Studiul și proiectarea unui sistem de poziționare în plan, utilizând motoare asincrone trifazate [310731]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA MECATRONICĂ

Proiect de diplomă

Coordonator științific:

Prof. univ. dr. ing. Radu-Eugen Breaz

Absolvent: [anonimizat] 2019 –

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” [anonimizat]:

Prof. univ. dr. ing. Radu-Eugen Breaz

Absolvent: [anonimizat] 2019 –

Pagina de titlu de la secretariat

Cuprins

Rezumat română

Lucrarea are ca obiectiv realizarea unui sistem de poziționare în plan utilizând două axe comandate de motoare asincrone trifazate.

În prima parte a lucrării este prezentată o [anonimizat]. Tot în acest capitol se prezintă posibilitatea utilizării mai multor tipuri de transmisii după cum urmează: [anonimizat], [anonimizat]-piuliță, mecanism pinion cremalieră. De asemenea s-a [anonimizat].

În capitolul următor s-a efectuat o analiză privind studiul invertoarelor de tensiune / frecvență utilizate. [anonimizat], care reduc semnificativ nevoia de echipamente suplimentare în instalațiile în care sunt montate.

În capitolul de proiectare a structurii sistemului de control s-[anonimizat] s-au ales motoarele necesare. Tot aici am efectuat și calcule de proiectare a curelei, în urma cărora am determinat caracteristicile optime ale curelei folosite în cadrul echipamentului. De asemenea am calculat si sarcinile radiale aplicate ghidajelor pe axa X, respectiv axa Y. După efectuarea calculelor am realizat modelarea 3D a echipamentului.

[anonimizat] a echipamentului.

Rezumat engleză

1. [anonimizat], [anonimizat] H-bot.

Principiul H-bot reprezintă interacțiunea a două unități rotative care sunt conectate printr-o curea de distribuție dispusă în formă de H, în jurul a două axe liniare dispuse la 90 ș.

Cu ajutorul electronicii de comandă am realizat controlul de precizie prin intermediul invertoarelor. [anonimizat] – mașină. [anonimizat] o interfață de dezvoltare a diagramelor Ledder. [anonimizat]-ului. Ieșirile din PLC se conectează la intrările din invertor. [anonimizat], în funcție de frecvența și turația necesară angrenării ansamblului de comandat.

[anonimizat], [anonimizat].

Motoarele asincrone trifazate sunt des întâlnite în sistemele de acționare, datorită numeroaselor avantaje pe care le prezintă.

Transmiterea mișcării de la motoare la organul efector, se realizează cu ajutorul unei transmisii mecanice, care efectuează transmiterea mișcării de rotație și a sarcinii de la o roată motoare, la una sau mai multe roți conduse prin intermediul unui element flexibil, numit curea.

Pentru elaborarea proiectului, care cuprinde calculele tehnice am folosit programul de proiectare CAD, numit SOLIDWORKS, în care am definit construcția geometrică și am integrat toate componentele într-un ansamblu finit.

Prin această temă se urmărește obținerea unor rezultate deosebite privind performanțele tehnice, dar și productivitate cu un preț de fabricație cât mai redus.

2. Stadiul actual privind sistemele de control al mișcării

Motoarele electrice sunt niște dispozitive electromecanice care au rolul de a transforma energia electrică în energie mecanică. Motoarele, indiferent de tipul lor, sunt alcătuite din doua părți componente, stator și rotor. Statorul constituie partea fixă a motorului, care de obicei se află la exterior și include: carcasa, înfășurarea statorică, bornele de alimentare, și armătura feromagnetică statorică. Rotorul intră în alcătuirea părții mobile a motorului, fiind de obicei plasat la interior. Acesta este alcătuit dintr-o armatură rotorică care susține înfășurarea rotorică si dintr-un ax. Între cele doua părți componente ale motorului, rotor și stator, se află o porțiune de aer numită întrefier care permite realizarea mișcării rotorului față de stator. Motoarele electrice se pot clasifica atât dupa tipul curentului electric care le parcurge: în motoare de curent continuu și motoare de curent alternativ, cât și dupa numărul fazelor curentului cu care funcționează: motoare monofazate și motoare polifazate (cu mai multe faze).

2.1. Motoare de curent alternativ

Motorul de curent alternativ, este un motor electric a cărui funcțiune are la bază alimentarea cu energie de la surse electrice de curent alternativ. La baza funcționării acestui tip de motoare stă principiul câmpului magnetic învârtitor. Astfel aceste motoare pot fi construite in două variante: motoare cu funcționare sincronă și motoare cu funcționare asincronă (acestea fiind cel mai des întâlnite).

2.1.1. Motorul cu funcționare sincronă

Motorul sincron este un motor de curent alternativ, care funcționează pe baza unui câmp magnetic învârtitor, al cărui rotor are viteză de sincronism proporțională cu pulsația curenților din fazele indusului și invers proporțională cu numărul de perechi de poli. În componența acestuia avem o parte fixă reprezentată de stator, care poartă o înfășurare de curent alternativ, și mai avem o parte mobilă reprezentată de rotor, care poartă o înfășurare de excitație alimentată în curent continuu. [1 Aslan 1954]

După forma inductorului, se deosebesc motoare cu poli înnecați și motoare cu poli aparenți conform fig. 2.1 [1 Aslan 1954].

Fig. 2.1 Schemele mașinii sincrone cu poli înnecați respectiv cu poli aparenți [1 Aslan 1954]

Motoarele sincrone sunt construite ca generatori, motoare și compensatori de fază, având teoria identică. Se deosebesc prin faptul că la generator cuplul la arbore are sens invers celui de la motor, iar la compensator practic este nul [1 Aslan 1954]. Funcția de generator este funcția de bază a motorului sincron, în special pentru curent trifazat de frecvență industrială.

Inductorul este alcătuit din perechi de poli care alternează Nord și Sud. Pentru realizarea funcționării este suficientă numai o pereche de poli. Acest interval are 360 de grade electrice (numărul de grade geometrice este egal cu numărul de grade electrice, împărțit la numarul perechilor de poli).

Indusul mașinii sincrone are bobinajul compus din trei bobinaje de curent alternativ, acestea fiind decalate în spațiu cu 120 de grade elctrice și totodată parcurse de trei curenți alternativi decalați în timp cu o treime de perioadă.

Fiecare fază produce la rândul său un curent alternativ, cele trei câmpuri fiind compuse într-un câmp învârtitor având viteză sincronă, adică, la mașina cu doi poli, câmpul parcurge 360 de grade într-o perioadă, la mașina cu patru poli numai 180 de grade, etc.

2.1.2. Motorul cu funcționare asincronă

Motorul asincron este un motor electric de curent alternativ, care nu prezintă conexiuni între cele două părți componente, stator respectiv rotor, astfel că transferul de energie dintre cele două circuite se realizează prin inducție electromagnetică. Rotorul, nefiind conectat prin perii colectoare, ca la majoritatea motoarelor electrice rotative, are forma unui sistem de bare dispuse cilindric (“colivie de veveriță” sau “rotor în scurtcircuit”). Faptul că viteza de rotație diferă puțin de pulsația câmpului magnetic învârtitor este o alta caracteristică a acestor motoare, de unde derivă și denumirea de asincron.

Între statorul mașinii asincrone și statorul unui alternator cu indusul fix exista o analogie, astfel că rotorul, de formă cilindrică, are conductori așezați în lungul generatoarelor cilindrului, în crestături și realizând circuite deschise, care în regim de funcționare sunt legate în scurtcircuit.

Motorul asincron este caracterizat de viteza de funcționare variabilă cu sarcina, menținându-se astfel constantă frecvența curentului de alimentare.

În fig. 2.2 [1 Aslan 1954] este prezentată secțiunea longitudinală a unei mașini asincrone având rotorul bobinat și un dispozitiv de scurtcircuitare a inelelor.

Fig. 2.2 Motor asincron cu rotor bobinat (secțiune longitudinala) [1 Aslan 1954]

2.2. Tipuri de transmisii

Structura unui sistem de control a mișcării a evidențiat faptul că cel mai utilizat element în blocul de acționare este motorul electric rotativ. [4 Breaz 2003]

2.2.1. Transmisie prin angrenaje

Transmisia prin angrenaje se realizează conform figurii 2.3 [4 Breaz 2003]:

Fig. 2.3 Transmisie prin angrenaje [4 Breaz 2003]

(2.1)

(2.2)

(2.3)

(2.4)

(2.5)

(2.6)

(2.7)

2.2.2. Bandă transportoare

Transmisia tip bandă transportoare se realizează conform figurii 2.4 [4 Breaz 2003]:

Fig. 2.4 Bandă transportoare [4 Breaz 2003]

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

2.2.3. Transmisie prin curele

Transmisia prin curele se realizează conform figurii 2.5 [4 Breaz 2003]:

Fig. 2.5 Transmisie prin curele [4 Breaz 2003]

(2.16)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)

(2.22)

(2.23)

2.2.4. Mecanism șurub-piuliță

Transmisia tip mecanism șurub-piuliță se realizează conform figurii 2.6 [4 Breaz 2003]:

Fig. 2.6 Mecanism șurub-piuliță [4 Breaz 2003]

(2.24)

(2.25)

(2.26)

(2.27)

(2.28)

(2.29)

(2.30)

2.2.5. Mecanism pinion-cremalieră

Transmisia tip mecanism pinion-cremalieră se realizează conform figurii 2.7 [4 Breaz 2003]:

Fig. 2.7 Mecanism pinion-cremalieră [4 Breaz 2003]

(2.31)

(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

(2.38)

Semnificațiile notațiilor de mai sus sunt următoarele:

M – deplasarea unghiulară a motorului [rad];

M – viteza unghiulară a motorului [rad/s];

M – accelerația unghiulară a motorului [rad/s2]

xL – deplasarea liniară a sarcinii [m];

vL – viteza liniară a sarcinii [m/s];

aL – accelerația liniară a sarcinii [m/s2];

s – viteza unghiulară a sarcinii [rad/s];

JM – momentul de inerție axial al motorului [kg·m2];

Js – momentul de inerție axial al sarcinii [kg·m2];

Jt – momentul de inerție total echivalent raportat la arborele motorului [kg·m2];

JSM – momentul de inerție axial al sarcinii raportat la arborele motorului [kg·m2];

Jang – momentul de inerție axial al angrenajului [kg·m2];

– momentul de inerție axial al roții de curea 1 [kg·m2];

– momentul de inerție axial al roții de curea 2 [kg·m2];

JcM – momentul de inerție axial al curelei raportat la arborele motor [kg·m2];

Jsb – momentul de inerție axial al șurubului [kg·m2];

JC – momentul de inerție axial al cuplajului dintre șurub și motor [kg·m2];

Jp – momentul de inerție axial al pinionului [kg·m2];

iang – raportul de transmitere al angrenajului;

ic – raportul de transmitere al curelelor;

ang – randamentul transmisiei prin angrenaje;

B – randamentul benzii transportoare;

c – randamentul transmisiei prin curele;

sb – randamentul mecanismului șurub-piuliță;

pc – randamentul mecanismului pinion cremalieră;

– circumferința roții 1 de antrenare a benzii transportoare [m];

ndinți – numărul de dinți al roții 1 de antrenare a benzii transportoare;

– pasul danturii roții 1 de antrenare a benzii transportoare [dinți/m];

– diametrul roții 1 de antrenare a benzii transportoare [m];

– diametrul roții 2 de antrenare a benzii transportoare [m];

– diametrul roții 3 de antrenare a benzii transportoare [m];

– diametrul roții de curea 1 [m];

– diametrul roții de curea 2 [m];

psb – pasul șurubului [m];

Cp – circumferința pinionului [m];

pp – pasul danturii pinionului [dinți/m];

ms – masa sarcinii [kg];

mB – masa benzii transportoare [kg];

mc – masa curelelor [kg];

Frt – forța rezistentă tehnologică [N];

Ffr – forța de frecare [N];

Fi – forța de inerție [N];

Mpr – moment de prestrângere al mecanismului șurub-piuliță [N·m].

2.3. Acționare electrică

Acționările electrice sunt cele mai utilizate în structura echipamentelor cu aplicații în mecanica fină deoarece energia electrică este ușor de obținut, transportat și stocat, iar utilizarea ecestei energii se realizează fără poluare. [9 Mândru 2004]

Toate instalațiile mecanice sunt alcătuite din trei părți, și anume:

motorul

lanțul cinematic (arbori, roți de transmisie, etc)

mașina de lucru

Motorul (cu sistemul său de comandă) și lanțul cinematic produc împreună, forța motoare necesară, transmițând mișcarea către mașina de lucru, împreună cu aceasta formând acționarea.

Din punct de vedere electric, în problemele de acționări, lanțul cinematic constituie o preocupare numai în ceea ce privește randamentul, raportul de transformare și inerția maselor în mișcare. [7 Papadache 1957]

Principala condiție impusă unei mașini de lucru este ca aceasta să aibă productivitate maximă. Îndeplinirea acestei condiții depinde de comportamentul acționării electrice respective.

Inițial pentru acționarea electrică, era folosit un motor și unul sau mai mulți arbori de transmisie, care acționau fie una, fie mai multe mașini sau grupe de mașini de lucru. În prezent se tinde ca fiecare mașina de lucru să fie acționată prin propriul motor, iar în cazuri complexe acționarea se face prin mai multe motoare.

Dacă mașina de lucru este acționată printr-un singur motor și acestea pot fi cuplat direc, atunci lanțul cinematic poate lipsi din dispozitivul de acționare.

Dacă mașina de lucru este acționată prin mai multe motoare, acestea se pot lega între ele, fie electric, fie mecanic.

Astfel, acționarea electrică poate fi împărțîtă în:

acționare individuală

cu un singur motor;

cu mai multe motoare care acționează diferitele organe ale unei mașini de lucru;

acționare grupată

cu un singur motor, care să acționeze mai multe mașini de lucru

Acționările electrice uzuale sunt acționările individuale cu un singur motor.

În cazul acționării unui robot, sistemul de acționare este alcătuit din totalitatea surselor de energie ale robotului precum și elementele de control direct ale acestora. Astfel, sistemul de acționare se referă la ansamblul convertoarelor și motoarelor prin care generează energia mecanică necesară pentru deplasarea robotului, dar și a dispozitivelor suplimentare care controlează acest transfer energetic.

Un sistem de acționare electrică este un sistem de conversie a energiei electrice în energie mecanică, în scopul utilizării acesteia de către o mașină de lucru. [9 Mândru 2004]

Structura unui sistem de acționare se compune din următoarele elemente [5 Ivănescu 1994], [9 Mândru 2004]:

un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzătoare;

elemente pentru prepararea curentului electric, adică un sistem de conversie al energie primare în energie mecanică;

elemente de reglare și control a puterii electrice;

o sursa primară de energie;

motorul;

elemente informaționale și auxiliare;

blocul de comandă;

În figura 2.8 este prezentată structura generală a unui sistem de acționare.

Fig. 2.8 Structura generală a unui sistem de acționare [9 Mândru 2004]

Motorul electric reprezintă convertorul electromagnetic al energiei electrice în energie mecanică. Mărimile de ieșire ale elementului de execuție sunt transformate de către mașina de lucru în parametrii de proces. Traductorii au rolul de a transmite informații din mediu, către unitatea de comandă și control a sistemului care modifică parametrii convertorului astfel încât procesul să se desfășoare în parametrii specificați. Blocul convertorului conține instalații de redresare, convertoare de curent continuu, curent-frecvență, protecții la supraalimentare și scurt-circuit. Convertorul este alimentat prin rețeaua de distribuție industrială care este prevăzută cu sisteme de conectare, protecție și semnalizare. [9 Mândru 2004]

Acționările electrice ale roboților industriali trebuie să aibă următoarele caracteristici: [8 Doric 2001]

viteză mare de reacție, determinată de valori mari ale accelerației de pornire;

capacitate mare la suprasarcină după curent (cuplu) în regimurile tranzitorii de funcționare;

posibilitatea de funcționare în toate cele patru cadrane ale caracteristicii mecanice;

indici energetici reduși, caracterizați de putere specifică mare, adică un raport putere de acționare pe masa motorului;

domeniu mare de reglare a vitezei;

Acționările electrice prezintă o arie largă de utilizare îndeosebi datorită facilităților de control pe care le pot asigura prezentând următoarele avantaje:

nu se impune problema poluării;

se pretează cel mai bine la automatizări, energia utilizată fiind de aceeași natură cu cea a echipamentelor de control;

elementele de execuție sunt relativ ușor de cuplat la o conducere numerică de nivel înalt , fiind sigure, precise și ușor de controlat;

timpul de răspuns al elementelor de execuție este foarte mic, de ordinul până la secunde;

sursa de energie elctrică primară este ușor de găsit;

poate fi asigurată funcționarea autonomă prin alimentare pe bază de baterii, dar există și posibilitatea de alimenatre prin energie solară;

se obțin performanțe maxime în ceea ce privește precizia de poziționare;

prezintă cel mai bun randament, datorita lipsei altor conversii energetice în lanțul de acționare;

Dezavantajele utilizării acționărilor electrice sunt date de limitări în ceea ce privește utilizarea lor în medii explozive, sunt net inferioare acționărilor hidraulice din punct de vedere al forțelor/momentelor dezvoltate și au viteze inferioare la poziționări liniare, comparativ cu acționările hidraulice sau pneumatice. [9 Mândru 2004]

2.4. Utilizarea motoarelor asincrone trifazate

Motoarele asincrone trifazate au o largă utilizare în sistemele de acționare electrice datorită următoarelor avantaje:construcție simplă și robustă, siguranță în exploatare, preț de cost scăzut, alimentare direct de la rețea. [10 Bogdan 1998]

Dezavantajele lor sunt: modificarea vitezei se face greoi cu investiții ridicate, absorb putere reactivă, prin urmare duc la scăderea factorului de putere. [10 Bogdan 1998]

Cel mai răspândit este motorul asincron cu rotorul în scurt-circuit. Dacă la motorul asincron cu inele se include în rezistența fazei rotorice și rezistența reostatului exterior, atunci ecuațiile ce descriu funcționarea obțin o formă unică. [10 Bogdan 1998]

Ca și în cazul transformatorului, pentru ca mărimile rotorice să poată fi comparate direct cu cele statorice, motorul reală se înlocuiește cu un motor echivalent. [10 Bogdan 1998]

Motorul echivalent are atât în stator cât și în rotor același număr de faze, de înfășurări și de spire ale înfășurărilor și este echivalent energetic cu cmotorul real. În plus are rotor imobil, deci frecvența din rotor este egală cu frecvența din stator, iar pentru că și tensiunea electromotoare din stator este egală cu tensiunea electromotoare din rotor cele două înfășurări pot fi conectate galvanic între ele. Mărimile din rotor raportate la stator se notează cu indicele prim. Relatiile de raportare se deduc ca și la transformator. [10 Bogdan 1998]

Clasificare motoarelor asincrone trifazate (MAS):

Motoare asincrone trifazate

a. Motoare asincrone trifazate cu rotor în scurtcircuit

b. Motoare asincrone trifazate cu rotorul bobinat

Motoare asincrone monofazate

2.4.1. Motorul electric asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit

Motorul electric asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit prezintă două elemente constructive principale: un inductor prevăzut cu o înfășurare conectată la rețeaua de curent alternativ și un indus a cărui înfășurare este cuplată doar magnetic cu înfășurarea inductorului (figura 2.9). În construcție normală inductorul este fix și se numește stator iar indusul, mobil si poartă numele de rotor.

Fig. 2.9 Construcția motorului asincron [11 Tera 2010]

Elementele constructive de bază ale unui motor de curent alternativ sunt:

Rotorul – construit din material feromagnetic

Statorul – construit din material feromagnetic

Înfășurarea catodică – poate fi realizată ca înfășurarea trifazată sau sub formă de colivie, adică bare scurtcircuitate la ambele capete

Înfășurarea statorică alcătuită din 3 înfășurări de faze identice decalate cu radiani electrici conectate in stea sau triunghi si legate la o rețea trifazată de curent alternativ

Statorul are ca elemente componente:

carcasa din fontă sau aluminiu;

scuturi frontale port-lagăr;

capac ventilator;

miez feromagnetic realizat din tole;

înfășurare trifazată "distribuită" în crestături (înfășurarea are “p” perechi de poli, este conectată în stea sau triunghi și are capetele scoase la o placă de borne dispusă pe carcasă).

Rotorul se compune din:

arbore cu unul sau două capete de ieșire,

ventilator,

miez magnetic confecționat din tole

înfășurare de tip „colivie” (în scurtcircuit) realizată din bare longitudinale dispuse în crestături și scurtcircuitate la capete cu două coliere frontale.

Crestăturile rotorice sunt ușor înclinate față de axul de rotație iar numărul lor se alege în așa fel încât colivia rotorică să poată forma același număr de perechi de poli ca și înfășurarea statorică.

Dacă se alimentează înfășurarea statorică cu un sistem trifazat simetric de tensiune, de frecventă f1, curenții statorici vor da naștere unui câmp magnetic învârtitor care se rotește față de stator cu turația sincronă:

(2.39)

Admițând că inițial rotorul este în repaus, câmpul statoric va induce în înfășurarea rotorului tensiuni electro-motoare ce vor da naștere la curenți de conducție al căror câmp se va suprapune peste cel statoric. Câmpul învârtitor rezultant va acționa asupra conductoarelor rotorice prin forțe electromagnetice al căror efect se va însuma într-un cuplu electromagnetic M ce va acționa asupra rotorului în sensul câmpului învârtitor. Sub acțiunea acestui cuplu rotorul se va învârti cu o turație n mai mică și apropiată de cea sincronă. [11 Tera 2010]

Viteza relativă a câmpului învârtitor față de rotor, poartă denumirea de alunecare.

(2.40)

Motorul absoarbe din rețea o putere electrică:

(2.41)

pe care o convertește parțial în putere mecanică:

(2.42)

Randamentul dat de expresia:

(2.43)

Mașinile cu rotorul în scurtcircuit se construiesc în 3 variante:

cu o singură colivie,

cu crestături adânci

cu dublă colivie.

De înfășurarea statorică cuplată la o rețea de curent alternativ trifazat reprezintă înfășurarea de excitație a mașinii care produce câmpul magnetic de excitație. Acest câmp magnetic poate fi bipolar sau multipolar. [11 Tera 2010]

Dacă înfășurarea monofazată e parcursă de curentul i = Isin(ωt) în întrefier se creează un câmp magnetic de excitație pe care dacă îl dezvoltăm în serie Fourier și reținem numai component fundamental obținem un câmp magnetic pulsatoriu sinusoidal în timp și spațiu. [11 Tera 2010]

Dacă se folosesc mai multe bobine pe fază se va obține un câmp magnetic multipolar.

Axa de referință pentru distribuția câmpului magnetic în întrefier se alege la jumătatea unui pol. De data aceasta când se parcurge o singură dată periferia interioară a statorului, câmpul magnetic înregistrează p perioade întregi, iar argumentul cosinusoidal care exprimă această perioadă variază între 0-p2π. [11 Tera 2010]

În concluzie o variație Δα la periferia interioară a statorului conduce la o variație p Δα a armonicii fundamentale de câmp magnetic, motiv pentru care mărimea pα se numește unghi electric. [11 Tera 2010]

Curentul electric produs de o înfășurare trifazată.

Ne vom referi la o mașină cu 2 poli. Cele trei înfășurări de fază sunt identice ca număr de spire și ca număr de crestături ocupate, legate în stea sau triunghi și legate la o rețea trifazată de curent alternativ.

Intrările A,B,C și respective ieșirile X,Y,Z (figura 2.10) ale celor trei înfășurări de faze sunt situate în trei puncte diferite decalate cu radiani electrici. Succesiunea celor 3 înfășurări este inversă acelor de ceasornic. Se obține un câmp magnetic, numit câmp magnetic învârtitor care diferă fundamental de câmpul magnetic pulsatoriu sinusoidal în timp și spațiu. La moment diferite de timp, valoarea maximă a inducției se regăsește în diferite puncte la periferia interioară a statorului. Totul se întâmplă ca și când unda sinusoidală a variației în spațiu a câmpului magnetic s-ar deplasa cu o anumită viteză unghiulară Ω1. La momentul Δt si la distanța Δα, câmpul magnetic va avea aceeași amplitudine dacă este îndeplinită condiția:. [11 Tera 2010]

Fig. 2.10 Schema simplificată a motorului asincron [11 Tera 2010]

În figura 2.11 pot fi observate capetele celor trei bobine. Iar în figura 2.12 este prezentat modul în care acestea apar în cutia de borne a motorului. Capetele celor trei bobine pot fi conectate în două moduri. Se obțin astfel două tipuri de conexiuni, și anume, conexiunea stea (figura 2.12 a) și conexiunea triunghi (figura 2.12 b). [11 Tera 2010]

Fig. 2.11 Capetele bobinelor motorului asincron [11 Tera 2010]

a. b.

Fig. 2.12 Cutia de borne a motorului asincron [11 Tera 2010]

2.4.2. Motorul electric asincron trifazat cu rotorul bobinat

Statorul (inductorul) motorului asincron cu rotor bobinat are ca elemente componente, [11 Tera 2010]:

carcasa,

scuturi port lagăr,

capac ventilator,

miez magnetic,

înfășurare trifazată "distribuită" în crestături, conectată de regulă în stea și având capetele scoase la o placă de borne dispusă pe carcasă.

Rotorul (indusul) se compune din:

miez magnetic confecționat din tole cu crestături ușor înclinate față de axa de rotație,

arbore,

ventilator,

înfășurare trifazată cu același număr p de perechi de poli ca și cea statorică.

Înfășurarea rotorică se conectează de regulă în stea, capetele ei fiind legate la trei inele colectoare pe care calcă tot atâtea grupuri de perii la care se leagă un reostat exterior folosit pentru pornirea sau reglarea turației. [11 Tera 2010]

Principiul de funcționare se bazează pe interacțiunea dintre câmpul magnetic învârtitor rezultat din întrefier și conductoarele înfășurării rotorice parcurse de curenții induși de câmpul învârtitor, care se rotește față de stator cu turația sincronă [11 Tera 2010]:

(2.44)

În absența reostatului rotoric, turația n a motorului este apropiată de cea sincronă, iar alunecarea este dată de:

(2.45)

2.4.3. Pornirea și inversarea sensului de rotație a motorului asincron trifazat

Poziționarea în spațiu presupune realizarea unei structuri organologice care să permită schimbarea sensului mișcării. Schimbarea de sensului mișcării se poate face în mai multe moduri în funcție de structura cinematică care se alege în cadrul proiectării. [11 Tera 2010]

Structura cinematică minimă pentru obținerea unei mișcări de translație este prezentată în figura 2.13, în care sursa de mișcare o constituie un motor electric asincron. În ultimul timp se pot utiliza ca sursă de mișcare motoare liniare, care realizează direct mișcarea elementului mobil în procesul tehnologic. Însă aceste motoare sunt costisitoare și destul de greu de implementat în practică datorită dificultății de adaptare a motorului la caracteristicile procesului (din punct de vedere mecanic). Din acest motiv în figura 2.13 este prezentată o structură cinematică minimă pentru obținerea unei mișcări de translație. [11 Tera 2010]

Unde:

R,S,T – fazele rețelei de alimentare trifazată;

P/O – mecanismul de pornire / oprire acționat de electromagnetul E1;

I – mecanismul inversor, care asigură schimbarea sensului de rotației a MAS;

RT – mecanismul modificator de traiectorie

Fig.2.13 Schema cinematică pentru obținerea unei mișcări de translație [11 Tera 2010]

În figura 2.14 este prezentată schema de forță și comandă a pornirii și inversării electric a sensului de rotație a unui motor trifazat cu rotorul în scurtcircuit.

Fig.2.14 Pornirea motorului asincron trifazat în două sensuri, circuitul de forță și schema de comandă [11 Tera 2010]

La apăsarea pe butonul de pornire BPS (figura 2.15), bobina contactorului C1 primește tensiune și se închid contactele principale C1 din circuitul de forță și contactul de automenținere C1 din circuitul de comandă, totodată contactul normal închis (de interblocare) a contactorului C1 se va deschide întrerupând circuitul de alimentarea spre dreapta a motorului în cazul în care ar rămâne accidental alimentat. [11 Tera 2010]

Fig. 2.15 Pornirea motorului asincron trifazat în două sensuri, etapa pornire stânga [11 Tera 2010]

La apăsarea pe butonul de oprire BO, contactorul C1 declanșează și motorul este deconectat de la rețea.

La apăsarea pe butonul de pornire BPD (figura 2.16), bobina contactorului C2 primește tensiune și se închid contactele principale ale contactorului C2 din circuitul de forță și contactul de automenținere C1 din circuitul de comandă, totodată contactul normal închis (de interblocare) a contactorului C1 se va deschide întrerupând circuitul de alimentarea spre dreapta a motorului în cazul în care ar rămâne accidental alimentat. La apăsarea pe butonul de oprire BO, contactorul C1 declanșează și motorul este deconectat de la rețea. [11 Tera 2010]

În figura 2.17 sunt prezentate elementele necesare pentru realizarea schemei programate (pentru pornirea motorului asincron trifazat).

Fig. 2.16 Pornirea motorului asincron trifazat în două sensuri, etapa pornire dreapta [11 Tera 2010]

Fig. 2.17 Elementele necesare pentru realizarea schemei programate (pornirea MAS) [11 Tera 2010]

3. invertoare de tensiune / frecvență utilizate

Numărul mare al motoarelor asincrone aflate în exploatare, prețul de cost extrem de scăzut al acestora, randamentul ridicat (aproximativ 80%), precum și fiabilitatea ridicată, sunt argumente pentru găsirea unor soluții de utilizare a acestora în structura sistemelor de control al mișcării. [11 Tera 2010]

Principiul care stă la baza strategiilor de reglare a turației motoarelor asincrone este modificarea proporțională atât a tensiunii de alimentare a motorului cât și a frecvenței acesteia. [11 Tera 2010]

3.1. Generalități

Un convertor static de tensiune și frecvențǎ cuprinde un redresor (comandat sau nu), un circuit intermediar și un invertor. Dupǎ tipul circuitului intermediar avem douǎ clase de invertoare [11 Tera 2010]:

A. Invertoare de curent dacǎ circuitul intermediar este o inductivitate de valoare importantǎ ce imprimǎ caracter de sursǎ de curent;

B. Invertoare de tensiune dacǎ circuitul intermediar conține o capacitate de valoare mare ce imprimǎ caracter de sursǎ de tensiune, (figura 3.1).

Fig. 3.1 Convertor static cu circuit intermediar de tensiune [11 Tera 2010]

Invertoarele de tensiune pot fi [11 Tera 2010]:

Cu tensiune continuǎ, atunci când redresorul este comandat și realizeazǎ variația tensiunii continui la intrarea invertorului, acesta având funcția de a produce variația frecvenței;

Cu tensiune continuǎ constantǎ, caz în care redresorul este necomandat, invertorul având funcția de a produce o tensiune de ieșire de frecvențǎ și amplitudine variabile. Acest mod de funcționare are ca reprezentant tipic procesul modulației în duratǎ a impulsurilor de comandǎ.

Fiecare invertor poate fi realizat în diferite variante, ele putând fi clasificate dupǎ tipul circuitelor de stingere astfel [11 Tera 2010]:

Invertoare cu circuite de stingere individuale cu tiristor auxiliar;

Invertoare cu stingere autonomǎ comandatǎ prin intrarea în conducție a altui dispozitiv;

Invertoare cu circuit de stingere comun.

Reglarea vitezei prin modificarea frecvenței statorice f1 este procedeul cel mai economic din punct de vedere al pierderilor. Variația cuplului critic și a alunecării critice pentru motoare mari, când este valabilă formula lui Kloss, este [11 Tera 2010]:

(3.1)

Pentru a menține invariabilă capacitatea de supraîncărcare a MAS la diferite cupluri rezistente trebuie să existe relațiile de proporționalitate între tensiuni și frecvențe [11 Tera 2010]:

(3.2)

Acest tip de reglare a vitezei de rotație Ω impune anumite cerințe față de invertoare și față de sistemul de reglare adoptat. Pentru funcționarea normală a MAS la cuplu constant, M=ct., trebuie menținut fluxul polar constant . Acest flux este limitat superior de saturația fierului, iar inferior de o utilizare eficientă. Considerând valoarea efectivă a tensiunii pe faza statorică, , se obține expresia fluxului, în care C este o constantă [11 Tera 2010]:

(3.3)

La turații superioare celei nominale, reglarea se face la putere aproximativ constantă. Pentru asigurarea rigidității dielectrice tensiunea trebuie menținută la valoarea nominală. Rezultă o funcționare a MAS cu slăbire de flux, (figura 3.2).

Fig. 3.2 Modificarea tensiunii statorice în funcție de frecvență [11 Tera 2010]

Caracteristicile mecanice n(M) diferă de cele ale MAS alimentate la rețea pentru că tensiunile de alimentare sunt nesinusoidale, (figura 3.4).

Armonicile superioare ale curenților produc o încălzire suplimentară a MAS, iar armonicile superioare de tensiune produc armonici superioare de flux magnetic și cupluri parazite. Cuplul electromagnetic nu mai este constant, ci pulsatoriu, (figura 3.3).

Fig. 3.3 Variația curentului de fază statoric în funcție forma de undă de tensiune a invertorului [11 Tera 2010]

Fig. 3.4 Caracteristicile mecanice ale MAS la variația frecvenței [11 Tera 2010]

3.2. Sistem de reglare a frecvenței

Metoda de reglare a frecvenței la ieșire se utilizează pentru aplicații cu viteze impuse cu performanțe de regim tranzitoriu mici [11 Tera 2010].

Prescrierea unei frecvențe la ieșire fixă și stabilă se poate realiza cu un oscilator de referință. Această referință (fixă) este convertită de motorul de acționare în viteză de rotație constantă cu o rezoluție foarte bună, fără a necesita o reacție tachometrică. Tensiunea din circuitul intermediar (CI) de c.c. trebuie modificată în concordanță cu frecvența impusă, alimentând motorul cu raportul tensiune/frecvență necesar. În figura 3.5 s-a prezentat un sistem subordonat de reglare a tensiunii. Referința de tensiune, obținută printr-un convertor frecvență-tensiune este comparată cu tensiunea din circuitul intermediar de c.c. [11 Tera 2010]

Eroarea este amplificată (ceea ce reprezintă o comportare proporțională a regulatorului) și influențează comanda pe poarta tiristoarelor. [11 Tera 2010]

Metoda de reglare a tensiunii este utilizată cu precădere în cadrul acționărilor cu motoare de inducție (MAS), care nu necesită o menținere riguroasă a vitezei. Această tehnică se folosește în aplicații industriale care nu necesită un răspuns dinamic rapid. [11 Tera 2010]

Fig. 3.5 Sistem de reglare subordonată a tensiunii după frecvență pentru un invertor cu șase pulsuri [11 Tera 2010]

3.3. Sistem de reglare a tensiunii

Tensiunea din circuitul intermediar de c.c. este modificată în funcție de tensiunea impusă prin intermediul regulatorului de tensiune. Bucla de control pentru redresorul comandat poate să conțină și o buclă internă de curent. Un astfel de sistem este prezentat în figura 3.6 [11 Tera 2010]

Eroarea de tensiune determină valoarea curentului impus, iar eroarea de curent determină valoarea unghiului de aprindere pentru tiristoare. Acest sistem permite controlul curentului din CI de c.c., limitându-l la valoarea maximă impusă de către sarcină. Asemănător, în cadrul sistemelor care utilizează în CI un variator de tensiune continuă (VTC), curentul din CI va fi monitorizat. Depășirea valorii maxime a curentului prescris determină micșorarea tensiunii la ieșirea VTC, limitând astfel creșterea curentului. Puterea de ieșire a unei mașini de inducție este proporțională cu produsul dintre cuplu și viteză. Puterea de intrare a invertorului se obține prin produsul dintre tensiunea din CI și curent. Strategia de reglare ține cont că: viteza de rotație a mașinii crește proporțional cu creșterea tensiunii din CI, deci curentul din CI este proporțional cu cuplul electromagnetic. Utilizarea tensiunii din CI pentru prescrierea frecvenței prezintă avantajul că previne apariția fenomenului de saturare magnetică a MAS chiar pentru regimuri tranzitorii de funcționare. Acest avantaj se datorează faptului că frecvența urmărește foarte rapid tensiunea. Reducerea bruscă a semnalului de referință (de viteză), nu va produce o reducere bruscă a frecvenței din cauza cedării de energie spre CI. Ca urmare, apare o creștere a tensiunii din CI și în consecință o creștere a frecvenței invertorului. [11 Tera 2010]

Fig. 3.6 Sistem de reglare a tensiunii în circuitul intermediar de c.c. [11 Tera 2010]

3.4. Principiul reglării turației

Reglarea turației motorului asincron se poate realiza utilizând invertorul U/f . Așa cum ne spune și numele reglarea turației se realizează reglând frecvența de alimentarea a motorului motiv pentru care este necesară o relație a turației în funcție de frecvență. Pentru a obține o astfel de relație se pleacă de la relația alunecării motorului [11 Tera 2010]:

(3.4)

Unde:

n0 – turația de sincronism a motorului asincron trifazat [rot/min];

n – turația nominală a motorului asincron [rot/min].

Valorile admise ale alunecării sunt:

(3.5)

Din relația (3.9) se poate determina turația nominală a motorului asincron:

(3.6)

Turația de sincronism a motorului asincron trifazat este cunoscută ca fiind:

(3.7)

Unde:

f – frecvența [Hz];

p – numărul de perechi de poli.

Numărul de perechi de poli:

(3.8)

Înlocuind relația 3.11 în 3.12 se va obține:

(3.9)

4. proiectarea structurii sistemului de control

4.1. Conceptul de funcționare al sistemului de transmisie prin curele in formă de H

Conceptul de funcționare al sistemului de transmisie prin curele in formă de H este denumit în literatura de specialitate H-bot.

Acest concept reprezintă interacțiunea a două unități rotative care sunt conectate printr-o curea de distribuție dispusă în formă de H, în jurul a două axe liniare dispuse la 90 ș (fig 4.1).

Transmiterea miscării axelor x și y se realizează după formulele:

Cinematica directă:

(4.1)

Cinematica inversă:

(4.2)

unde: sunt deplasările unghiulare ale celor două motare, iar ΔX și ΔY reprezintă deplasările efectorului final după axele x și y, iar r reprezintă raza fuliei condusă respectiv conducătoare.

Datorită faptului că motoarele nu se deplasează de-a lungul axei se pot obține viteze mari ale acestui echipament.

În figura 4.1 Sunt prezentate următoarele elemente:

1 respectiv 2 – reprezintă roțile de curea conducătoare montate pe arborii de angrenare ai motoarelor;

3 respectiv 4 – reprezintă roțile de curea conduse;

5, 6, 7, respectiv 8 – reprezintă role de ghidare;

9 – reprezintă suportul rolelor de ghidare;

10 – reprezintă unitatea de lucru.

Fig. 4.1 Schema de funcționare a configurației H-bot [16 Ratnaweera]

4.2. Calculul sistemului mecanic

Cel mai utilizat element al blocului de acționare din structura unui sistem de control al mișcării, este motorul electric rotativ. Astfel, vom începe studiul elementelor de mecanică, din componența sistemelor de control al mișcării, cu realizarea calculelor privind studiul forțelor și momentelor care acționează la nivelul arborelui motorului electric. Echilibrul cuplurilor la arborele motorului electric de acționare, este impus de principiul conservării energiei.

4.2.1. Calculul forțelor și momentelor rezistente. Alegerea motorului.

Momentele static și dinamic necesare a fi dezvoltate de către motor, se calculează conform figurii 4.2:

Fig. 4.2 Transmisie prin curele

Notațiile din figură reprezintă:

– momentul de inerție axial al motorului [kg·m2];

– viteza unghiulară a motorului [rad/s];

– diametrul roții de curea 1 [m];

– diametrul roții de curea 2 [m];

– momentul de inerție axial al roții de curea 1 [kg·m2];

– momentul de inerție axial al roții de curea 2 [kg·m2];

– viteza unghiulară a sarcinii [rad/s];

Js – momentul de inerție axial al sarcinii [kg·m2];

Raportul de transmisie al curelelor se calculează conform relației (4.3):

(4.3)

Pe baza raportului de transmisie al curelelor calculat anterior, putem determina viteza unghiulara a motorului conform relației 4.4:

(4.4)

unde:

– viteza unghiulară a motorului [rad/s];

– viteza unghiulară a sarcinii [rad/s];

ic – raportul de transmitere al curelelor;

Dar viteza unghiulară a motorului reiese din formula 4.5:

[rad/s] (4.5)

Adică:

[rad/s]

[rad/s]

Pe baza rezultatului relației 4.5, viteza unghiulara a sarcinii se calculează astfel:

[rad/s]

[rad/s

Momentul de inerție axial al roții de curea se calculează conform relației 4.6:

[kg·m2] (4.6)

Astfel, momentul de inerție axial al roții de curea conducătoare, conform figurii 4.3 devine:

[kg·m2]

Unde:

(4.7)

(4.8)

Fig.4.3 Roată de curea conducătoare

Înlocuind formulele 4.xxx respectiv 4.4.xx în formula 4.xxx, momentul axial al roții de curea conducătoare devine:

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

Astfel, momentul de inerție axial al roții de curea conduse, conform figurii 4.4 devine:

Fig. 4.4 Roată de curea condusă

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

Atât valoarea momentului de inerție axial al curelei raportat la arborele motor, cât și valoarea momentului de inerție axial al sarcinii raportat la arborele motor, necesare calculării formulei 4.11, se obțin prin calculul formulelor 4.9 și 4.10 astfel:

(4.9)

(4.10)

Unde:

[kg]

[m]

Se adoptă:

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

Astfel:

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

[kg·m2]

Vom prezenta în continuare modul de calcul al Jt. Pentru aceasta vom egala energiile cinetice ale corpurilor aflate în mișcare de rotație și translație cu energia cinetică a unui corp echivalent, aflat în mișcare de rotație cu viteza unghiulară a arborelui motorului, având momentul de inerție egal cu Jt:

(4.11)

Unde:

Jt – momentul de inerție total echivalent raportat la arborele motorului [kg·m2];

JM – momentul de inerție axial al motorului [kg·m2];

Se alege din catalog JM=0,00128 [kg·m2];

– momentul de inerție axial al roții de curea 1 [kg·m2];

– momentul de inerție axial al roții de curea 2 [kg·m2];

– momentul de inerție axial al curelei raportat la arborele motor [kg·m2];

– momentul de inerție axial al sarcinii raportat la arborele motorului [kg·m2];

c – randamentul transmisiei prin curele;

Astfel:

[kg·m2]

[kg·m2]

Momentul static necesar, raportat la arborele motorului se calculează conform relației 4.12:

[N·m] (4.12)

Unde:

– – forța totală calculată conform formulei 4.13;

[N] (4.13)

– – forța de frecare + forța inerțială, și se calculează conform formulei 4.14;

[N] (4.14)

[N]

[N]

– – forța de prestrângere și are formula 4.15;

[N] (4.15)

[N]

[N]

Înlocuind valorile obținute, în formula 4.13, rezultă ca forța totală este egală cu:

[N]

[N]

Astfel momentul static este egal cu:

[N·m]

[N·m]

Momentul dinamic necesar (redus la arborele motorului) se calculează cu relația 4.16:

(4.16)

Unde reiese din relația 4.17:

[rad/s] (4.17)

[rad/s]

[rad/s]

Astfel:

[N·m]

[N·m]

Motorul trebuie ales astfel încât momentul dezvoltat pe perioada accelerării (Ma) să fie egal cu suma dintre momentul static și cel dinamic:

(4.18)

Adică:

[N·m]

[N·m]

Pe perioada mersului cu viteză constantă momentul dezvoltat (Mct) trebuie să fie egal cu momentul static:

(4.19)

Adică:

[N·m]

Se alege motorul conform tabelului 4.1 [15 Standard Motors]:

Tabel 4.1 Alegerea motorului

4.2.2. Calculul de proiectare al curelei

Transmisiile prin curele fac parte din categoria transmisiilor prin fricțiune, roțile de curea, conducătoare și condusă, montate pe arbori, sunt antrenate în mișcarea de rotație de un element flexibil fără sfârșit numit curea. Transmiterea mișcării se realizează prin forțele de frecare ce iau naștere între roți și curea, datorită unei pretensionări inițiale. [19 www3]

Puterea de calcul

(4.20)

Unde:

P – puterea de antrenare ( P=2,20 [kW] )

η – randamentul transmisiei (η = 0.85…..0.95)

Se adoptă η = 0,9.

Astfel:

[kW]

[kW]

Turația roții de curea conducătoare

Se adoptă din fișa tehnică a motorului:

n1 =1355 [rot/min]

Turația roții de curea conduse

n2 =1355 [rot/min]

Raportul de transmitere

– pt. transmisii demultiplicatoare (4.21)

– pt. transmisii multiplicatoare (4.22)

Se recomandă: .

Astfel:

Diametrul primitiv al roții de curea conducătoare

Se alege constructiv în funcție de tipul curelei:

Diametrul primitiv al roții de curea conduse

[mm] (4.23)

Astfel:

Lungimea curelei

Lungimea curelei se calculează conform dimensiunilor reprezentate în figura 4.5:

Fig. 4.5 Reprezentarea lungimii curelei

[mm]

Lc = 9682,33 [mm]

Unghiul dintre ramurile curelei

[grade] (4.24)

Unghiul de înfășurare pe roata de curea conducătoare

1=180- [grade] (4.25)

Unghiul de înfășurare pe roata de curea condusă

2=180+ [grade] (4.26)

Viteza periferică a curelei

Se recomandă ca viteza periferică a curelei să nu depășească 40 m/s.

m/s (4.27)

[m/s]

[m/s]

Numărul preliminar de curele

Numărul preliminar de curele z0 rezultat poate fi număr întreg sau fracționar. [19 www3]

(4.28)

Unde:

– – coeficientul de funcționare (se alege conform anexei 1)

= 1,2

– – puterea de calcul calculată conform formulei 4.11

= 0,611 [kW]

– – coeficientul de lungime (se alege conform anexei 2)

= 1,23

– – coeficientul de înfășurare (se alege conform anexei 5)

= 1

– – puterea nominală transmisă de o curea (se alege conform anexei 3)

= 0,93 [kW]

Astfel rezultă ca numărul preliminar de curele este egal cu:

Numărul de curele

Se recomandă ca z8, în cazuri excepționale se admite z12.

Se rotunjește, în plus sau în minus, la primul număr întreg. Aproximarea rămâne la aprecierea proiectantului. [19 www3]

(4.29)

Unde:

– – coeficientul numărului de curele (se alege conform anexei 4);

= 0,95

Astfel rezultă că z va avea valoarea:

z = 2,68

Se adoptă numărul de curele:

z=3

Forța periferică transmisă

[N] (4.30)

Conform formulelor 4.11 respectiv 4.18 rezultă că forța periferică transmisă va fi egală cu [19 www3]:

F = 547,2 [N]

Forța de întindere a curelei

Sa=(1,5…2) · F [N] (4.31)

Se adoptă Sa = 1,5 · F

Sa = 1,5 · 547,2 [N]

Sa = 820,2[N]

Tipul curelei

Se adoptă tipul de curea TTBU-T5-200, având specificațiile prezentate în tabelul 4.2 și în figura 4.6 . [13www1]

Tabel 4.2

Fig. 4.6 Specificațiile curelei

4.2.3. Calculul de predimensionare al arborilor

Pentru realizarea calculului de predimensionare al arborilor avem nevoie de următoarele date de intrare:

– puterea de intrare – N1 = 2,20 [kW]

– turația – n1 = 1355 [rot/min]

– raportul de transmitere – = 1

Calculul turațiilor arborilor

– turația arborelui motorului:

= 1355 [rot/min]

– turația arborelui roții de curea conduse:

[rot/min] (4.32)

[rot/min]

Calculul puterilor

– puterea arborelui motorului:

[kW]

– puterea arborelui roții de curea conduse:

[kW]

Unde:

– este randamentul efectiv și are valoarea 0,99;

Atunci:

[kW]

[kW]

Calculul momentelor de torsiune

– pentru arborele motorului:

[N·mm] (4.33)

[N·mm]

[N·mm]

– pentru arborele roții de curea conduse:

[N·mm] (4.34)

[N·mm]

[N·mm]

Calculul diametrelor preliminare ale arborilor

– predimensionarea arborelui motorului:

[mm] (4.35)

– predimensionarea arborelui roții de curea conduse:

[mm] (4.36)

[mm]

Se adoptă:

– pentru arborele motorului:

[mm]

– pentru arborele roții de curea conduse:

[mm]

4.2.4. Calculul ghidajelor

Ghidajele liniare de rulare cu bile sau role sunt elemente structurale moderne de realizare a mișcărilor precise a elementelor mobile din structura mașinilor-unelte, roboților industriali și în general a instalațiilor industriale.

Dezvoltarea acestor tipuri de ghidaje a fost posibilă ca urmare a dezvoltării tehnologiilor de fabricație după anii 70, fiind intrinsec legată de apariția mașinilor-unelte și instalațiilor NC și mai târziu de dezvoltarea impetuoasă a construcției de roboți industriali. [14 Drăghici]

4.2.4.1. Calculul sarcinii radiale aplicată ghidajului liniar pe axa Y

În figura 4.7 [14 Drăghici] este reprezentat un sistem vertical care realizează o mișcare uniformă sau intermitentă.

Fig.4.7 Sistem de ghidare vertical

Notațiile din figură reprezintă:

m – masa corpului supus deplasării [kg];

ln – distanța parcursă [mm];

Pn – sarcina radială aplicată elementului mobil [N];

PnT – sarcina laterală aplicată elementului mobil [N];

g – accelerația gravitațională [m/s2];

Astfel pentru valorile numerice următoare calculul este prezentat mai jos:

m = 4 [kg];

= 197 [mm];

= 80 [mm];

= 30 [mm];

= 70 [mm];

g = 9.8;

Sarcina radială aplicată elementului mobil se calculează conform formulei 4.37, astfel:

(4.37)

= 17,15 [N]

Sarcina laterală aplicată elementului mobil se calculează conform formulei 4.38, respectiv formulei 4.39, astfel:

(4.38)

(4.39)

4.2.4.2. Calculul sarcinii radiale aplicată ghidajului liniar pe axa X

În figura 4.8 [14 Drăghici] este reprezentată o sanie mobilă care realizează o mișcare uniformă sau intermitentă.

Fig 4.8 Sistem de ghidare orizontal

Notațiile din figură reprezintă:

m – masa corpului supus deplasării [kg];

ln – distanța parcursă [mm];

Pn – sarcina radială aplicată elementului mobil [N];

g – accelerația gravitațională [m/s2];

Astfel pentru valorile numerice următoare calculul este prezentat mai jos:

m = 8 [kg];

= 150 [mm];

= 1340[mm];

= 126 [mm];

= 670 [mm];

g = 9.8;

Sarcina radială aplicată elementului mobil se calculează conform formulelor 4.40, 4.41, 4.42, 4.43, astfel:

(4.40)

(4.41)

(4.42)

(4.43)

4.3. Modelarea sistemului de poziționare în plan

Modelarea standului prezentat în figura 4.9 s-a realizat în programul de proiectare SOLIDWORKS și conține următoarele:

1 – sistem de tensionare al curelei;

2 – axa Y;

3 – ghidajul liniar al axei Y;

4 – sistem de transmitere al mișcării prin curea;

5 – axa X;

6 – ghidajul liniar al axei X;

7 – roată de curea conducătoare;

8 – motor asincron trifazat;

9 – invertor;

10 – role pentru schimbarea traiectoriei curelei;

Fig. 4.9 Prezentarea standului

În figura 4.10 a) se poate vedea mai în detaliu axa Y, împreună cu săniile acesteia (fig. 4.10 b) ), precum și o secțiune a axei, reprezentată în figura 4.10 c).

a)

b) c)

Fig. 4.10 Axa Y

În figura 4.11 este prezentat suportul rolelor pentru schimbarea traiectoriei curelei.

Fig. 4.11 Suportul rolelor pentru schimbarea traiectoriei curelei

Atât axa X cât și ghidajul liniar al acesteia sunt reprezentate în figura 4.12 respectiv figura 4.13 .

Fig. 4.12 Reprezentarea axei X

Fig. 4.13 Ghidajul liniar al axei X

Modelarea sistemul de tensionare al curelei este reprezentat în figura 4.14 astfel:

Fig. 4.14 Sistem de tensionare al curelei

Prin modelarea acestui sistem, se realizează o tensionare inițială a curelei cu forța de
(conform formulei 4.31), stabilită prin calcul, în funcție de sarcina care trebuie transmisă. Funcționarea transmisiei la alte valori ale sarcinii are loc fie cu o încărcare incompletă a curelei, fie cu patinarea acesteia. [17 www 2]

În figura 4.15 este prezentată modalitatea de tensionare a transmisiei prin curea. Astfel tensionarea se realizează prin deplasarea arborelui de susținere a roții de curea conduse, în sensul măririi distanței dintre axe, prin tragerea plăcii inferioare de susținere notată cu 3 în figura 4.17, respectiv prin utilizarea unui șurub de reglare notat cu 4 în figura 4.17. În această situație, reglarea tensionării se realizează la montaj și apoi la intervale definite de timp.

Fig. 4.15 Modalitatea de tensionare a transmisiei prin curea

Fig. 416 Detalierea figurii 4.15

Fig. 4.17 Detalierea sistemului de tensionare al curelei

În figura 4.17 sunt reprezentate următoarele componente:

1 – placă superioară de susținere;

2 – arborele roții de curea conduse;

3 – placă inferioară de susținere;

4 – șurub de reglare;

5 – șurub de prindere a subansamblului în profil;

6 – roată de curea condusă;

În continuare este prezentată modelarea roților de curea. Acestea se aleg din catalogul Misumi și au următoarele specificații prezentate în tabelul 4.3 și figura 4.18. [18 Misumi]

Talelul 4.3 [18 Misumi]

Fig. 4.18

În continuare sunt prezentați pașii de modelare ai roții de curea în programul de proiectare SOLIDWORKS.

Astfel se alege planul de lucru în care urmează a fi conturată schița roții de curea, cotată cu dimensiunile de gabarit, conform figurii 4.19 a. Apoi se utilizează operația de revolve după centrul de rotație al fuliei (fig. 4.19 b).

a) b)

Fig.4.19 Realizarea roții de curea în SOLIDWORKS

Pentru asigurarea poziției corecte în plan axial a curelei, roata de curea trebuie prevăzută cu reazeme laterale, conform figurii 4.20.

Fig. 4.20 Realizarea reazemelor laterale în SOLIDWORKS

Apoi se schițează și se definește profilul dintelui conform figurii 4.21.

Fig. 4.21 Definirea profilului dintelui

Pasul următor este reprezentat de realizarea profilelor dinților cu circular pattern, pe toată circumferința dintelui, conform figurii 4.22.

Fig. 4.22 Realizarea tuturor profilelor dinților cu circular pattern

În cazul roții de curea conducătoare se definește canalul de pană, care are rolul de a limita rotația fuliei față de axa arborelui motorului, și se realizează o gaură filetată pentru îngrădirea translației pe axa Z a fuliei față de arborele motor (fig. 4.23).

Fig. 4.23 Roată de curea conducătoare

Roata de curea condusă se alege din catalogul Misumi având următoarele specificații prezentate în tabelul 4.4 și în figurile 4.24 respectiv 4.25. [18 Misumi].

Tabel 4.4 [18 Misumi]

Fig. 4.24

Fig. 4.25

5. controlul sistemului de poziționare

5.1. Modul de conectare al intrărilor și ieșirilor la automatul programabil

Pentru automatul programabil Siemens S7-300 s-a folosit modelul CPU313-5BG04-0AB1, fiind astfel preluat modul de legare din manualul oferit de Siemens.

Panoul frontal al automatului programabil este prezentat in figura 5.1, și conține următoarele:

Indicatorul de status și eroare

Slot-ul pentru cardul de memorie SIMATIC enclusiv elementul de evacuare

Respectiv7. – terminale integrate de intrări și ieșiri

Sursa de alimentare a automatului programabil

Interfață X1 (MPI) a cablului de transfer date de la PC la AP

Selector mod de lucru: RUN, STOP și RESET MEMORIE (MRES)

Fig 5.1 Panoul frontal al automatului programabil Siemens S7-300

În continuare se va prezenta modul de conectare al intrărilor și al ieșirilor digitale și analogice de pe panoul frontal având capacele deschise, fig 5.2:

Fig. 5.2 Slot-urile de conectare ale automatului programabil Siemens S7-300

Unde:

Intrări și ieșiri analogice

Intrări digitale

Ieșiri digitale

În ceea ce privește indicatoarele de STATUS și EROARE notate cu 1 în figura X.1, există următoarea echivalență a ledurilor, prezentată în tabelul 5.1 și în figura 5.3:

Tabel 5.1

Fig. 5.3 Indicatoarele de STATUS și EROARE

Slot-ul pentru cardul de memorie notat cu 2 în figura 5.1, se poate folosi ca modul de memorie și de asemenea pentru transferul de programe.

În cazul selector-ului de mod de lucru notat cu 6 în figura 5.1 setările ii sunt prezentate în tabelul 5.2.

Tabel 5.2 Setările selectorului

5.2. Specificații tehnice ale intrărilor și ieșirilor

În continuare este prezentată utilizarea și organizarea intrărilor și ieșirilor integrate în automatul programabil Siemens S7-300 , conform figurii 5.4:

Fig. 5.4 Organizarea intrărilor și ieșirilor integrate în automatul programabil Siemens S7-300

Unde avem următoarele corespondențe:

– la Byte 0 – sunt legate intrările de la I0.0…I0.7;

– sunt legate ieșirile de la Q0.0…Q0.7 ;

-la Byte 1 – sunt legate intrările de la I1.0…I1.7;

– sunt legate ieșirile de la Q1.0…Q1.7;

– la Byte 2 – sunt legate intrările digitale de la I2.0…I2.7;

– sunt legate intrările analogice;

– sunt legate ieșirile analogice de la Q2.0…Q2.7;

Mai jos sunt prezentate câteva accesorii necesare conectării automatului programabil:

– I/O terminal (SysLink) (fig. 5.5 a)

– I/O cablu de date cu conectori SysLink (fig. 5.5 b)

– adaptor USB A2 pentru Pc (fig. 5.5 c)

a) b) c)

Fig. 5.5 a) I/O terminal (SysLink); b) I/O cablu de date cu conectori SysLink; c) adaptor USB A2 pentru Pc

5.3. Conectarea electrică a invertorului

Invertorul este proiectat pentru a controla vitezele motorului asincron trifazat. Acest tip de invertoare prezintă unele caracteristici precum: funcții de control multiple, caracteristici de putere optimizate, manipularea ușoară, design compact, etc.

Invertoarele de frecvență sunt disponibile cu cuplu constant sau variabil.

În scopul conectării tipului de invertor amintit mai sus este necesară respectarea modului de conectare impus de producător, conform figurii 5.6 [12 NORDAC]:

Fig. 5.6 Modul de conectare al invertorului

Unde:

– L1, L2, L3 – fazele de alimentare;

Motorul este protejat împotriva suprasarcinii fiind dotat cu un senzor de temperatură.

5.4. Setările invertorului

Cablurile pentru controlul invertorului vor fi conectate la terminalul de control cu 29 de borne, care este împărțit în 5 blocuri conform figurii 5.7 [12 NORDAC]:

Fig. 5.7 Interfața invertorului

Unde:

1 – transfer curent (I (A) ) – tensiune (U (A) );

2 – releu;

3 – intrare (I) / ieșire (O) analogică (două intrări și o ieșire);

4 – intrare (I) / ieșire (O) digitală (șase intrări și o intrare rezistivă);

5 – interfață RS – 485;

6 – axă incrementală (intrare encoder);

7 – resetare pentru rezistorul interfeței RS – 485;

8 – afisajul și tastatura;

9 – comutator de service;

Terminalul de control cu 29 de borne este prezentat în figura 5.8 [12 NORDAC]:

Fig. 5.8 Terminalul de control cu 29 de borne

Unde:

1 și 2 – reprezintă releu funcții multiple (eroare);

3, 4 și 5 – reprezintă releu funcții multiple (control frânare);

6 – tensiune referință (maxim 10 mA);

7 – potențial de referință pentru intrări și ieșiri analogice;

8 și 9 – intrare analogică 1 respectiv 2;

10 – ieșire analogică 0…10 V (maxim 10 mA);

11 și 12 – PTC rezistor / senzor de temperatură (răspuns aproximativ 5 kΩ);

13 – sursă de alimentare pentru intrările digitale (+15 V, 50 mA);

14 – potențial de referință pentru intrările de control (ST – DGNG);

15 – intrare digitală 1 (acționat dreapta);

16 – intrare digitală 2 (acționat stânga);

17 – intrare digitală 3 (frecvență fixă);

18 – intrare digitală 4 (setare parametru de transfer, intrare 1);

19 – intrare digitală 5 (setare parametru de transfer, intrare 2);

20 – intrare digitală 6 (atenționare eroare);

21 – interfață RS – 485+;

22 – interfață RS – 485-;

23 – potențial de referință pentru RS – 485 (RS – DGND);

24 – asigurarea tensiunii pentru encoder-ul incremental ( +5 V, 250 mA);

25 – potențial de referință pentru codificatorul arborelui incremental (IN – DGND);

26 – piesă de intrare A+;

27 – piesă de intrare A-;

28 – piesă de intrare B+;

29 – piesă de intrare B-;

În ceea ce privește afișajul invertorului prezentat în figura 5.zxcv și notat cu 8, acesta este prezentat detaliat în figura 5.9:

Fig. 5.9 Afișajul invertorului

Unde:

1 – buton înainte;

2 – buton înapoi;

3 – enter;

4 – mărire valoare;

5 – micșorare valoare;

5.5. Diagrama de flux a semnalului

Invertorul ne permite setarea a 63 de poziții în cadrul modulului digital, cu ajutorul a 6 biți. Diagrama de flux a semnalului este prezentată în figura 5.10:

Fig. 5.10 Diagrama de flux a semnalului

Modulul digital 1 conține:

D1 – bit-ul 5 (MSB) most significant bit (bit-ul cel mai important);

D2 – bit-ul 4;

D3 – bit-ul 3;

D4 – bit-ul 2;

D5 – bit-ul 1;

D6 – bit-ul 0 (LSB) least significant bit (cel mai puțin important bit);

6. Concluzii

În urma studiilor și cercetărilor efectuate pe parcursul elaborării proiectului de diplomă pot fi formulate următoarele concluzii:

Utilizarea motoarelor asincrone trifazate prezintă avantaje precum: prețul de cost scăzut, alimentarea directă de la rețea, siguranță în exploatare, dar și o construcție simplă și robustă;

În același timp forma constructivă a motoarelor prezintă și următorul dezavantaj, modificarea vitezei realizându-se greoi și cu investiții ridicate;

Utilizarea invertoarelor prezintă avantajul de a avea incluse diferite funcții software și hardware, care reduc semnificativ nevoia de echipamente suplimentare în instalațiile în care sunt montate;

Comparativ cu alte tipuri de transmisii, transmisia prin curele prezintă o serie de avantaje: se montează și se întreține ușor, funcționează fără zgomot, amortizează șocurile și vibrațiile;

Dintre dezavantajele acestor transmisii se pot menționa: sensibilitate mărită la căldură și umiditat precum și capacitatea de încărcare limitată. De asemenea un alt dezavantaj îl constituie nevoia unor dispozitive suplimentare de întindere a curelei;

Contribuții personale

În urma documentări teoretice și a simulărilor se pot evidenția următoarele contribuții personale:

Realizarea unui studiu comparativ asupra motoarelor sincrone și asincrone;

Realizarea unui studiu privind utilizarea invertoarelor;

Elaborarea calculelor în urma cărora a rezultat dimensionarea echipamentului și modelarea 3D a acestuia;

Elaborarea programului de comandă in diagrame Ladder.

7. Anexe

ANEXA 1 – Coeficientul de funcționare (extras din STAS 1163)

ANEXA 2 – Coeficientul de lungime (extras din STAS 7192)

8 –

ANEXA 3 – Puterea nominală transmisă de o curea (extras din STAS 1163)

ANEXA 4 – Coeficientul numărului de curele (extras din STAS 1163)

ANEXA 5– Coeficientul de înfășurare (extras din STAS 1163)

Bibliografie

[1 Aslan 1954] Aslan H., Soare D., Petrescu Gh., Manualul inginerului electrician II, Editura Tehnică, 1954;

[2 Moraru 1973] Moraru V., Botez E., Ispas C., Mașini-Unelte III Organologia și dinamica, Editura Tehnică București, 1973;

[3 Papadache 1956] Papadache I., Manualul inginerului electrician IV, Editura Tehnică București, 1956;

[4 Breaz 2003] Breaz R., Bogdan L., Automatizări în sisteme de producție, Editura Universității “Lucian Blaga” din Sibiu, 2003;

[5 Ivănescu 1994] Ivănescu M., Roboți industriali – algoritmi și sisteme de conducere, Editura “Universaria” Craiova, 1994;

[6 Bogdan 2017] Bogdan L., Tera M., Automatizări, Editura Universității “Lucian Blaga” din Sibiu, 2017;

[7 Papadache 1957] Papadache I., Razu A., Manualul inginerului electrician V, Editura Tehnică București, 1957;

[8 Doric 2001] Doric A., Bendic V., Dobrescu T., Roboți industiali în construcție modulară, Editura Bren București, 2001;

[9 Mândru 2004] Mândru D., Crișan R., Tătar O., Noveanu S., Acționări în mecanica fină și mecatronică, Editura Alma Mater Cluj-Napoca, 2004;

[10 Bogdan 1998] Bogdan L., Dorin A., Acționarea electrică a mașinilor-unelte și roboților industriali, Editura 4 Bren București, 1998;

[11 Tera 2010] Tera M., Bogdan L., Breaz R., Automatizări și comenzi electrice – îndrumar de laborator, Editura Universității “Lucian Blaga” din Sibiu, 2010;

[12 NORDAC] xxx Operating instructions NORDAC vector Frequency Inverter sxdcvb c;

[13www1]https://us.misumiec.com/vona2/detail/110300414430/?CategorySpec=00000029781%3a%3ab%0900000029788%3a%3ah%09unitType%3a%3a1&Inch=0 (18.06.2019 data accesării);

[14 Drăghici] Drăghici I., ș.a., Îndrumar proiectare în construcția de mașini, vol I, II și III, Editura Tehnică, București;

[15 Standard Motors] IEC – Standard Motors – 4 – pole with and without brake High Efficiency Three Phase Motors;

[16 Ratnaweera] Ratnaweera R., Integration of a Cartesian Robot. Master Thesis. Swiss Federal Institute of Technology ETH Zurich 2010

[17 www 2]http://webbut.unitbv.ro/Carti%20online/OM/JulaChisuLates/Col10.pdf, pag 19 (19.06.2019 data accesării);

[18 Misumi] https://us.misumiec.com/vona2/mech/M1000000000/

M1002000000/M1002030000/?searchFlow=results2category&KWSearch=Belt%20Pulley (16.06.2019 data accesării);

[19 www3] http://www.mec.tuiasi.ro/ro/images/OMM/2_Proiectarea%20transmisiei%

20prin%20curele_diagrame.pdf (14.06.2019 data accesării);

http://www.creeaza.com/tehnologie/electronica-electricitate/MOTORUL-SINCRON485.php (06.06.2019 data acesării);

Popescu, I., Titlul cărții cu italice, Editura Editura Universității “Lucian Blaga”din Sibiu, 2014;

opis

Proiectul conține:

– 71 pagini memoriu,

– 5 tabele,

– 25 figuri,

– 1 desen de ansamblu format A2, 2 desene de execuție format A3 echivalentul a 1 frmat A1.

Data: Semnătura absolventului:

Semnătura coordonaorului:

Anexa 2

Anexa 5

VIZAT

Conducător științific

Declarația pentru conformitate asupra originalității operei științifice

Subsemnatul / Subsemnata……………………………………………………………………….domiciliat/ă în localitatea………………………………………adresa poștală……………………………………………………………….. . …………………………………………………………………………………………………………………………………………….

având actul de identitate seria…………….nr……………………, codul numeric personal……………………………………………. înscris/ă pentru examenul de licență / proiect de diplomă / disertație / susținere teză de doctorat, cu tema / titlul………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..

declar următoarele:

opera științifică nu aparține altei persoane, instituții, entități cu care mă aflu în relații de muncă sau altă natură;

opera științifică nu este contrară ordinii publice sau bunelor moravuri, iar prin aplicarea acesteia nu devine dăunătoare sănătății ori vieții persoanelor, animalelor sau plantelor;

opera științifică nu a mai fost publicată de subsemnatul / subsemnata sau de o terță persoană fizică sau juridică, în țară sau în străinătate, anterior datei depunerii acesteia spre evaluare în scopul obținerii recunoașterii științifice în domeniu;

specific explicit că ideile prezentate sunt originale, iar sursele de informații care stau la baza emiterii unor teorii originale au fost corect citate și prezentate în opera științifică.

Data …………………………………….

Numele și prenumele ………………………………………………….

Semnătura ………………………………………….