GENERALITATI DESPRE MASINILE ELECTRICE

tehnica mecanica

ALTE DOCUMENTE

Motoare cu ardere interna

Mecanica teoretica - teorie si aplicatii

PoFerastrau debitat metale CO 250/030

Instalatia de aprindere Dacia 1300

Revelatorul D76

Echilibrul mecanic si energia potentiala

INSTALATII CU PANOURI SOLARE FOTOVOLATICE CU SILICIU AMORF TIP DS 40 PENTRU PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE

Aparate electrice

NORMA DE METROLOGIE LEGALA NML 029- 08 \'Opacimetre\"

RETELE ELECTRICE SI ELEMENTE DE RETEA

FIsĂ DE DOCUMENTARE

GENERALITĂŢI DESPRE MAsINILE ELECTRICE

Definirea masinii electrice

Masinile electrice sunt sisteme tehnice prin care se asigura conversia electromecanica.

Masinile electrice sunt folosite pentru producerea energiei electrice, în care caz sunt denumite generatoare electrice, sau pentru transformarea energiei electrice în energiei mecanica, în care caz sunt denumite motoare electrice. Masina convertizoare realizeaza modificarea parametrilor energiei electrice (tensiune, curent, frecventa etc.) prin intermediul energiei mecanice (figura 1). În situatia în care o masina electrica primeste simultan energie electrica si energie mecanica si le transforma în caldura, masina functioneaza în regim de frâna.

Figura 1. Conversia energiei cu ajutorul masinilor electrice:

P_m - putere mecanica; P_e - putere electrica; P_jf- pierderi electrice (efect Joule) si prin frecari.

h al unei masini electrice, definit ca raportul dintre puterea utila P₂ si puterea consumata P₁, este totdeauna subunitar.

FIsĂ DE DOCUMENTARE

NOŢIUNI GENERALE

DESPRE MAsINI ELECTRICE DE CURENT CONTINUU

Definitie

Masina electrica la care schimbul principal de energie cu o retea se realizeaza în curent continuu este cunoscuta sub denumirea de masina de curent continuu

Clasificare

Figura 1. Simbolizarea masinilor de curent continuu în functie de

modul de conectare a înfasurarii de excitatie fata de înfasurarea indusului

Masina de curent continuu poate functiona în trei regimuri din punctul de vedere al transformarii energetice efectuate: de generator, de motor sau de frâna.

Un regim de functionare este precizat de ansamblul valorilor numerice pe care le au, la un moment dat, marimile mecanice si electrice prin care se caracterizeaza functionarea masinii respective

Domenii de utilizare

Masinile electrice de curent continuu se construiesc cu puteri de la câteva zeci de wati pâna la mii de kilowati. Functie de utilizarea lor, acestea pot fi de tip:

MCG- de uz general, folosite în automatizarea proceselor de productie;

MCM- utilizate în metalurgie pentru actionarea cailor cu role, manipulatoarelor la cajele laminor, împingatoarelor în cuptor etc.;

MCU- pentru actionari de masini unelte (motoare construite pentru a putea functiona în conditiile alimentarii de la convertizoare cu tiristoare);

TN- pentru transport uzinal (electrocare, transpalete, electrostivuitoare); pentru tractiune feroviara (motoare pentru locomotive electrice, motoare pentru locomotive Diesel-electrice, generatoare principale si auxiliare destinate locomotivelor Diesel-electrice);

SSTA si MTA- motoare destinate actionarii locomotivelor electrice de mina;

CSC- convertizoare pentru sudare; pentru instalatii de foraj; pentru încarcarea bateriilor de acumulatoare.

FIsĂ DE DOCUMENTARE

CARACTERISTICI MECANICE ALE MOTOARELOR DE C.C.

Pentru a functiona ca motor, masina electrica se va alimenta de la o sursa de energie de curent continuu.

În functie de sistemul de excitatie, ecuatia de tensiuni la functionarea în sarcina a unui motor de c.c. este:

excitatie separata U = E + Ra.I;

excitatie serie U = E + (Ra + Re).I;

excitatie derivatie U = E + Ra.(I - i_ex);

excitatie mixta U = E + Ra.(I - i_ex) + R_sI;

Figura 1 Schemele motoarelor de curent continuu

a - M.c.c. cu excitatie separata, b - M.c.c. cu excitatie serie, c - M.c.c. cu excitatie derivatie

Cuplul electromagnetic al motoarelor de curent continuu

Figura 2. Caracteristicile mecanice ale motoarelor de c.c. cu excitatie:

1 - derivatie (separata); 2 - serie

Observatie: La mersul în gol, turatia motorului serie, n₀ tinde spre infinit si din aceasta cauza motorul cu excitatie serie nu poate functiona în gol sau cu sarcini foarte reduse, deoarece rotorul ar fi distrus de fortele centrifuge

FIsĂ DE DOCUMENTARE

PORNIREA MOTOARELOR DE C.C.

La motoarele de curent continuu, curentul I_a din indus nu trebuie sa depaseasca de 2-2,5 ori curentul nominal, nici chiar un timp scurt, deoarece - în caz contrar - comutatia s-ar înrautati foarte mult, si, în plus, încalzirea conductoarelor ar depasi limitele admisibile.

La pornire, când turatia este nula, întreaga tensiune de alimentare se regaseste pe rezistenta (destul de scazuta) a indusului.

Observatie: la functionarea normala, cu o anumita turatie, pe lânga tensiunea retelei, în motor mai apare - prin inductie - si o alta tensiune, numita contraelectromotoare, care se scade din tensiunea de alimentare si astfel, pe rezistenta indusului se regaseste o tensiune mult mai mica.

Rezulta valoarea curentului de pornire:

Acest curent depaseste de 20 - 50 de ori curentul nominal, deci nu este admisibil pentru motor si nici pentru reteaua care alimenteaza motorul.

Figura 1. Pornirea M.c.c. prin înserierea în circuitul indusului a unui reostat în trepte:

a - schema de principiu; b - diagrama pornirii în trepte a unui motor de c.c.

FIsĂ DE DOCUMENTARE

REGLAREA VITEZEI MOTOARELOR DE C.C.

variatia unei rezistente înseriate cu circuitul indusului

variatia tensiunii

variatia fluxului inductor

Variatia turatiei se obtine prin:

Fig.1 Reglarea turatiei motoarelor de curent continuu cu ajutorul unui reostat montat în indus: a - schema de montaj pentru un motor cu excitatie derivatie; b - caracteristicile turatiei pentru un motor cu excitatie derivatie

F=F

F F

Fig. 2 Reglarea turatiei motoarelor de curent continuu cu ajutorul unui reostat montat în circuitul de excitatie: a - schema de montaj pentru un motor cu excitatie derivatie b - caracteristica turatiei pentru un motor cu flux diminuat

FIsĂ DE DOCUMENTARE

FRÂNAREA MOTOARELOR DE C.C.

La actionarea electrica a unor masini de lucru, apare necesitatea f 13413w222n rânarii acestora, fie pentru micsorarea vitezei, fie pentru mentinerea constanta a vitezei mecanismului care este sub actiunea unui cuplu exterior activ, care tinde sa-l accelereze (de exemplu, la coborârea unei greutati).

M_n

n_n

-M_a

Figura 1 Explicativa la frânarea prin recuperare

» Frânarea prin recuperare. Aceasta metoda se utilizeaza atunci când motorul este antrenat de catre mecanismul actionat cu un cuplu activ M_a, la o turatie ce depaseste turatia în gol n₀ a motorului. O astfel de situatie apare de exemplu la un vehicul actionat electric ( locomotiva electrica, tramvai etc.) care coboara o panta. Când vehiculul este actionat de motor, acesta este alimentat de la retea cu tensiunea U, iar curentul are un anumit sens prin motor. Când începe coborârea pantei, forta gravitationala actioneaza asupra vehiculului, iar cuplul motor si curentul scad la zero, masina de curent continuu mergând în gol. Crescând viteza de rotatie peste n₀(fig. 1), tensiunea contaelectromotoare depaseste ca valoare tensiunea de alimentare U, apare un curent I_a prin indus de sens invers decât în situatia anterioara si masina functioneaza ca generator, transformând energia cinetica a vehiculului în energie electrica pe care o înapoiaza retelei, realizând o recuperare a energiei. Frânarea prin recuperare este cea mai economica metoda, însa poate fi utilizata numai la turatii mai mari decât turatia nominala si deci prin aceasta metoda nu se poate realiza oprirea motorului.

F₁

R_f

R_c

M_r

n_o

-M_r

F₂

Figura 2. Frânarea dinamica: a - Schema de principiu (1- regim de motor; 2- regim de frâna);

b - diagrama frânarii (M_r - cuplul rezistiv al mecanismului antrenat)

Figura 3. Frânarea contracurent:

a - schema de principiu (1 - regim de motor, 2 - regim de frâna);

b - diagrama frânarii (Mr - cuplul rezistent al mecanismului antrenat).

FIsĂ DE LUCRU

PORNIREA MOTORULUI DE C.C. CU EXCITAŢIE SEPARATĂ

(lucrare de laborator)

Schema montajului de lucru

Schema montajului de lucru pentru pornirea motorului de curent continuu cu excitatie separata

Nomenclatorul aparatelor

M,G - masini de curent continuu cu excitatie independenta

R_c1, R_c2 - reostate de câmp (pentru circuitul de excitatie)

A_e1, A_e2, A₁, A₂ - ampermetre de curent continuu

K_e1, K_e2 - întreruptoare bipolare

K₁ - comutator cu doua pozitii

K₂, K₃ - întreruptoare monopolare

V₁, V₂ - voltmetre de curent continuu

R₁ - reostat de pornire

R_f - rezistenta de frânare (reostat)

R_s - reostat de sarcina

Observatie: la alegerea aparatelor de masurat se vor avea în vedere valorile nominale ale marimilor caracteristice masinilor de curent continuu, precum si posibilitatea masurarii unor valori cu 20 - 30% mai mari decât acestea.

Modul de lucru

Pentru pornirea în gol a motorului se procedeaza astfel:

se verifica reostatul R_c1 sa fie pe pozitia de rezistenta maxima;

se închide K_e1: astfel, înfasurarea de excitatie este alimentata;

se variaza R_c1(prin deplasarea cursorului) pâna când, în circuitul de excitatie, se stabileste curentul nominal;

se verifica reostatul R₁ sa fie pe pozitia de rezistenta minima;

se închide comutatorul K₁ pe pozitia , alimentându-se înfasurarea indusului;

se micsoreaza treptat valoarea rezistentei reostatului R₁: în acest fel, partea din tensiunea sursei care revine motorului creste; în final, se închide K₃ si R₁ este scos din circuit, toata tensiunea retelei revenind motorului;

se citesc indicatiile la

A₁ - curentul absorbit la mers în gol (fara sarcina mecanica) si la

V₁ - tensiunea nominala cu care este alimentat motorul;

se citeste, la un turometru, turatia n₀ corespunzatoare.

se completeaza tabelul urmator:

Nr. determinarii

[V]

[A]

[rot/min]

Observatii si concluzii

Se vor formula opinii si constatari personale privind modul în care variaza marimile monitorizate si se va explica aceasta variatie.

FIsĂ DE LUCRU

REGLAREA VITEZEI MOTORULUI DE C.C. CU EXCITAŢIE SEPARATĂ

(lucrare de laborator)

Schema montajului de lucru

Schema montajului de lucru pentru reglarea vitezei motorului de curent continuu cu excitatie separata

Nomenclatorul aparatelor

M,G - masini de curent continuu cu excitatie independenta

R_c1, R_c2 - reostate de câmp (pentru circuitul de excitatie)

A_e1, A_e2, A₁, A₂ - ampermetre de curent continuu

K_e1, K_e2 - întreruptoare bipolare

K₁ - comutator cu doua pozitii

K₂, K₃ - întreruptoare monopolare

V₁, V₂ - voltmetre de curent continuu

R₁ - reostat de pornire

R_f - rezistenta de frânare (reostat)

R_s - reostat de sarcina

Modul de lucru

A. Pentru reglarea vitezei prin variatia tensiunii de alimentare:

se verifica reostatul R_c1 sa fie pe pozitia de rezistenta maxima;

se închide K_e1: astfel, înfasurarea de excitatie este alimentata;

se variaza R_c1(prin deplasarea cursorului) pâna când, în circuitul de excitatie, se stabileste curentul nominal;

se verifica reostatul R₁ sa fie pe pozitia de rezistenta minima;

se închide comutatorul K pe pozitia , alimentându-se înfasurarea indusului;

cu comutatorul K₃ deschis se creste rezistenta reostatului R₁: se observa variatia turatiei indicate de turometru;

pentru fiecare valoare a lui R₁ (2.5 valori) se citeste turatia si tensiunea (la voltmetrul V₁

Observatie: reglajul vitezei prin variatia tensiunii de alimentare s-a efectuat în gol, obtinându-se punctele de intersectie ale caracteristicilor mecanice cu axa ordonatelor; de asemenea, reglajul s-a efectuat doar pentru tensiuni mai mici decât tensiunea nominala.

se completeaza tabelul urmator, observând ca valorile tensiunii sub tensiunea nominala, atrag dupa sine si scaderea turatiei sub valoarea de mers în gol ideal la tensiune nominala.

Nr. determinarii

[V]

[rot/min]

B. Pentru reglarea vitezei prin variatia fluxului inductor:

pornind din punctul de functionare în gol, la tensiunea nominala, se micsoreaza curentul de excitatie al motorului (crescând valoarea rezistentei reostatului R_c1) cu 10% si se citeste turatia motorului; se observa ca aceasta creste, ceea ce demonstreaza ca diminuarea fluxului permite reglajul la viteze mai mari decât cea nominala.

Observatie: curentul de excitatie nu va fi micsorat prea mult, deoarece turatiile ce se pot obtine pun în pericol motorul din punct de vedere mecanic (fortele centrifuge care apar solicita puternic rotorul).

C. Pentru reglarea vitezei prin înserierea de rezistente cu indusul:

se aduce motorul în punctul de functionare în gol, la tensiunea nominala;

se încarca motorul (marind sarcina R_s a generatorului G) pâna la 0,5.I_n (ampermetrul A₁ sa indice 50% din curentul nominal al motorului) si se citeste turatia;

se deschide K₃ si se înseriaza R₁ cu indusul motorului: pentru 2, 3 valori ale lui R₁, se masoara turatia corespunzatoare

se completeaza tabelul:

R₁	n[rot/min]
R₁₁
R₁₂>R₁₁
R₁₃>R₁₂

se observa ca, la aceeasi sarcina (încarcare), turatia scade prin cresterea valorii rezistentei înseriate cu indusul;

se reprezinta grafic caracteristicile reostatice obtinute.

Observatii si concluzii

Se vor formula opinii si constatari personale privind modul în care variaza marimile monitorizate si se va explica aceasta variatie, prin dependentele cunoscute dinte marimile caracteristice functionarii acestui tip de motor.

Se vor reprezenta grafic punctele obtinute si se vor corela cu caracteristicile electromecanice ale motorului de curent continuu cu excitatie separata.

FIsĂ DE LUCRU

FRÂNAREA MOTORULUI DE C.C. CU EXCITAŢIE SEPARATĂ

(lucrare de laborator)

Schema montajului de lucru

Schema montajului de lucru pentru frânarea motorului de curent continuu cu excitatie separata

Nomenclatorul aparatelor

M,G - masini de curent continuu cu excitatie independenta

R_c1, R_c2 - reostate de câmp (pentru circuitul de excitatie)

A_e1, A_e2, A₁, A₂ - ampermetre de curent continuu

K_e1, K_e2 - întreruptoare bipolare

K₁ - comutator cu doua pozitii

K₂, K₃ - întreruptoare monopolare

V₁, V₂ - voltmetre de curent continuu

R₁ - reostat de pornire

R_f - rezistenta de frânare (reostat)

R_s - reostat de sarcina

Modul de lucru

Pentru frânarea prin inversarea polaritatii tensiunii de alimentare:

se aduce motorul în punctul de functionare în gol, la tensiunea nominala;

se încarca motorul, cu o sarcina oarecare (sarcina motorului este un generator de curent continuu, identic constructiv cu motorul - masinile electrice fiind sisteme reversibile);

pentru încarcarea motorului se procedeaza astfel:

se verifica R_c2 si R_s sa fie pe pozitia de rezistenta minima;

se închide K_e2 si se modifica R_c2 pâna când ampermetrul A_e2 indica valoarea nominala a curentului de excitatie;

se închide K₂ si se modifica R_s pâna când în circuitul indusului de la generator se obtine un curent de aproximativ 0,5.I_n; se observa ca, fata de valoarea indicata initial (K₂ deschis), tensiunea debitata de generator scade - fapt observat la lucrarea anterioara;

se comuta K₁ pe pozitia corespunzatoare frânarii, înseriind cu indusul motorului rezistenta R_f de frânare, a carei valoare depinde de curentul de frânare impus; se observa ca viteza motorului scade treptat.

Observatie: când turatia este foarte mica, oprirea se poate face cu o frâna mecanica: altfel, motorul îsi schimba sensul de rotatie, corespunzator noii polaritati a tensiunii aplicate indusului sau.

Observatii si concluzii

Se vor formula opinii si constatari personale privind modul în care variaza marimile monitorizate si se va explica aceasta variatie.

Se vor reprezenta calitativ, caracteristicile de frânare si se va marca deplasarea punctului de functionare pe aceste caracteristici.

FIsĂ DE DOCUMENTARE

PORNIREA, REGLAREA VITEZEI sI FRÂNAREA

MOTORULUI DE C.C. CU EXCITAŢIE SEPARATĂ

- notiuni teoretice generale-

Pornirea motoarelor de curent continuu

La motoarele de curent continuu, curentul din indus, I_a, nu trebuie sa depaseasca de 2 . 2,5 ori curentul nominal I_n, nici chiar untimp scurt, deoarece - în caz contrar - comutatia s-ar înrautati foarte mult.

La pornire, când n = 0, t.e.m. E = 0, deci relatia U = E + R_a.I_a devine:

U = R_a.I_a = R_a.I_p

în care cu I_p s-a notat curentul I_a din indus, în momentul pornirii.

Din relatia precedenta se deduce curentul de pornire I_p

Acest curent depaseste de 20.50 de ori curentul nominal, deci nu este admisibil pentru un motor si nici pentru reteaua care alimenteaza motorul.

Reducerea curentului de pornire se poate face:

prin reducerea tensiunii aplicate U

prin introducerea în circuitul principal al motorului a reostatului de pornire R_p

Curentul de pornire devine, prin alegerea convenabila a lui R_p:

Reglarea vitezei la motoarele de curent continuu

Expresia turatiei n în functie de cuplul M este data de relatia:

Conform acestei relatii, viteza poate fi reglata:

fie prin variatia tensiunii aplicate U

fie prin variatia fluxului inductor

fie prin înserierea cu indusul (de rezistenta R_a), a unei rezistente suplimentare R_s

Frânarea motoarelor de curent continuu

La actionarea electrica a unor mecanisme, apare necesitatea f 13413w222n rânarii mecanismului fie pentru micsorarea vitezei, fie pentru mentinerea constanta a vitezei mecanismului care este sub actiunea unui cuplu exterior.

Principalele metode de frânare sunt:

frânarea prin recuperare (motorul trece în regim de generator);

frânarea dinamica (motorul, decuplat de la retea si antrenat de masina de lucru, trece în regim de generator care debiteaza pe o rezistenta înseriata cu indusul);

frânarea contracurent (la bornele motorului, se schimba polaritatea tensiunii de alimentare).

Actionarea masinilor-unealta

Pentru miscarea de pozitionare a axelor se folosesc trei tipuri de actionari:

a) electrice,

b) hidraulice si

c) pneumo-hidraulice.

Fig.1.5. Componente ale motorului pas-cu-pas.

La freze, pentru miscarea de rotatie a sculei se folosesc motoare asincrone sau de curent continuu deseori însotite de angrenaje de tip "cutie de viteza" pentru schimbarea domeniului de viteze de rotatie.

Actionarile electrice folosesc motoare electrice:

a) pas-cu-pas,

b) de curent continuu,

c) servomotoare de curent alternativ.

În orice miscare de pozitionare, controller-ul trebuie sa cunoasca locatia precisa a sculei taietoare. Acest lucru se poate realiza prin comanda (sistem în bucla deschisa) sau reglare (sistem în bucla închisa).

Comanda: se foloseste în combinatie cu motoarele electrice pas-cu-pas, fig.1.5. La motoarele pas-cu-pas, pe stator exista doua, patru sau cinci înfasurari (bobine) distincte. Rotorul este format din magneti permanenti. Alimentând cu curent o bobina, rotorul se aliniaza în directie perpendiculara pe acea bobina, polul nord al magnetului permanent fiind orientat catre polul sud al electromagnetului (bobina parcursa de curent într-un anumit sens). La un impuls provenit de la controller se comuta curentul prin alta bobina a statorului, determinând astfel deplasarea rotorului cu un pas. La unele motoare, o rotatie completa a rotorului se realizeaza în 500 de pasi, adica de impulsuri. Controller-ul este capabil sa genereze impulsuri cu frecvente maxime de ordinul kilo-hertilor. Deoarece fiecare impuls este contorizat, controller-ul stie în permanenta unde se afla axa. Nu exista posibilitatea de a verifica daca motorul executa întradevar un pas la fiecare impuls. În general nu se "pierd" pasi decât daca axa se blocheaza din cauze accidentale sau de avarie (coliziune). Precizia unui sistem cu motor pas-cu-pas si axa cu surub poate atinge 0,01 mm - precizia unui pas. Cu reglare (sistem în bucla închisa) se poate obtine o precizie cu un ordin de marime mai mare, 0,001 mm. Sistemele de pozitionare cu motoare pas-cu-pas se folosesc îndeosebi la constructia masinilor CNC de marime mica. Sunt simple si mai ieftin de întretinut.

Reglarea: este utilizata în combinatie cu servomotoare de curent continuu (sau de curent alternativ) si un traductor de deplasare (sau de rotatie). Traductoarele de rotatie se numesc resolver-e si sunt montate pe axul motorului sau la celalalt capat al axei. Un resolver transforma pozitia unghiulara într-un semnal electric, care este transmis la controller. Traductoarele de deplasare se monteaza paralel cu axa. Pe traductor poate culisa un cursor care se fixeaza de sania mobila a axei. Traductorul masoara exact pozitia sculei, si elimina astfel erorile datorate jocului dintre surub si sanie (piulita) si de asemenea erorile datorate uzurii surubului. Pozitia cursorului este convertita într-un semnal electric, transmis la controller. Primind informatii de la traductoarele de pozitie, controller-ul poate corecta imediat eroarea de pozitionare prin comenzi catre servomotoare.

Fig.1.6 Resolver actionat de axa. Fig.1.7. Traductor de deplasare liniar.

2.1 AVANTAJE sI DEZAVANTAJE ALE COMENZILOR ELECTROPNEUMATICE

Comenzile electrice utilizate în actionarile pneumatice si hidraulice au aparut din necesitatea de a minimiza timpul afectat prelucrarii semnalelor de comanda, deci de a scurta ciclurile de functionare a instalatiilor, liniilor de fabricatie, etc. cu scopul eficientizarii proceselor de productie.

normal deschis

NÎ

normal închis

ND doua cai

trei pozitii

ND cu retinere pe pozitie

NÎ cu retinere pe pozitie

Contacte sin-cronizate mec.

Contact ND comutat

Întrerupator ND actionat manual cu buton, general

Întrerupator cu buton, ND, actionat prin apasare

Întrerupator cu buton, ND, actionat prin tragere

Întrerupator cu buton, ND, actionat prin rotire

Actionare mecanica cu rola

Actuator în general

Releu în curent alternativ

Releu termic

Releu cu indicarea rezistentei în curent continuu

Releu de timp cu temporizare la energizare

Releu de timp cu temporizare la dezactivare

Actuator electromecanic

Actuator pentru comanda distribuitorului

Contactor sau releu cu trei contacte normal deschise si un contact normal închis

Releu cu temporizare la activare

Releu cu temporizare la dezactivare

Senzori de proximitate:

Senzor magnetic (REED)

Senzor optoelectronic

Senzor inductiv

Senzor capacitiv

Indicatori audio si vizuali:

Hupa cu indicarea tipului de curent

Indicator audio general

Lampa general

Dioda luminiscenta (LED)

Instrumente de masura:

Instrument de masura, general

Ampermetru cu indicarea unita tilor în amperi

Voltmetru cu indicarea unita-tilor în milivolti

Voltmetru ptr. c.c. si c.a.

Multimetru cu indicarea unita-tilor pentru ten-siune, intensita-te si rezistenta

Actuatoare mecanice si electrice

Solenoid cu o singura înfasurare

Actionare cu solenoid sau manuala

Actionare cu doi solenoizi

Actionare cu solenoid si arc de revenire

Actionare cu solenoid si manuala asupra pilotului

Releu de presiune (presostat)

Alimentare cu energie electrica:

Curent continuu

Curent alternativ

Baterie

Redresor

Transformator cu doua înfasurari separate

Elemente logice:

2.3 APARATE sI COMPONENTE ELECTRICE

UTILIZATE ÎN SISTEMELE ELECTROPNEUMATICE

1. Electromagneti

Un curent electric trecând printr-un conductor produce în jurul sau un câmp magnetic. Realizând o bobina cu acest conductor si introducând în interiorul acesteia un miez feromagnetic, la extremitatile bobinei apare un câmp magnetic ce poate actiona asupra unei armaturi feromagnetice mobile. Forta de actiunea asupra armaturii mobile dispare la disparitia curentului prin bobina.

Electromagnetii prezinta doua avantaje importante fata de magnetii permanenti:

câmpul magnetic poate fi stabilit sau întrerupt, inversat sau nu, marit sau micsorat, în functie de curentul din bobina de excitatie;

se poate genera un câmp magnetic mult mai puternic, deci si forte mai importante, decât cu ajutorul magnetilor permanenti, la aceleasi dimensiuni constructive.

Dezavantajul utilizarii electromagnetilor fata de magnetii permanenti îl reprezinta necesitatea prezentei unei surse de alimentare a bobinei si existenta unui consum de energie electrica (care se transforma în final, cu un anumit randament, în energie mecanica).

1.2. Domenii de utilizare, clasificare

Posibilitatea aparitiei unei forte ce poate deplasa o armatura face ca electromagnetii sa aiba o importanta aparte în constructia echipamentelor electrice. Dintre domeniile de utilizare se pot aminti:

parti componente ale aparatelor electrice de comutatie (ce servesc la stabilirea sau întreruperea mecanica a unor contacte): organ motor în relee, contactoare, întreruptoare si declansatoare;

parti componente ale unor servomecanisme utilizate pentru ridicare si transport, la cuplele electromagnetice, la fixarea pieselor pe masini-unelte etc.;

parti componente ale electrovalvelor destinate a dirija circulatia de aer comprimat sau a lichidelor.

Clasificarea electromagnetilor se poate face dupa mai multe criterii:

- dupa modul de lucru

- dupa forma constructiva:

dupa felul curentului de excitatie:

de curent continuu

de curent alternativ

- dupa durata de exploatare:

continuu;

intermitent.

- dupa rapiditatea de actionare:

normal

rapid

întârziat

În fig2.1 sunt prezentate variante constructive pentru electromagnetii cu armatura mobila, la care forma armaturii fixe este de tip U. Aceleasi variante constructive pentru electromagneti cu armatura fixa tip E sunt prezentate în fig.2.2.

Fig 2.1 Electromagneti tip U.

Fig 2.2 Electromagneti tip E.

În fig2.3 sunt prezentate solutii constructive pentru electromagnetii cu structura cilindrica.

Fig 2.3 Electromagneti cu structura cilindrica.

În fig2.4 sunt prezentate câteva tipuri de electromagneti realizati la începuturile cercetarilor în domeniu de catre Hans Christian Oersted (1777-1851), Joseph Henry (1799-1878) si William Sturgeon (1783-1850).

Fig 2.4 Exemple de electromagneti.

Un circuit magnetic este o cale de închidere a liniilor de câmp magnetic. El cuprinde zone de material feromagnetic (otel electrotehnic, magneti permanenti), zone de aer (întrefieruri) si zone de materiale nemagnetice (conductoare, izolanti). Un exemplu de circuit magnetic este prezentat în fig2.5, circuitul aparând sub forma unui inel toroidal din material feromagnetic (miez feromagnetic), cu un întrefier de lungime d si cu o înfasurare conductoare având N spire.

Fig 2.5 Circuit magnetic.

La trecerea unui curent electric de intensitate I printr-un conductor liniar apare în jurul acestuia un câmp magnetic având inductia magnetica . Liniile de câmp magnetic sunt circulare, cu centrul situat pe conductor, aflate în plan perpendicular pe conductor si având sensul dependent de sensul curentului din conductor - Fig2.6.a.

Realizând cu ajutorul conductorului o spira - fig2.6.b - se observa ca în interiorul spirei numarul liniilor de câmp este mai mare si, în consecinta, inductia magnetica creste.

a) b)

Fig 2.6 Câmp magnetic produs de conductor parcurs de curent electric.

Câmpul magnetic produs de o bobina (solenoid) parcursa de curent electric este similar cu cel produs de un magnet permanent - fig2.7.a. Un miez feromagnetic introdus în bobina conduce la cresterea inductiei magnetice fata de situatia în care în interiorul bobinei este aer - fig2.7.b.

a) b)

Fig 2.7 Câmpul magnetic produs de o bobina.

1.3. Electromagnetii de curent continuu

Constructiv, acest tip de electromagnet contine o bobina de excitatie parcursa de curent continuu si un circuit magnetic realizat, de regula, din piese masive de otel-carbon. Când se doreste o actionare rapida miezul magnetic se realizeaza din tole, adica este lamelat.

Fig 2.8 Electromagnet de curent continuu cu plonjor.

În fig2.8 este prezentat un electromagnet de curent continuu cu armatura mobila de tip plonjor în doua variante:

fara limitator caracterizat de o deplasare importanta a armaturii mobile si de obtinerea

unei forte mici, dar practic constanta pe toata distanta;

- cu limitator drept - caracterizat de o deplasare mica si o forta mare. Este tipul constructiv de electromagnet folosit pentru actionarea electrovalvelor.

Timpul de actionare al unui electromagnet de curent continuu depinde de regimul dinamic al acestuia, regim ce se refera la fenomenele electrice si mecanice care au loc în intervalul de timp în care armatura mobila se deplaseaza. Actionarea rapida la atragerea armaturii se realizeaza, din punct de vedere constructiv, prin reducerea la minimum a masei armaturii aflate în miscare si prin utilizarea miezului magnetic din tole. Actionarea rapida la eliberarea armaturii se poate realiza prin conectarea unui condensator în paralel cu bobina de excitatie. Actionarea întârziata se realizeaza prin introducerea unei bobine suplimentare în serie (întârziere la închidere) sau în paralel (întârziere la deschidere) cu bobina de excitatie a electromagnetului.

Alte avantaje prezentate de utilizarea electromagnetului de curent continuu:

- putere mica consumata pentru actionare si pentru mentinere;

- durata lunga de buna functionare, corespunzatoare la aproximativ 10⁸comutari.

Dintre dezavantajele utilizarii electromagnetilor de curent continuu:

- poate sa apara arc electric, a carui stingere este dificila în curent continuu si se pot produce supratensiuni

- uzura prin frecare este mare;

- timpul de comutare este mare;

- în cazul alimentarii bobinei de la o sursa de curent alternativ este necesara utilizarea unui redresor.

Electromagnetii de curent alternativ

Electromagnetii de curent alternativ se alimenteaza, în general, de la reteaua de 50 Hz, cu un curent sinusoidal. Când intensitatea curentului prin bobina are o variatie sinusoidala, forta dezvoltata în fiecare moment are o frecventa dubla si în anumite momente ia valoarea zero - fig2.9. Din aceasta cauza armatura mobila a electromagnetului are tendinta de îndepartare sub actiunea fortei antagoniste a resortului si de a vibra cu frecventa de 100 Hz, lucru inacceptabil în utilizare.

Fig 2.9 Variatia curentului si fortei

la un electromagnet de curent

alternativ conectat la reteaua

de 50 Hz.

EXERCIŢIU

electric prin

Un electromagnet are ca parti componente :

Forta produsa de un electromagnet asupra este decât în cazul

Electromagnetul tip U are coloane iar cel tip E are coloane.

Electromagnetul monofazat de curent alternativ are spira pentru ca forta sa nu traca prin

La masurarea rezistentei bobinei unui electromagnet a obtinut valoarea 10 MΩ. Bobina este

2. Sigurante fuzibile

I I_n, aceasta valoare poate trece un timp infinit prin circuit si siguranta fuzibila nu se topeste. Când intensitatea curentului depaseste valoarea nominala, cantitatea de caldura degajata creste si la un anumit moment elementul fuzibil se topeste. Intervalul de timp pâna la topire este cu atât mai mic cu cât intensitatea curentului este mai mare.

a) b)

Fig 2.14 Element fuzibil înainte si dupa actiune.

La înlaturarea defectului din retea, care a condus la curentul de scurtcircuit sau de suprasarcina, trebuie înlocuita siguranta fuzibila distrusa cu o alta de acelasi curent nominal. În fig2.14 se prezinta aspectul sigurantei fuzibile înainte si dupa actionare. Se observa în fig2.14.b distrugerea elementului fuzibil.

sigurante fuzibile de joasa tensiune

- cu mare putere de rupere. Sunt utilizate în instalatii cu tensiuni de lucru pâna la 1000 V si intensitati ale curentului electric între 100 A si 1000A. Intensitatea curentului întrerupt poate ajunge la 50 kA. În fig2.15 se prezinta constructia interioara a unui element de siguranta cu mare putere de rupere. Se observa ca banda fuzibila (3) prezinta patru locuri înguste (sectiuni diminuate). În aceste zone se va initia topirea metalului la trecerea curentului de scurtcircuit. În zona centrala fiind depus un aliaj usor fuzibil (Pb, Sn, Sb), cu o temperatura de topire bine determinata, în aceasta zona se va topi banda fuzibila la trecerea curentului de suprasarcina.

cu filet. Sunt utilizate în instalatii industriale si casnice, în retele cu tensiuni nominale pâna la 1000 V si intensitati ale curentului electric pâna la 100 A.

miniatura. Sunt utilizate în aparatura electrica de masurare, comanda si control, pentru nivele scazute ale tensiunilor nominale si intensitati ale curentului pâna la câtiva zeci de amperi. În fig2.16 se prezinta câteva sigurante miniatura pentru retele de joasa tensiune.

Fig 2.15 Siguranta fuzibila de mare putere de rupere:

(1), (2) cutit pentru contact; (3) banda fuzibila; (4) carcasa;

(5) nisip de cuart; (6) nit cu aliaj eutectic; (7) punct de initiere a topirii la scurtcircuit; (8) punct de initiere a topirii la suprasarcina

Fig 2.16 Sigurante fuzibile miniatura

- sigurante fuzibile de înalta tensiune. Sunt destinate circuitelor alimentate la tensiuni nominale cuprinse în intervalul 1.35 kV. Solutia constructiva trebuie sa ofere spatiu suficient pentru a se asigura rigiditatea dielectrica (izolatia electrica) dupa topirea firului fuzibil.

O problema importanta privind utilizarea sigurantelor fuzibile o prezinta protectia selectiva. Caracteristicile specifice sigurantelor fuzibile asigura protectia selectiva a instalatiilor electrice în care exista numai sigurante fuzibile sau combinatii de sigurante fuzibile si alte tipuri de aparate de deconectare (întreruptoare, contactoare, relee etc.).

Selectivitatea între sigurantele fuzibile dintr-un circuit - fig2.17.a - este posibila pe baza caracteristicii de suprasarcina, în sensul ca siguranta fuzibila din amonte (spre sursa de alimentare) trebuie sa aiba un curent nominal mai mare decât siguranta fuzibila din aval (spre receptor). În cazul retelelor ramificate - fig2.17.b - se aplica acelasi principiu, cu observatia ca la alegerea curentului nominal al sigurantei din amonte trebuie sa se tina cont ca ea este parcursa de curentii din toate ramurile din aval.

a) b)

Fig 2.17 Protectia selectiva cu sigurante fuzibile.

Arcul electric. În conditii normale si la intensitati reduse ale câmpului electric, gazele, în general, se comporta ca elemente perfect izolante din punct de vedere electric. La presiuni mici (de ordinul milibarilor), chiar la intensitati reduse ale câmpului electric, un gaz poate conduce curentul electric prin fenomenul de ionizare: atomii gazului elibereaza un electron, devenind astfel ioni pozitivi. Daca acest gaz este situat în câmp electric, electronul se va deplasa catre anod, iar ionul pozitiv catre catod, conducând la aparitia unui curent electric. Alte cauze ale ionizarii gazelor: razele Roentgen, radiatiile corpurilor radioactive, radiatiile cosmice pentru gaze din atmosfera terestra etc.

Fig 2.18 Arc electric.

Arcul electric - fig2.18 - este definit ca fiind o descarcare într-un gaz caracterizata de o temperatura ridicata si o densitate mare de curent la electrozi. Temperatura coloanei este de ordinul 5000.10000^oC si în cazuri deosebite ajunge la 50000^oC. Starea de agregare a gazului în coloana arcului se numeste plasma, care în esenta este un gaz ionizat.

În electrotehnica arcul electric nu este dorit si de aceea toate aparatele de comutatie sau protectie folosesc principii de stingere a arcului electric. Unul din aceste principii este racirea fortata a coloanei arcului electric. Acest principiu se foloseste în constructia sigurantelor fuzibile la care stingerea arcului electric se face prin contactul acestuia cu granule din material refractar.

EXERCIŢIU

Are o putere de rupere mare a curentului electric ceea ce îi permite sa întrerupa

Siguranta fuzibila se plaseaza catre

Cu cât firul fuzibil este mai lung cu atât rezistenta sa electrica este iar tensiunea

Cu cât firul fuzibil este mai gros, cu atât intensitatea curentului nominal este mai

Elementul fuzibil trebuie realizat dintr-un material cu temperatura de topire mai decât materialul

din care se realizeaza conductoarele circuitului.

Timpul de limitare creste odata cu curentului ce siguranta fuzibila.

Topirea elementului fuzibil este datorata efectului ce apare la trecerea curentului de suprasarcina

Caldura degajata este preluata de

strictiunea (strângerea) liniilor de curent la trecerea acestuia dintr-un element al contactului în celalalt, deoarece atingerea se realizeaza doar în câteva puncte;

Conducerea curentului prin pelicula disturbatoare are loc fie prin deformarea plastica a pieselor (datorita fortelor de apasare a contactelor pelicula se fisureaza, situatie în care apar contacte metal/metal) fie prin fritare. La fritare, mecanismul de conductie se explica tinând cont ca pelicula disturbatoare se comporta ca un semiconductor. Astfel, daca se aplica o tensiune crescatoare, rezistenta electrica scade. De exemplu, la o grosime a peliculei de 1000 Å, caderea de tensiune initiala poate fi de 10.100 V, aceasta scazând în regimul normal de functionare la 0,5.1 V.

În aparatele cu contacte din metale nenobile si cu forta de apasare redusa, cum ar fi releele, stabilirea caii de curent se realizeaza prin fritare.

Contactele sunt supuse în timpul functionarii unei solicitari termice, fie de regim normal, fie regim de suprasarcina sau scurtcircuit. În toate situatiile temperatura nu trebuie sa depaseasca valoarea admisibila pentru regimul respectiv.

Contactele ce intra în compunerea aparatelor de comutatie sunt supuse suplimentar actiunii arcului electric care apare între elementele de contact la separarea lor. Cu toate ca durata arcului electric este limitata (5.30 ms), temperatura ridicata a acestuia provoaca o încalzire intensa a elementelor de contact. În curent continuu arcul electric produce fenomenul de migratie bruta, în care, din cauza caldurii, o cantitate de metal evaporat din anod se depune pe catod.

La aparatele electrice care executa un numar mare de comutatii se observa si o uzura electrica a contactelor, adica o migratie de material de pe un element de contact pe altul, sub actiunea arcului electric. De asemenea apare si o uzura mecanica datorita strivirii si deformarii elementelor de contact dupa un numar mare de manevre.

Conditiile în care lucreaza aparatele de comutatie sunt hotarâtoare în alegerea materialelor utilizate pentru contactele electrice. Se pot pune în evidenta urmatoarele situatii:

- contacte care stabilesc sau întrerup un circuit în absenta curentului electric. Necesita o rezistenta de contact redusa (cadere de tensiune de ordinul milivoltilor);

- contacte pentru tensiuni reduse si curenti mici. Prezente în constructia releelor de curent continuu, au ca problema migratia de material;

- contacte pentru tensiuni mai mari (sute de volti) si aflate, la deschidere, sub influenta arcului electric. Prezente în constructia contactoarelor si întreruptoarelor, au ca problema arderea contactelor (vaporizarea metalelor) si tendinta de sudare;

- contacte pentru puteri de rupere mari, ce apar în circuitele de joasa tensiune de curenti nominali intensi (1 kA.50 kA) si în circuitele de înalta tensiune. Prezenta arcului electric conduce la aceleasi probleme privind încalzirea, arderea contactelor si migratia de material;

- contacte alunecatoare, la care contactele nu se deschid ci îsi modifica locul de contact prin alunecare. Necesita materiale cu un coeficient de frecare cât mai redus.

În constructia contactelor se folosesc metale. În principiu, pentru realizarea unui contact "ideal" dintr-un singur material, se cer calitati antagoniste, care nu pot coexista simultan. Cuprul este relativ ieftin, dar se oxideaza repede; argintul si aurul nu reactioneaza sensibil la factori din mediul ambiant, dar sunt scumpe.

Obtinerea unui contact convenabil tehnic si economic implica utilizarea unor materiale care sa asigure un compromis între cerintele antagoniste. Astfel, se pot folosi: cuprul si aliajele sale, aliaje de cupru cu argint, aliaje de cupru cu beriliu, argintul si aliajele sale, wolframul sau materialele sinterizate.

EXERCITII

Un contact electric "ideal" are suprafata fiecarei armaturi de 0.5 cm² iar distanta dintre acestea este de 0,2 mm. Determinati cresterea procentuala a rezistentei de contact daca aria reala este de numai 0,2 cm².

La realizarea unui contact electric se foloseste ca material Ag-CdO (ρ=2,1.10^-8 Ωm). Calculati rezistenta de contact în conditiile geometrice de la punctul anterior.

Se masoara caderea de tensiune pe un contact U = 7,5 mV. Cunoscând intensitatea curentului din circuit I = 10 A, sa se determine rezistenta de contact si cantitatea de caldura eliberata prin efect Joule timp de 1 minut.

Rezistenta de contact apare din cauza si a

În curent continuu arcul electric supune contactele la si la

- întrerupatoare ND (bornele notate cu 3, 4):

Se observa din pozitia contactelor ca un contact normal deschis (ND) împiedica trecerea curentului electric, pe când contactul normal închis (NÎ) permite trecerea curentului electric.

Întrerupatoarele se construiesc pentru circuite monofazate si trifazate. Pentru fiecare cale de curent din circuitul respectiv exista un contact unde se realizeaza închiderea sau deschiderea circuitului. În fig2.20.a este prezentat un întrerupator cu un singur contact (monocontact) în pozitie normal deschis (ND) si în pozitie normal închis (NI). Întrerupatoarele pot avea mai multe contacte (multicontact) ND si/sau NÎ, în diferite combinatii. În fig2.20.b se observa câteva variante de întrerupator multicontact, având doua contacte normal deschis (ND), doua contacte normal închis (NÎ) sau doua contacte normal deschis (ND) si doua contacte normal închis (NÎ).

contact NÎ contact ND 2 contacte ND 2 contacte NÎ doua contacte ND si doua NÎ

a) b)

Fig 2.20 Intrerupatoare

În schemele electrice notarea bornelor unui întrerupator multicontact se face cu o notatie compusa din doua cifre:

EXERCIŢIU

Se construiesc pentru circuite si

Contactul poate fi si se noteaza cu sau si se noteaza cu

Se observa ca un comutator poate fi utilizat si ca întrerupator NÎ sau ND, conectarea sa în circuit facându-se la bornele 1 2 pentru NÎ sau la bornele 1 4 pentru ND. În aceste cazuri precum se vede, a treia borna ramâne neutilizata.

În alegerea unui anumit tip de comutator trebuie sa se tina cont de tipul circuitului (curent continuu sau curent alternativ), tensiunea nominala, intensitatea curentului suportata de contacte, nivelul de izolatie, numarul de comutari ce pot fi efectuate în unitatea de timp si de modul de actionare.

Releul de comutatie se utilizeaza în automatizarile si actionarile electropneumatice având ca functie principala realizarea unor anumite secvente de prelucrare a semnalelor.

Functionarea releului se poate explica cu ajutorul reprezentarii din fig2.23.a. În momentul aplicarii tensiunii electrice la bornele A₁ si A₂ ale bobinei 5, electromagnetul atrage armatura mobila 3. În acest mod, contactul mobil aflat pe armatura 3 dezactiveaza contactul 1 2 si activeaza contactul 1 4. Când bobina releului nu mai este alimentata, câmpul magnetic dispare, armatura 3 este readusa în pozitia initiala de resortul 6 si se restabileste configuratia initiala a contactelor 1 4. În fig2.23.b se poate observa constructia unui releu de comutatie.

Reducerea timpului de comutare si cresterea vitezei de actionare se realizeaza prin micsorarea masei armaturii mobile. O constructie utilizata este cea a releului Reed - fig2.24, la care armaturile fixa si mobila se afla în interiorul bobinei.

La momentul t₁ se elibereaza butonul S₁ si se întrerupe alimentarea circuitului de temporizare. Condensatorul C1 începe sa se descarce (fig2.25.b) prin bobina K₁ si rezistentele R₁ si R₂, tensiunea electrica la bornele sale scazând exponential. Bobina îsi mentine starea de activare dupa momentul t₁ atât timp cât tensiunea la bornele sale (identice cu cele ale condensatorului) nu scade sub valoarea pragului minim necesar functionarii (fig2.26). Atingerea acestui prag minim la momentul t₂ conduce la deschiderea caii de curent 13

Din prezentarea functionarii releului de timp se poate face o analogie între elementele pneumatice si cele electrice (fig2.27):