și timpul de acționare < 5 s.

Simulare in PSIM.