Download - Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 1
DISPOZITIVE ELECTRONICE DE PUTERE
1.1. Dioda de putere
Dioda de putere este un dispozitiv semiconductor necomandat, cu proprietăţi
conductive unidirecţionale, fiind constituită dintr-o joncţiune pn prevăzută cu două terminale.
Simbolizarea diodei redresoare de uz general se face ca în fig. 1.1.
Fig. 1.1. Simbolizarea diodei
Diodele de putere au în plus faţă de diodele de mare putere un strat suplimentar cu
dopare scăzută.
Fig. 1.2. Structura stratificată a diodei de putere.
Concentraţia impurităţilor donoare în regiunea n- este mai mică decât în regiunea n+.
Regiunea n- are rol de extindere a barierei de potenţial ce apare la polarizarea inversă a diodei,
bariera extinzându-se mai mult în zona slab dopată. Cu cât lăţimea acestei regiuni este mai
mare, cu atât tensiunea inversă aplicată diodei este mai mare.
Caracteristica diodei de putere este liniară în cadranul I, datorită căderii de tensiune pe
regiunea de drift care maschează caracterul exponenţial al joncţiunii.
1
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.3. Caracteristica diodei de putere
Zonele de pe caracteristică reprezintă :
I - zona de conducţie;
II - zona de blocare;
III - zona de străpungere;
1.1.2. Comutaţia diodelor
Considerăm o diodă căreia i se inversează polaritatea tensiunii la borne într-un timp
t0. Evoluţia curentului şi a căderii de tensiune pe diodă pot fi urmărite în fig. 1.4.
Fig. 1.4. Evoluţia curentului şi a tensiunii la blocarea diodei
2
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Se observă că procesul comutaţiei nu este instantaneu şi se deosebesc următorii
timpi:
0 - t1 – timp de stocare. Acesta corespunde evacuării purtătorilor mobili
din zona de drift;
t1 - t2 – timp de tranziţie;
0 - t2 – timp total de revenire.
Cele mai întâlnite tipuri de diode sunt:
diode redresoare;
diode rapide (timpi de comutare de ordinul ns);
diode Zenner (funcţionează în regiunea de străpungere);
diode Scottky (diode metal-semiconductor).
1.1.3. Protecţia diodelor
Diodele de putere trebuie protejate împotriva supratensiunilor inverse ce pot apare pe
acestea (de la sarcină sau de la reţea). Soluţia clasică este conectarea în paralel a grupului
RS-CS. Montajul este prezentat în fig. 1.5 şi este eficient numai la supratensiuni de scurtă
durată.
Fig. 1.5. Grup de protecţie pentru diode
La apariţia supratensiunii, condensatorul CS se încarcă prin rezistenţa RS, iar la
dispariţia supratensiunii se descarcă pe aceiaşi cale. Dacă condensatorul se încarcă la o
tensiune superioară tensiunii inverse maxime pe diodă VRRM, montajul devine ineficient.
1.2. Tranzistorul bipolar de putere
3
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Tranzistorul bipolar de putere este o structură formată din două joncţiuni pn, care
poate intra în conducţie prin aplicarea unui potenţial pe terminalul bază, şi poate fi blocat prin
anularea comenzii sau printr-o comandă de polaritate complementară.
Simbolizarea tranzistorului bipolar de putere este prezentată în fig. 1.6.
Fig. 1.6. Simbolizarea tranzistorului bipolar de putere
Constructiv tranzistorul bipolar de putere este realizat din patru straturi ca în fig. 1.7.
Fig. 1.7. Structura stratificată a tranzistorului bipolar de putere
O structură foarte cunoscută realizată cu tranzistoare bipolare este Darlingtonul
monolitic.
Dioda D1 permite extragerea sarcinilor din baza lui M la blocarea structurii, iar dioda
D2 oferă o cale de scurgere a curenţilor prin structură inversă decât sensul curentului prin
tranzistor.
4
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.8. Darlingtonul monolitic
1.2.1. Caracteristica tranzistoarelor bipolare de putere
Fig. 1.9. Caracteristica tranzistorului bipolar de putere
1 – zona primei străpungeri;
2 – zona celei de-a doua străpungeri.
1.2.2. Comutaţia tranzistoarelor bipolare
Reprezintă trecerea din starea de blocare în starea de conducţie şi invers. Cu cât timpul
de comutaţie este mai mic cu atât puterea disipată pe tranzistor este mai mică. Pentru ca timpii
de comutaţie să fie minimi, tranzistorul trebuie menţinut în zona de saturaţie incipientă
(punctul A din fig. 1.10).
5
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.10. Caracteristica tranzistorului bipolar
A – saturaţie incipientă;
B – saturaţie profundă.
Funcţionarea în punctul A de pe caracteristica anterioară presupune existenţa unui
număr mai mic de sarcini acumulate în bază şi deci a unui timp mai mic de extragere a
acestora, în timp ce funcţionarea în punctul B presupune un timp de comutaţie mai mare, deci
o putere disipată mai mare.
Evoluţia în timp a curentului şi a tensiunii colector-emitor la trecerea din starea
blocată în starea de conducţie este prezentată în fig. 1.11.
Fig. 1.11. Intrarea în conducţie a tranzistorului bipolar
Pentru micşorarea timpilor de comutaţie la intrarea în conducţie, se forţează curentul
prin baza tranzistorului (curba 1) prin utilizarea unui condensator de accelerare aşa cum este
arătat în figura următoare:
6
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.12. Forţarea întrării în conducţie
La blocare, viteza de extragere a sarcinilor trebuie să fie constantă pentru ca energia
disipată la comutaţie să fie minimă. O soluţie constructivă pentru aceasta este prezentată în
figura următoare:
Fig. 1.13. Circuit de comandă pe bază
Pentru intrarea în conducţie a tranzistorului T curentul de comandă trece prin
rezistenţa RB1 şi condensatorul Ca, iar pentru blocare, calea de evacuare a sarcinilor din baza
tranzistorului, trece prin rezistenţa RB2, asigurând o viteză de extragere a sarcinilor constantă.
1.2.3. Reţele de protecţie pentru tranzistoare bipolare de putere
a) Protecţia la blocare
La blocarea tranzistorului, datorită caracterului inductiv a sarcinii apare o
supratensiune care se suprapune peste tensiunea de alimentare şi care poate duce la
distrugerea tranzistorului, în cazul în care suma celor două tensiuni depăşeşte tensiunea
directă la blocare VDRM, aceasta din urmă fiind un parametru al tranzistorului. Pentru a evita
distrugerea tranzistorului prin supratensiune, acesta este prevăzut cu o reţea de protecţie ca în
fig. 1.14.
7
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.14. Protecţie la blocare
La blocarea tranzistorului T, condensatorul Cs, se încarcă prin dioda Ds, iar la
deschiderea tranzistorului, condensatorul se va descărca prin rezistenţa Rs şi prin tranzistor.
Rezistenţa Rs are rol de limitare a curentului de descărcare a condensatorului, astfel încât
tranzistorul să nu fie suprasolicitat în curent.
Montajul este eficient dacă tensiunea la care se încarcă condensatorul este mai mică
decât tensiunea maximă directă VDRM. Dioda Df are rol de descărcare a energiei înmagazinate
în sarcina Zs.
b) Protecţia la deschidere
În cazul unei sarcini cu caracter preponderent capacitiv, (de exemplu redresor sau
chopper cu condensator de filtrare), curentul care apare la deschiderea tranzistorului poate
duce la distrugerea acestuia. Pentru limitarea acestui curent se poate folosi montajul din
fig. 1.15.
La deschiderea tranzistorului T, are loc o creştere a curentului prin bobina Ls, ceea ce
duce la apariţia unei tensiuni contraelectromotoare ce se va opune creşterii curentului. La
blocarea tranzistorului, bobina Ls va crea o tensiune electromotoare ce se va opune scăderii
curentului. Această tensiune poate deveni periculoasă, şi se impune folosirea grupului de
protecţie la deschidere, prezentat anterior. Dioda Ds şi rezistenţa Rs se folosesc pentru
descărcarea locală a energiei înmagazinate în bobina Ls, la blocarea tranzistorului T. Dioda Df
are rol de descărcare locală a sarcinii înmagazinate în impedanţa sarcinii.
8
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.15. Protecţia la deschidere
Montajul este eficient dacă bobina Ls tinde spre o bobină ideală, astfel încât efectul ei
să se facă simţit numai în regim tranzitoriu. De asemeni este necesar ca supratensiunea indusă
în bobină la blocarea tranzistorului T, adunată cu tensiunea de alimentare să nu ducă la
distrugerea tranzistorului prin supratensiune directă.
c) Protecţia la supratensiuni
Pentru supratensiunile care apar şi care nu se datorează sarcinii, se poate folosi
următoarea schemă de protecţie:
Fig. 1.16. Protecţia la supratensiuni
9
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
La apariţia supratensiunii e, condensatorul Cov se încarcă prin dioda Dov, iar la
dispariţia tensiunii, condensatorul se descarcă prin rezistenţa Rov. În lipsa supratensiunii,
condensatorul Cov este încărcat la tensiunea V+, iar la apariţia supratensiunii, tensiunea pe
condensator creşte. Condensatorul trebuie dimensionat astfel încât tensiunea pe acesta să nu
depăşească tensiunea maxim admisibilă pe tranzistor. Valoarea condensatorului depinde şi de
rezistenţa sarcinii.
1.3. Tranzistorul MOS-FET de putere
Tranzistoarele MOS-FET au apărut ca o alternativă la tranzistoarele bipolare, fiind
utilizate la frecvenţe mari de comutaţie. Simbolizarea tranzistoarelor MOS-FET este
prezentată în fig. 1.17.
MOS-FET cu canal n MOS-FET cu canal p
Fig. 1.17. Simbolizarea tranzistoarelor MOS-FET
Structura stratificată a tranzistoarelor MOS-FET de putere este constituită din patru
regiuni plasate ca în fig. 118..
Fig. 1.18. Structura stratificată a tranzistoarelor MOS-FET
10
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Structura din figura de mai sus este un tranzistor MOS-FET cu canal n.
1.3.1. Funcţionarea tranzistorului MOS-FET
La aplicarea unui potenţial terminalului poartă, pozitiv faţă de sursă, în zona
izolatorului de SiO2 apare o aglomerare de sarcini negative care fac legătura între drenă şi
sursă permiţând trecerea curentului. Deoarece poarta este izolată de corpul tranzistorului
printr-un strat de SiO2, curentul de comandă absorbit de tranzistor va fi foarte mic (curentul
necesar încărcării condensatorului ce are ca dielectric stratul de SiO2).
1.3.2. Caracteristica tranzistorului MOS-FET
Caracteristica de ieşire cu tensiunea VGS ca parametru, este prezentată în
figura de mai jos.
Fig. 1.19. Caracteristica tranzistorului MOS-FET
VDSS – tensiunea drenă-sursă de străpungere
Dacă tensiune drenă-sursă aplicată tranzistorului depăşeşte VDSS, curentul prin
tranzistor creşte necontrolat, ducând la distrugerea acestuia.
11
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
1.3.3. Soluţii pentru comanda tranzistoarelor MOS
Circuitele de comandă trebuie să asigure o încărcare (descărcare) rapidă a capacităţilor
parazite şi, atunci când este cazul, o izolare a comenzii faţă de circuitul de forţă. [B2]
Soluţia cea mai simplă presupune utilizarea unei porţi logice MOS pentru comandă,
fig. 1.20, a, sau în cazul în care se urmăreşte obţinerea unui curent mai mare, eventual şi
separare galvanică cu optocuplor se poate utiliza schema de comandă din fig. 1.20, b.
a) b)
Fig. 1.20. Soluţii de comandă utilizând porţi logice MOS
Dar se poate utiliza pentru comanda tranzistoarelor MOS şi două tranzistoare în
contratimp, fig. 1.21, a, dar trebuie avută în vedere ca frecvenţa acestora de lucru să fie mai
mare decât a celor MOS. O altă soluţie pentru separare galvanică o reprezintă şi
transformatorul de impulsuri, dar trebuie luate măsuri suplimentare pentru protecţia
MOS-ului cu diode Zener, fig. 1.21, b.
a) b)
Fig. 1.21. Soluţii de comandă a tranzistoarelor MOS
12
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
1.4. Tranzistorul bipolar de putere cu grilă izolată – IGBT
Aceste tranzistoare îmbină avantajele oferite de tranzistoarele bipolare, referitor la
puterile vehiculate, cu avantajele oferite de tranzistoarele MOS-FET privind frecvenţele de
comutaţie. Simbolizarea tranzistorului bipolar cu grilă izolată în figura de mai jos.
cu canal n cu canal p
Fig. 1.22. Simbolizarea tranzistorului bipolar cu grilă izolată
Tranzistoarele bipolare cu grilă izolată se construiesc pentru curenţi nominali de
ordinul zecilor de amperi şi tensiuni nominale drenă-sursă de sute de volţi. Mai recent se
construiesc structuri integrate de şase tranzistoare şi şase diode antiparalel, utilizate în
construcţia invertoarelor de tensiune trifazate.
Structura stratificată a IGBT cu canal n este prezentată în fig. 1.23.
Fig. 1.23. Structura stratificată a unui IGBT
13
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Din punct de vedere a comenzii, prin poarta tranzistorului nu circulă un curent
continuu. Curentul apare doar pe durata încărcării condensatorului ce are ca dielectric stratul
de SiO2.
Schema echivalentă a IGBT-ului conţine două tranzistoare bipolare complementare.
Fig. 1.24. Schema echivalentă a unui IGBT
Rd – rezistenţă de drift;
T1 – tranzistor pnp;
T2 – tranzistor npn;
MOS – tranzistor MOS-FET ideal
IGBT-ul trebuie construit astfel încât tranzistorul parazit T2 să nu se amorseze
niciodată. Fenomenul de amorsare a acestui tranzistor se numeşte agăţarea IGBT-ului. Un
astfel de tranzistor agăţat în conducţie permanentă nu mai poate fi blocat, iar dacă nu se
limitează curentul, IGBT-ul se distruge termic.
Când se dă comanda de blocare pe poartă, tranzistorul MOS tinde să se blocheze
instantaneu, înainte ca T1 şi T2 să se blocheze. Curentul prin tranzistorul T1 determină o cădere
de tensiune pe rezistenţa RCS ce poate duce la amorsarea tranzistorului T2. O soluţie pentru
evitarea agăţării IGBT-ului, este reducerea valorii rezistenţei RCS. O altă soluţie pentru evitarea
agăţării este controlul scăderii tensiunii de comandă pe poarta IGBT-ului. Astfel curentul prin
tranzistorul MOS va fi din ce în ce mai mic, până când tranzistorul T1 se va bloca, blocarea
acestuia făcându-se înainte ca tranzistorul MOS să se blocheze. Aceasta va duce la evitarea
agăţării IGBT-ului .
Puterile mari vehiculate şi frecvenţele relativ ridicate de comutaţie au făcut ca aceste
tranzistoare să fie din ce în ce mai folosite.
14
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Caracteristica de ieşire a IGBT-ului este asemănătoare cu a tranzistorului
MOS-FET.
Fig. 1.25. Caracteristica de ieşire a IGBT-ului
VDSS – tensiunea de străpungere la polarizare directă;
VBR – tensiunea de străpungere la polarizare directă.
Caracteristica de transfer are alura ca în figura următoare:
Fig. 1.26. Caracteristica de transfer a IGBT-ului
Vp – tensiunea de prag.
Tranzistorul bipolar cu poartă izolată (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor)
are înglobată o serie din avantajele MOSFET-urilor, tranzistoarelor bipolare de putere şi
GTO-urilor cum ar fi:
15
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
similar ca MOSFET-urile, IGBT-urile necesită circuite de comandă de mică putere
(impedanţa de intrare mare);
similar ca tranzistoarele bipolare de putere, IGBT-urile au o cădere de tensiune
UDS mică în paralel cu o capabilitate mare de blocare a tensiunii în polarizare directă şi
inversă;
similar cu GTO-urile, IGBT-urile sunt blocate cu tensiune de polaritate negativă.
O comparaţie privind unele performanţe ale unor dispozitive controlabile este
prezentată în tabelul 1.1.
Tabelul 1.1
Dispozitivul controlabil Capabilitatea de putere Viteza de comutaţieTranzistorul bipolar medie medie
MOSFET mică MareGTO mare MicăIGBT medie medieMCT mare Mare
1.4.1. Circuite pentru comanda tranzistoarelor bipolare cu poarta izolată (IGBT)
Aceste circuite au unele proprietăţi generale cum ar fi:
au un grad de izolare galvanică foarte ridicat;
semnalul de comandă compatibil cu nivelele logice;
frecvenţa mare de lucru;
stările semnalelor de la ieşire sunt ferme şi neinfluenţate de perturbaţii externe;
În fig. 1.27 este prezentat circuitul HCPL3101, realizat de firma Hewlett Packard,
care permite comanda unui tranzistor de tip IGBT. Un dezavantaj major al acestui tip de
circuit este că are nevoie de o sursă dublă de 12 V. Iar pentru comanda unei punţi
trifazate cu IGBT-uri este necesar şase astfel de surse duble separate galvanic între ele cu o
tensiune de izolaţie foarte mare. [*H]
16
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.27. Schema tipică de aplicaţie a circuitului HCTL3101
Un alt circuit, pentru comanda tranzistoarelor MOS, dar de o complexitate mult mai
ridicată, produs de firma International Rectifier este prezentat în fig. 1.28 şi prezintă o serie de
avantaje cum ar fi:
permite comanda unei punţi trifazate cu tranzistoare, precum şi circuitul de
frânare al motorului;
permite monitorizarea continuă a curentului prin cele trei ramuri ale punţii, cu
anularea impulsurilor de comandă a tranzistoarelor la depăşirea curentului;
furnizează un timp mort de 300 ns între impulsurile de comandă a tranzistoarelor
din acelaşi braţ al punţii;
cu ajutorul intrării Soft Shutdown se pot bloca simultan impulsurile de comandă
către toate cele şase tranzistoare;
este alimentat cu o singură tensiune, eliminând astfel unul din dezavantajele
circuitului prezentat anterior;
prezintă o ieşire Fault care avertizează blocul numeric de comandă de apariţia
unui defect.
Fig. 1.28. Schema tipică a circuitului IR2237
17
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
O problemă importantă în cazul IGBT-urilor, si nu numai, o reprezintă alegerea
soluţiei optime pentru protecţia acestora. În cazul protecţiei la supracurenţi prin utilizarea unui
circuit de comandă performant (de exemplu IR2233) care este prevăzut cu intrare de defect în
cazul supacurenţilor, această protecţie este mai uşor de realizat. O problemă mai deosebită o
reprezintă protecţia la supratensiunile tranzitorii datorate frecvenţei mari de comutaţie a
IGBT-urilor.
Când dispozitivul de putere intră în procesul de blocare energia înmagazinată în
inductanţa parazită a circuitului determină apariţia de supratensiuni. Amplitudinea acestei
supratensiuni este proporţională cu valoarea inductanţei parazite şi viteza de variaţie a
curentului. Se poate concluziona că pericolul de distrugere a IGBT-urilor este cu atât mai
mare cu cât frecvenţa este mai mare, astfel aceste dispozitive comută într-un timp extrem de
scurt curenţi de amplitudini mari.
În cazul utilizării unor IGBT-uri de curenţi mici se recomandă utilizarea unui
condensator de decuplare. Acesta se montează ca în fig. 1.29, a, iar valoarea acestuia se
calculează cu formula (1.1):
(1.1)
unde:
Ls - inductanţa de scăpări,
I0 - valoarea maximă a curentului,
Vpk - valoarea maximă admisă a supratensiunii
Vcc - valoarea tensiunii de curent continuu.
Pentru a se reduce cât mai mult inductanţa de scăpări acest condensator se montează
cât mai apropiat de bornele IGBT-urilor şi dacă este posibil fără a se utiliza conductoare de
legătură. Pentru aceasta firmele producătoare au realizat diverse variante constructive de
condensatoare care se montează direct la bornele IGBT-urilor, fig. 1.29, b şi c.
18
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
b) c)
Fig. 1.29. Condensatorul de decuplare
Acesta soluţie oferă unele avantaje:
- este cea mai simplă şi are pierderile foarte mici;
- are un efect direct şi favorabil asupra supratensiunilor datorate comutării
IGBT-urilor;
- noile variante constructive de condensatoare de decuplare sunt mult mai eficiente în
limitarea supratensiunilor.
Un dezavantaj major a acestei soluţii este că produce oscilaţii de tensiune şi curent în
reţeaua de curent continuu, ceea ce implică utilizarea unui condensator cu valoare ridicată.
În cazul schemelor cu curenţi de valoare medie se utilizează ca soluţie de protecţie la
supratensiuni circuit cu descărcare restrictivă şi condensator de decuplare. Aceasta oferă
performanţe mai ridicate în cazul supratensiunilor la intrarea în conducţie a IGBT-urilor.
19
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
a) b)
Fig. 1.30. Circuit de încărcare descărcare RCD
În cazul schemelor cu tensiuni mici şi curenţi mari (aplicaţii cu choppere) se utilizează
ca soluţie de protecţie la supratensiuni circuitul de încărcare descărcare RCD, prezentat în
fig. 1.30. Acesta oferă o protecţie individuală a fiecărui IGBT.
Ca avantaje majore ale acestei scheme putem enumera:
- reduce supratensiunile de blocare;
- reduce major pierderile din IGBT la blocarea acestuia;
- nu produce oscilaţii în reţeaua de curent continuu.
Dar ca dezavantaje ale acestei soluţii putem enunţa:
- prezintă pierderi mari în circuitul de protecţie;
- determină creşterea pierderilor la conectare în configuraţia punţii;
- o selectare mai complicată a componentelor din reţeaua de protecţie;
- necesită multe componente.
Pentru a se reduce numărul acestora firmele constructoare realizează module de
protecţie, fig. 1.30, b, la care se adaugă rezistorul extern. Astfel modulele se realizează în
variante separate pentru IGBT-ul conectat la linia pozitivă a reţelei de curent continuu,
respectiv pentru cel conectat la linia negativă.
În cazul schemelor de curenţi mari pentru protecţia la supratensiuni se utilizează
circuitul de blocare RCD, fig. 1.31, a. Acesta, ca şi varianta de mai sus, asigură o protecţie
individuală a IGBT-urilor.
20
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
a) c)
Fig. 1.31. Protecţie cu circuit de blocare RCD
Ca avantaje notabile ale acestei variante de protecţie avem:
- este un circuit de protecţie cu pierderi mici;
- nu produce oscilaţii în reţeaua de curent continuu;
- limitează supratensiunile atât la intrarea cât şi la ieşirea din conducţie a IGBT-ului.
Un dezavantaj major al acestei variante îl reprezintă numărul ridicat de componente.
În sprijinul acestui dezavantaj, firmele producătoare au realizat module de protecţie
pentru a diminua numărul de componente şi a reduce inductivitatea echivalentă a circuitului.
De exemplu fig. 1.31, b unde este prezentat un modul de protecţie pentru IGBT-urile din
acelaşi braţ al punţii şi la care mai trebuie de montat în exterior doar rezistorii. Schema
echivalentă a modulului de protecţie este prezentată în fig. 1.31, c.
1.5. Tiristorul
Tiristorul convenţional este o structură formată din patru straturi pnpn, care poate intra
în conducţie printr-un semnal de comandă pe poartă, pozitiv faţă de catod, ieşirea din
conducţie realizându-se prin forţarea scăderii curentului prin dispozitiv sub valoarea de
automenţinere.
Simbolizarea tiristorului:
Fig. 1.32. Simbolul tiristorului
21
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Tiristorul se construieşte la tensiuni de mii de volţi şi curenţi de mii de amperi, fiind
cea mai robustă structură semiconductoare comandată până în prezent.
Structura stratificată a tiristorului.
Fig. 1.33. Structura stratificată a tiristorului
Această structură poate fi considerată ca realizată din două tranzistoare bipolare
conectate ca în figura de mai jos:
Fig. 1.34. Schema echivalentă a tiristorului
1.5.1. Funcţionarea tiristoarelor
a) Polarizarea directă
La polarizarea directă a tiristoarelor, joncţiunile J1 şi J3 sunt polarizate direct, iar
joncţiunea J2 este polarizată invers. Apare astfel o barieră de potenţial la joncţiunea J2,
valoarea curentului prin tiristor fiind foarte mică, neglijabilă.
22
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 1.35. Polarizarea directă
La aplicarea unui potenţial pe terminalul poartă, pozitiv faţă de catod, tranzistorul T2
intră în conducţie şi absoarbe un curent din baza tranzistorului T1, determinând intrarea în
conducţie şi a acestuia. În continuare structura rămâne în conducţie, chiar după anularea
semnalului de comandă pe poartă, semnalul de comandă a tranzistorului T2 fiind asigurat de
tranzistorul T1 prin colectorul acestuia.
Uneori tiristorul poate intra în conducţie chiar în lipsa semnalului pe poartă. Acest
lucru este nedorit şi poate avea drept cauze: creşterea temperaturii, creşterea tensiunii peste
valorile nominale sau variaţia tensiunii în timp ( ) a depăşit valoarea maximă
admisibilă.
b) Polarizarea inversă
În aceste condiţii joncţiunile J1 şi J3 sunt polarizate invers, dând naştere la bariere de
potenţial care determină o valoare foarte mică a curentului prin tiristor.
Fig. 1.36. Polarizarea inversă
Tensiunea inversă aplicată tiristorului poate fi crescută până în apropierea zonei de
străpungere.
23
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
1.5.2. Caracteristica statică a tiristorului
Fig. 1.37. Caracteristica statică a tiristorului
VDRM (VRRM) – tensiunea directă (inversă) maximă ce poate fi aplicată tiristorului (date
de catalog);
VFBO – tensiunea la care tiristorul polarizat direct se deschide necontrolat;
VBR – tensiunea la care tiristorul polarizat invers se străpunge;
IH – curentul de automenţinere.
Pe caracteristica statică a tiristorului se disting zonele:
01 – zona de blocare la polarizare directă;
12 – zona de rezistenţă negativă;
23 – zona de conducţie;
04 – zona de blocare la polarizare inversă;
45 – zona de străpungere.
1.5.3. Amorsarea tiristoarelor prin efect
Aplicarea în direct pe un tiristor a unei rampe de tensiune cu viteză de creştere foarte
mare, poate duce la amorsarea necontrolată a tiristorului la o tensiune de polarizare mai mică
chiar decât VFB0. Capabilitatea în este un parametru al tiristorului şi reprezintă viteza
medie de creştere a tensiunii pe tiristor pentru care acesta nu se deschide necontrolat.
24
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Mărirea capabilităţii în a tiristoarelor poate fi realizată prin utilizarea unor
şunturi între catod şi poartă care pot fi interne (în structura tiristorului), sau externe (o
rezistenţă). De asemenea se poate limita viteza de creştere a tensiunii pe tiristor prin
conectarea în paralel cu acesta a unui grup RC, şi în serie cu acesta a unei inductanţe.
1.5.4. Efectul
O viteză de creştere a curentului prin tiristor mai mare decât valoarea maxim admisă
poate duce la distrugerea tiristorului. Viteza maximă de creştere a curentului prin tiristor pe
durata amorsării se numeşte capabilitate în şi este o dată de catalog a tiristorului.
Creşterea curentului prin tiristor depinde de aria iniţială în conducţie şi de viteza de
extindere a ariei în conducţie. Îmbunătăţirea capabilităţii în se poate realiza prin
mărirea ariei iniţiale în conducţie, lucru realizabil pin forţarea comenzii.
25
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 2
MAŞINA DE CURENT CONTINUU
2.1. Elementele constructive de bază ale maşinii de curent continuu
Ca orice maşină electrică rotativă, maşina de curent continuu se compune dintr-un
inductor şi un indus, între care există un spaţiu de aer numit întrefier. Întotdeauna la maşinile
de curent continuu inductorul este fix, constituind statorul maşinii, iar indusul este mobil,
constituind rotorul.
Elementele constructive ale maşinii de curent continuu pot fi identificate din fig. 2.1.
Fig. 2.1. Secţiune longitudinală şi transversală printr-o maşină de curent continuu:
26
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
1 - carcasă; 2 - pol principal cu bobină de excitaţie; 3 - miez feromagnetic rotor; 4 - arbore;5 - înfăşurare rotor (indusă); 6 - colector; 7 - perii; 8 - cruce portperii; 9, 10 - scut port - palier;
11 - ventilator; 12 - rulmenţi; 13 - placă borne; 14 - pol auxiliar cu bobina lui.
Carcasa este un cilindru din oţel turnat sau sudat, în interiorul căruia sunt fixaţi prin
şuruburi polii principali iar la maşinile mai mari şi polii auxiliari, numiţi şi poli de comutaţie.
În maşinile de curent continuu, câmpul inductor este produs de înfăşurarea de excitaţie
aşezată pe polii principali sau de magneţi permanenţi (fig. 2.2). Polii de excitaţie, totdeauna în
număr par, sunt executaţi din tole de oţel electrotehnic cu grosimea de 0,5 – 1 mm strânse cu
ajutorul unor nituri, pe care sunt fixate bobinele de excitaţie.
Fig. 2.2. Circuitul magnetic al maşinii de curent continuu
Bobinele se construiesc din conductoare izolate de cupru pe şabloane având forma
polilor sau direct în carcase izolante. Aceste bobine sunt izolate de miezul polar şi de carcasă.
Bobinele polilor de excitaţie se leagă în serie şi se alimentează în curent continuu.
Legăturile bobinelor se realizează în aşa fel încât fluxul magnetic să fie dirijat în dreptul unui
pol dinspre stator spre rotor (pol nord), iar în dreptul polului următor în sens invers (pol sud).
Statorul mai cuprinde: scuturile, sistemul de perii şi portperii, palierele şi bornele.
Indusul maşinii este sediul propriu-zis al procesului de transformare a energiei, fiind
compus din: miezul feromagnetic, arbore, înfăşurarea indusă şi colector. Miezul
feromagnetic al rotorului se realizează din tole de oţel electrotehnic cu grosimea de 0,5 mm,
izolate între ele, în scopul micşorării pierderilor prin curenţi turbionari. Aceste tole sunt
executate din tablă laminată la rece, izolată cu oxizi ceramici. Tolele se împachetează direct
pe arbore prin presare şi sunt solidarizate de arborele rotorului cu ajutorul unei pene. Miezul
rotoric se prezintă sub forma unui cilindru având la periferie crestături deschise în care sunt
27
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
plasate conductoarele înfăşurării rotorice. Aceste conductoare sunt izolate faţă de pereţii
crestăturii cât şi între ele şi sunt solidarizate cu miezul rotoric prin pene şi bandaje.
Colectorul este o piesă caracteristică maşinii de curent continuu la care se leagă
înfăşurarea rotorică. Acesta este un corp cilindric constituit din plăcuţe de cupru, denumite
lamele. Lamelele colectorului sunt izolate una faţă de alta prin micanită şi sunt izolate faţă de
piesele de strângere. Capetele bobinelor înfăşurării rotorice se lipesc cu cositor de
aripioarele(steguleţele) lamelelor colectorului. Colectorul se roteşte solidar cu rotorul. Pentru
a realiza o legătură între înfăşurarea rotorică care se învârteşte şi circuitele exterioare, pe
colector freacă o serie de perii, fabricate în general din grafit. Prin intermediul unei piese
speciale-portperie-periile realizează un contact sub presiune constantă cu lamelele
colectorului. Portperiile sunt fixate pe un colier cu o serie de tije. Periile sunt legate la cele
două borne ale maşinii alternativ: una la o bornă, iar următoarea la cealaltă bornă. Ele sunt
plasate simetric la periferia colectorului. Numărul lor este egal cu numărul polilor de excitaţie.
2.2. Principiul de funcţionare a maşinii de curent continuu
Maşina de curent continuu poate fi considerată ca o maşină de curent alternativ
prevăzută cu un redresor special – colectorul – intercalat între indusul propriu-zis şi circuitul
exterior.
Pentru comparaţie, se consideră cazul unui generator de curent alternativ monofazat.
În spira care se învârteşte într-un câmp magnetic omogen, în jurul unui ax perpendicular pe
direcţia câmpului, cu o viteză unghiulară constantă Ω, se induce o t.e.m. variabilă în timp, care
schimbă semnul de două ori la o rotaţie completă a indusului. Dacă presupunem că în timpul
rotirii spirei, fluxul care o străbate variază sinusoidal, atunci şi t.e.m. indusă va descrie o
sinusoidă completă în timpul unei rotaţii complete (fig. 2.3).
28
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.3. Tensiunea electromtoare într-o spiră
Legând capetele spirei la două inele fixate pe axul de rotaţie şi izolate de acesta şi
plasând pe cele două inele a şi b fixe în spaţiu, conectate la un circuit exterior, maşina va
debita în acel circuit un curent alternativ.
În fig. 2.4 este reprezentată variaţia curentului în circuitul exterior; se observă că
pulsaţia negativă a curentului din spiră a fost redresată.
Fig. 2.4. Curentul prin sarcină
Să presupunem acum că cele două capete ale spirei sunt legate la două segmente de
inel, fixate pe axul rotorului şi izolate atât între ele cât şi faţă de arbore. Aceste segmente
constituie cel mai simplu colector cu două lamele (fig. 2.5).
29
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.5. Schema de funcţionare a maşinii de curent continuu
Spira are două laturi active: MP şi RQ. În conductorul MP, care trece prin dreptul
polului nord se induce o t.e.m. dirijată de la P către M pentru sensul câmpului şi al vitezei de
rotaţie ales. Când acelaşi conductor trece prin dreptul polului sud, t.e.m indusă este dirijată în
sens invers, de la M la P. Deoarece conductoarele active se găsesc în condiţii identice din
punct de vedere magnetic, însă în câmpuri de polaritate diferită, t.e.m indusă în ele sunt în
orice moment egale şi de sens contrar. În circuitul spirei considerate aceste t.e.m. au însă
acelaşi sens, deci ele se adună dând t.e.m. rezultantă a spirei.
Peria a se găseşte în permanenţă în contact cu lamela colectorului la care este legat
conductorul care se află în dreptul polului nord. Peria b freacă tot timpul pe lamela
colectorului la care este legat conductorul care se află în dreptul polului sud. Presupunem că
închidem, în situaţia din fig. 2.5, circuitul exterior periilor, pe o rezistenţă. Curentul va circula
prin spiră în direcţia RQPM, iar în exterior de la peria a la peria b. Când conductorul MP a
ajuns în partea inferioară, în dreptul polului sud, iar conductorul RQ în partea superioară, sub
polul nord, curentul va circula în spiră în sensul MPQR (invers faţă de situaţia precedentă),
dar în exterior curentul va circula tot de la peria a către b, întrucât de data aceasta peria b calcă
pe lamela la care este legat conductorul MP.
30
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
T.e.m. indusă într-o secţie a înfăşurării rotorice este o mărime periodică alternativă în
timp. Faptul că la perii se poate culege o tensiune continuă se explică numai prin intermediul
colectorului şi a sistemului de contacte alunecătoare perii-lamele.
Să presupunem că maşina se roteşte cu viteză constantă şi că periile sunt plasate în axa
neutră(adică scurtcircuitează cele două lamele atunci când cele două laturi ale secţiei ajung în
axele interpolare), polii maşinii fiind excitaţi. În spirele secţiei se induce o t.e.m. es care
variază alternativ în timp. Se observă că peria legată la borna A a maşinii este în contact
întotdeauna (exceptând cazul în care scurtcircuitează cele două lamele) numai cu acea lamelă
a colectorului la care este legată latura de secţie care se află momentan sub polul nord, în timp
ce peria legată la borna B este în contact electric numai cu acea lamelă la care este legată
latura de secţie ce se află sub polul sud.
Tensiunea electrică uAB ce apare între bornele A şi B respectiv între cele două perii care
în permanenţă îşi păstrează fiecare polaritatea, şi anume: borna A este mereu pozitivă, iar
borna B mereu negativă. Această tensiune pulsează între un maxim şi zero. Valoarea sa medie
pe care o notăm cu UAB0 este egală cu valoarea medie a t.e.m. es pe o alternanţă pe care o vom
nota cu:
Prin urmare, colectorul reprezintă un dispozitiv care transformă tensiunea alternativă
u12 care apare între lamelele 1 şi 2 într-o tensiune pulsatorie uAB, dar mereu pozitivă între
bornele A şi B. Această tensiune pulsatorie reprezintă de fapt t.e.m. indusă în secţia
considerată, cu deosebirea că alternanţele negative ale t.e.m. au devenit pozitive, realizându-se
redresarea alternanţelor negative.
2.3. Câmpul magnetic al polilor de excitaţie
Considerăm o maşină de curent continuu cu doi poli, cu înfăşurările polilor de excitaţie
parcursă de curent (fig. 2.6).
31
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.6. Spectrul liniilor câmpului magnetic
Liniile câmpului magnetic al polilor de excitaţie ies din polul nord, pătrund în rotor şi
ies prin polul sud, închizându-se apoi prin carcasă. Miezul feromagnetic al maşinii având o
permeabilitate foarte mare în raport cu aerul, liniile de câmp străbat întrefierul aproape radial.
Făcând abstracţie de existenţa crestăturilor rotorului, întrefierul sub piesa polară este uniform
şi creşte brusc în intervalul dintre piesele polare. În consecinţă, câmpul magnetic al polilor de
excitaţie este uniform şi de aceeaşi valoare absolută sub cei doi poli de nume contrar şi nul în
axa de simetrie interpolară (axa neutră). Convenim să considerăm câmpul de sub polul nord ca
pozitiv şi cel de sub polul sud ca negativ. Evident, cu cât curentul de excitaţie este mai mare
cu atât câmpul este mai puternic sub pol. Există deci o relaţie de proporţionalitate între
inducţia câmpului magnetic şi curentul Ie din înfăşurările de excitaţie. Această
proporţionalitate este reală la valori reduse ale curentului Ie, cât timp diferitele părţi ale
circuitului magnetic al maşinii rămân nesaturate. Dacă curentul de excitaţie creşte intervine
fenomenul de saturaţie, situaţie în care inducţia Bδ a câmpului magnetic din întrefier nu mai
creşte proporţional cu acesta. Dacă maşina a mai fost excitată înainte, deci dacă a circulat
curent prin bobinele de excitaţie ale polilor, la dispariţia curentului de excitaţie, ,
câmpul magnetic al polilor nu scade la zero. Polii de excitaţie păstrează deci un câmp
remanent Bδrem. Variaţia funcţiei pe baza celor expuse este reprezentată în fig. 2.7.
32
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.7. Variaţia inducţiei magnetice (fluxului)
Se numeşte pas polar partea ce revine unui pol din periferia rotorului:
(2.1)
unde:
D - diametrul rotorului;
2p - numărul de poli ai maşinii.
Dacă luăm ca origine de spaţiu un punct situat la periferia rotorului pe axa interpolară,
fluxul magnetic corespunzător unui pol al maşinii este:
(2.2)
în care :
- inducţia magnetică în întrefier într-un punct aflat sub piesa polară;
– aria infinitezimală, elementul de arie fiind orientat spre interiorul rotorului
Considerăm că inducţia ar fi constantă la o valoare medie Bδmed, deci:
(2.3)
33
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Pentru o maşină ale cărei dimensiuni geometrice L şi τ sunt date, fluxul Φo al unui pol
este funcţie numai de curentul de excitaţie Ie. Pentru o maşină dată, dependenţa
este identică (dar la altă scară) cu dependenţa reprezentată în fig. 2.7.
Inducţia medie în întrefier, sub un pol, poate fi calculată cu relaţia:
(2.4)
în care Bδi reprezintă o ordonată a funcţiei corespunzătoare benzii i, dacă intervalul de
însumare s-a împărţit în k părţi egale.
2.4. Tensiunea electromotoare indusă într-o secţiune rotorică
Presupunem că rotorul maşinii este rotit în câmpul polilor de excitaţie şi că în două
crestături ale rotorului situate la periferia acestuia la distanţa y1 una de alta se află plasate ws
spire ale înfăşurării rotorului, care formează o bobină aparte, denumită secţie de înfăşurare.
Atunci când secţia cu cele ws spire ale sale roteşte cu viteza de rotaţie n, fluxul fascicular φ
printr-o spiră oarecare t, în rotaţia sa, latura de ducere a secţiei considerate (prin latură de
ducere se înţelege ansamblul conductoarelor secţiei care, în raport cu sensul de parcurgere a
spirelor, străbat crestătura care le conţine dinspre colector spre partea opusă a rotorului; prin
latură de întoarcere se înţelege ansamblul conductoarelor secţiei care străbat crestătura
cealaltă, înspre colector) se află în câmpul polilor de excitaţie, la distanţa x măsurată la
periferia rotorului, din dreptul axei interpolare de simetrie. Cealaltă latură a secţiei, latura de
întoarcere, va fi plasată în câmp la distanţa , în raport cu aceeaşi axă de referinţă.
T.e.m indusă este:
sau:
34
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Coordonata x este o funcţie de timp: . Cu aceasta t.e.m. indusă în secţie va
fi:
(2.5)
adică t.e.m. indusă prin rotaţie în secţia considerată depinde de viteza de rotaţie a rotorului
şi de diferenţa dintre inducţiile magnetice din întrefier, în dreptul laturii de ducere şi
respectiv de întoarcere.
Dacă , caz care se întâlneşte de cele mai multe ori în practică, atunci
,
deoarece este o funcţie alternativă cu perioada .
În concluzie:
(2.6)
adică t.e.m. depinde în acest caz numai de inducţia din dreptul laturii de ducere a secţiei.
Dacă aceasta se află în câmpul unui pol nord, atunci t.e.m. este pozitivă şi are acelaşi
sens cu sensul pozitiv ales de parcurgerea spirelor secţiei. Dacă secţia se află cu latura de
ducere pe axa interpolară de simetrie, t.e.m. este nulă. Dacă latura de ducere a secţiei se află în
câmpul unui pol sud, atunci t.e.m. este negativă, sensul ei fiind invers sensului pozitiv ales.
Valoarea t.e.m. variază deci în timp, depinzând de poziţia secţiei în câmpul polilor de
excitaţie. Dacă viteza de rotaţie este constantă, t.e.m. este o mărime alternativă în timp.
2.5. Conexiunile maşinilor de curent continuu
35
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Înfăşurarea de excitaţie a maşinii de curent continuu poate fi alimentată de la surse
exterioare maşinii, când maşina este cu excitaţia separată sau chiar de la maşină, fiind în acest
caz autoexcitată. Maşinile autoexcitate pot avea înfăşurarea de excitaţie conectată în derivaţie,
în serie sau compound (fig. 2.8).
Fig. 2.8. Schema de principiu pentru excitarea maşinilor de curent continuu:
a - excitaţie separată; b - excitaţie derivaţie; c - excitaţie serie; d - excitaţie compound.
2.6. Funcţionarea generatorului de curent continuu cu excitaţie separată
În regim de generator, maşina transformă puterea primită la arbore de la motorul care o
antrenează, în puterea electrică.
36
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
2.6.1. Principiul de funcţionare. Ecuaţia de tensiuni.
Presupunem ca maşina de curent continuu este angrenata de motorul primar cu o viteză
de rotaţie n şi că dezvoltă cuplul activ Ma cu acelaşi sens ca şi viteza de rotaţie, rezultând o
putere mecanica . Generatoarele pot avea mai multe tipuri de excitaţie. Considerăm
un generator având o excitaţie separată sau independentă. În aceste condiţii, în secţiile
înfăşurări rotorice, rotite în câmpul magnetic al polilor de excitaţie, se vor induce t.e.m., încât
între bornele A şi B ale maşinii va apare o tensiune UAo egală cu t.e.m. Eo indusă într-o cale de
curent. Dacă între aceste borne conectăm o rezistenţă oarecare, t.e.m. Eo va da naştere unui
curent Ia, care va străbate înfăşurarea rotorului, având în secţiile înfăşurării acelaşi sens ca şi
t.e.m. Eo.
În cazul funcţionării în sarcină, tensiunea Ua la bornele înfăşurării rotorului va fi
diferită de t.e.m. Eo ,datorită căderilor de tensiune, determinate de trecerea curentului prin
înfăşurarea rotorului, înfăşurarea polilor auxiliari şi prin periile maşinii. Aplicând teorema a
2-a a lui Kirchhoff unui contur Г care porneşte de la borna A2, trece prin înfăşurarea polilor
auxiliari, înfăşurarea rotorului, borna A1 şi prin aer, înapoi la A2 şi, aplicând convenţia de
sensuri pentru dipolul generator, rezultă:
(2.7)
unde RA reprezintă rezistenţa totală a înfăşurării rotorului şi a înfăşurării polilor auxiliari, care
totdeauna sunt legate în serie.
Căderea de tensiune în contactul perie-colector s-a neglijat, fiind foarte mică,
(1,5…4) V.
Relaţia (2.7) se numeşte ecuaţia de funcţionare a maşinii în regim de generator. Ea se
mai poate scrie şi sub forma:
(2.8)
37
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Mărimile care caracterizează funcţionarea generatorului de curent continuu sunt UA, IA,
n şi curentul de excitaţie.
Generatoarele de curent continuu au următoarele caracteristici:
- caracteristica de funcţionare în gol,
- caracteristica externă şi caracteristica de reglaj.
2.6.2. Caracteristica de funcţionare în gol
Caracteristica la constant şi se ridică experimental considerând
maşina cu excitaţie independentă, cu întrerupătorul K deschis şi citind la voltmetru V valoarea
tensiunii Eo pentru diferite valori ale curentului de excitaţie Ie, citite la ampermetrul Ae,
(fig. 2.9). La , maşina are o tensiune remanentă Ur de 3 până la 10 % din tensiunea
nominală Un situată în zona cotului curbei.
Fig. 2.9. Caracteristica la funcţionarea în gol a maşinii de curent continuu
2.6.3. Caracteristica externă
Dacă constant, atunci constant, şi din relaţia (2.8) rezultă că dacă curentul de
sarcină Ia creşte, tensiunea la bornele maşinii scade treptat conform unei curbe numită
38
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
caracteristica externă a generatorului. Prin urmare, maşina transformă puterea mecanică
primită de la motorul primar în putere electrică cedată unui receptor. Deci maşina
funcţionează în regim de generator electric.
Fig. 2.10. Caracteristica externă a generatorului de curent continuu
Căderea nominală de tensiune este de 5…15 % din tensiunea nominală, valorile mai
mari fiind pentru maşinile mai mici.
2.6.4. Bilanţul puterii
Puterea mecanică transmisă maşinii de curent continuu de către motorul primar, prin
intermediul arborelui va fi:
unde:
Pm - reprezintă pierderile datorită frecărilor mecanice;
PFe - pierderile în fierul motorului;
39
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
P - partea din puterea mecanică primită de maşină şi care se transformă în putere electrică.
La rândul ei aceeaşi putere electromagnetică are două componente:
(2.9)
şi anume:
- puterea care se transmite receptorului conectat la bornele maşinii şi
reprezintă puterea electrică utilă
- puterea care reprezintă pierderile Joule în înfăşurările rotorului şi polilor
auxiliari.
2.7. Funcţionarea generatorului de curent continuu cu excitaţie derivaţie
Generatorul cu excitaţie derivaţie este cel mai răspândit tip de generator de curent
continuu. Acesta este un generator auto excitat, care nu are nevoie de o sursă exterioară de
curent continuu pentru alimentarea înfăşurării de excitaţie. Excitaţia este alimentată de însăşi
înfăşurarea rotorului cu care este legată în derivaţie (fig. 2.11). Să presupunem că rotorul
acestui generator este rotit de motorul primar cu o viteză de rotaţie constantă. Dacă maşina a
mai funcţionat anterior şi prezintă o anumită magnetizaţie remanentă, apare la borne o
tensiune Ur când întrerupătorul K’ este deschis (fig. 2.12). Maşina se poate excita dacă prin
închiderea comutatorului K’ curentul de excitaţie produce un flux care se adaugă la fluxul
remanent. Dacă la închiderea lui K’, Ur scade, se comută K’ pe cealaltă poziţie. Când sensul lui
Ie dat de tensiunea Ur este corespunzător, fluxul produs întăreşte fluxul remanent, iar t.e.m. va
creşte şi o dată cu ea, curentul Ie, până la stabilirea unui echilibru între tensiunea la borne şi
curentul de excitaţie în zona cotului curbei. Curentul de excitaţie creşte liniar cu tensiunea,
dar, în zona cotului curbei, la aceleaşi valori de creştere ale curentului, valorile de creştere ale
tensiunii scad, până la stabilirea unui echilibru.
40
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.11. Schema de principiu pentru încercarea generatorului cu excitaţie derivaţie
Fig. 2.12. Explicativă pentru procesul de autoexcitare
Se aplică legea inducţiei electromagnetice circuitului format din înfăşurarea rotorului
şi înfăşurarea de excitaţie (întrerupătorul K deschis) şi folosind notaţiile:
e0 - t.e.m. instantanee la un moment dat t oarecare din intervalul de timp în care se
desfăşoară procesul de autoexcitare,
ie – curentul respectiv din circuit,
Re – rezistenţa înfăşurării de excitaţie,
Rc – rezistenţa reostatului de câmp,
Le – inductivitatea înfăşurării rotorului.
41
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Obţinem:
(2.10)
Prin urmare, unei tensiuni electromotoare e0 date îi corespunde un anumit curent de
excitaţie ie, care verifică ecuaţia de mai sus. De asemenea, unui anumit curent de excitaţie ie îi
corespunde o anumită t.e.m. indusă e0, exact ca la generatorul cu excitaţie separată, conform
relaţiei , reprezentată printr-o caracteristică (curba a din fig. 2.12).
Între e0 şi ie există deci o dublă dependenţă. Dacă constant, Re şi RA fiind mărimi
date pentru o maşină dată, căderea de tensiune variază proporţional cu ie şi
poate fi reprezentată grafic printr-o dreaptă, numită dreapta excitaţiei (linia b).
Din triunghiul dreptunghic OBC, rezultă că:
Prin urmare, fiecărei valori Rc a rezistenţei reostatului de câmp îi corespunde o dreaptă
care trece prin origine, dar care are o pantă diferită (un unghi diferit).
În fig. 2.12, segmentul pe ordonată între caracteristica a de mers în gol şi
dreapta b reprezintă diferenţa:
Acest segment care depinde de variaţia în timp a curentului ie poate fi considerat ca o
măsură a intensităţii procesului de autoexcitare. Acest proces se încheie atunci când diferenţa
, respectiv t.e.m. e0 nu mai variază în timp. Deci acest proces de
autoexcitare este terminat atunci când e0 şi respectiv ie au atins valorile corespunzătoare
punctului M de intersecţie a curbelor a şi b din figura 2.12. Observăm că procesul de
autoexcitare este convenabil pentru funcţionarea generatorului dacă punctul de intersecţie M
se află în zona cotului curbei a sau după acest cot, adică dacă rezistenţa Rc variabilă a
42
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
reostatului de câmp are o astfel de valoare încât dreapta b să se afle sub porţiunea liniară a
caracteristicii a, adică este îndeplinită inegalitatea :
în care este unghiul format de porţiunea liniară a caracteristicii cu axa
absciselor.
Dacă rezistenţa Rc este mai mare (curba c) punctul de intersecţie M coboară în zona
t.e.m. foarte mici, de ordinul de mărime a t.e.m. remanente. În această situaţie, procesul de
autoexcitare nu permite funcţionarea normală a generatorului.
Caracteristica externă este asemănătoare cu cea a generatorului cu excitaţie independentă. Generatorul cu excitaţie serie nu se foloseşte în practică.
2.7.1. Caracteristica de reglaj
Caracteristica reglajului pentru constant este definită de la
constant şi nu are sens decât la generatoarele cu excitaţie separată şi derivaţie. Forma acestei
caracteristici (fig. 2.13) se justifică de caracteristica externă. Dacă trebuie ca constant
reiese din relaţia (2.8) că la creşterea curentului IA trebuie să crească E0, deci curentul de
excitaţie Ie care produce fluxul . Din cauza saturaţiei circuitului magnetic creşterile
curentului Ie sunt mai mari decât căderile de tensiune pe care le compensează, depăşind cu 10
% până la 30 % valoarea curentului de excitaţie pentru care se obţine tensiunea nominală Un,
când .
Fig. 2.13. Caracteristica reglajului la generatorul de curent continuu
43
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
2.8. Funcţionarea motorului de curent continuu cu excitaţie derivaţie
Maşina de curent continuu poate funcţiona şi în regim de receptor de energie electrică
(motor electric). Un motor electric transformă puterea electrică primită de la o reţea electrică
în putere mecanică, prin intermediul câmpului electromagnetic.
Să considerăm un motor de curent continuu cu excitaţie-derivaţie (fig. 2.14) alimentat
de la o reţea un anumit curent continuu, cu tensiunea constantă. Maşina va absorbi de la reţea
un anumit curent I, care se va ramifica în cele două înfăşurări în derivaţie ale maşinii: IA în
înfăşurarea rotorului şi a polilor auxiliari şi Ie în înfăşurarea de excitaţie, deci .
Fig. 2.14. Schema de principiu a motorului de curent continuu cu excitaţie derivaţie
Conductoarele înfăşurării rotorului fiind străbătute de curent şi aflându-se în câmpul
polilor de excitaţie vor fi solicitate de forţe electromagnetice care vor da naştere unui cuplu de
rotaţie. Dacă acest cuplu este mai mare decât cuplul static total la arborele motorului, atunci,
rotorul se va pune în mişcare. Această mişcare este accelerată până la momentul în care cuplul
dezvoltat de motor este egalat de cuplul total rezistent, după care mişcarea devine uniformă.
Prin urmare, maşina primeşte putere electrică de la reţeaua electrică de curent continuu şi o
cedează la arbore sub forma de putere mecanică. Desigur că în secţiunile înfăşurării rotorului
e induc tensiuni electromotoare, întocmai ca şi la generatorul de curent continuu, diferitele
secţii rotindu-se în câmpul polilor de excitaţie. Dacă n este viteza de rotaţie a motorului şi
44
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
fluxul rezultant pe un pol, atunci, considerând ca sens pozitiv de parcurgere a diferitelor secţii
sensul curentului IA, rezultă că t.e.m. pe o cale de curent este dată de expresia:
(2.11)
Semnul minus al t.e.m. induse între bornele motorului arată că acesta are sens invers
sensului pozitiv ales, adică este de sens invers curentului absorbit IA.
Adoptând pentru motor convenţia privind sensurile pozitive adoptate pentru dipolul
receptor (fig. 2.14), putem deduce ecuaţia de funcţionare a motorului. Pentru aceasta aplicăm
teorema a doua a lui Kirchhoff unui contur , care începe de la borna A, străbate înfăşurarea
rotorului prin interiorul conductoarelor din care sunt realizate secţiile înfăşurării şi se ajunge
la borna B, închizându-se apoi prin aer la borna A. Se obţine:
sau ordonând termenii în alt mod:
(2.12)
Multiplicând fiecare termen al relaţiei (2.12) cu curentul IA, rezultă:
Ţinând seama că , obţinem:
Puterea electrică absorbită de motor de la reţea se distribuie deci astfel:
- în rezistenţa înfăşurării rotorului prin efect Joule;
- în contactul electric dintre perii şi colector;
- în înfăşurarea de excitaţie, prin efect Joule
- în puterea mecanică.
Notând cu viteza unghiulară a rotorului, putem scrie:
45
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
unde M este cuplul total dezvoltat în motor.
Dacă se ţine seama de expresia t.e.m. (2.11) rezultă formula cuplului electromagnetic
dezvoltat de motor devine:
Aşadar, cuplul electromagnetic al motorului de curent continuu este proporţional cu
fluxul polilor de excitaţie şi cu curentul absorbit de înfăşurarea rotorului.
Pentru o maşină dată mărimile p, a, N sunt cunoscute, deci se poate scrie:
unde s-a notat:
, .
O parte din puterea mecanică totală produsă de motor se pierde
chiar în maşină, pentru acoperirea pierderilor mecanice Pm, care apar datorită frecărilor în
lagăre, frecărilor cu aerul, cu ventilatorul şi pierderilor în fierul rotorului PFe.
De obicei, cea mai mare parte, şi anume P2, este transmisă instalaţiei mecanice
antrenate de motor (macara, tramvai, etc.).
Deci:
(2.13)
Cum tensiunea UA a reţelei de alimentare este presupusă constantă, indiferent de
condiţiile de funcţionare a motorului electric, înfăşurarea de excitaţie funcţionează complet
independent de înfăşurarea rotorului. Prin urmare, motorul de curent continuu cu excitaţie
derivaţie poate fi considerat în acelaşi timp motor cu excitaţia separată.
46
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Deoarece , unde ke este o constantă pentru o maşină dată, se poate baza
ecuaţia de funcţionare:
(2.14)
Această relaţie pune în evidenţă factorii care determină valoarea vitezei de rotaţie. O
caracteristică importantă a motorului derivaţiei o reprezintă caracteristica vitezei la mersul în
sarcină. Ea este definită prin , pentru constant şi constant. Deoarece, în
general, curentul de excitaţie în regim normal de funcţionare reprezintă câteva procente din
curentul înfăşurării rotorului şi deci , se poate considera că această
caracteristică este practic aceeaşi cu .
Aşadar, reluând ecuaţia putem scrie că:
(2.15)
unde:
reprezintă aşa-numita viteză la mersul în gol ideal ( ; motorul nu are pierderi).
Atunci când curentul IA creşte, deoarece 0 şi implicit Ie sunt constante, viteza de rotaţie
scade. Scăderea este puţin importantă faţă de viteza la mersul în gol corespunzătoare aceluiaşi
curent de excitaţie (care se menţine constant), deoarece chiar la plină sarcină căderea de
tensiune nu reprezintă decât câteva procente din tensiunea UA. Deci în sarcină normală,
în raport cu mersul în gol, viteza scade cu câteva procente (fig. 2.15).
47
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.15. Caracteristica vitezei la mersul în sarcină a motorului cu excitaţie derivaţie
O altă caracteristică importantă a motorului este caracteristica mecanică, definită prin
ecuaţia pentru constant şi constant. Această caracteristică este derivată
din caracteristica vitezei la mersul în sarcină.
Deoarece
M= N IA
atunci pentru o maşină dată .
Dacă curentul de excitaţie este constant, cuplul este proporţional cu curentul IA din
înfăşurarea rotorului. În consecinţă, caracteristica are aceeaşi alură ca şi caracteristica vitezei
la mersul în sarcină. Expresia analitică a caracteristicii mecanice se deduce din
relaţia (2.15) înlocuind
.
În acest fel se obţine:
(2.16)
48
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Dar:
reprezintă viteza de mers în gol ideală.
Pe de altă parte, cuplul de pornire, corespunzător vitezei , se deduce din relaţia
(2.16):
(2.17)
În consecinţă, caracteristica mecanică se poate scrie sub forma:
(2.18)
ţinând seama că:
O asemenea caracteristică mecanică, în care viteza de rotaţie scade foarte puţin (câteva
procente ) la mersul în sarcină faţă de mersul în gol este denumită caracteristică dură.
Motorul electric cu excitaţie derivaţie are, aşadar, o caracteristică mecanică dură.
Această caracteristică permite utilizarea motorului cu derivaţie excitaţie la acele
instalaţii care necesită o viteză de rotaţie practic constantă.
2.9. Funcţionarea motorului de curent continuu cu excitaţie serie
Acest tip de motor are o largă utilizare în industrie. Schema de principiu utilizată pentru
determinarea caracteristicilor acestui tip de motor este reprezentată în fig. 2.16.
49
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.16. Schema de principiu pentru încercarea motorului cu excitaţie serie
Funcţionarea motorului cu excitaţie serie nu se deosebeşte principal de cea a motorului
cu excitaţie – derivaţie. Ecuaţia de funcţionare este dată de aceeaşi relaţie (2.12) în care UA
reprezintă tensiunea la bornele înfăşurării rotorului şi a polilor auxiliari.
Dacă U este tensiunea reţelei de alimentare, atunci putem scrie relaţia:
(2.19)
Ecuaţiile referitoare la cuplul electromagnetic şi la bilanţul de puteri sunt identice cu
cele ale motorului cu excitaţie derivaţie.
Înfăşurarea de excitaţie fiind legată în serie cu înfăşurarea rotorului, va fi străbătută de
acelaşi curent, deci: .
Caracteristica vitezei la mersul în sarcină a motorului este pentru
constant. Alura acestei caracteristici se deduce din expresia (2.14), unde se înlocuieşte
:
(2.20)
Când curentul absorbit de la reţea creşte, numărătorul expresiei scade. În
acelaşi timp, numitorul creşte deoarece . Când curentul IA variază de la mersul în
gol al motorului la mersul în sarcină nominală, numitorul creşte sensibil, la început 50
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
proporţional cu curentul IA, iar apoi, când se face resimţită saturaţia circuitului magnetic,
rămâne practic constant. În consecinţă, viteza de rotaţie variază sensibil cu curentul de sarcină,
viteza de rotaţie este foarte mare, iar la sarcini mari, viteza scade simţitor (fig. 2.17).
Fig. 2.17. Caracteristica vitezei la motorul de curent continuu cu excitaţie serie
În apropierea curentului de sarcină nominal IAn, viteza de rotaţie nu mai scade decât în
foarte mică măsură (numitorul fracţiei rămâne practic constant).
Caracteristica mecanică este definită prin ecuaţia pentru constant.
În cazul acestui tip de motor, şi atunci când circuitul magnetic este nesaturat,
este proporţional cu IA, şi deci .
Înlocuind pe IA cu
,
se obţine:
51
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
adică o caracteristică mecanică asemănătoare unei hiperbole (fig. 2.18).
Fig. 2.18. Caracteristica mecanică a motorului de curent continuu cu excitaţie serie
Aşa cum se poate observa caracteristica este rapid căzătoare, încât ea este denumită
caracteristică elastică (suplă). Acest tip de motor se pretează la acţionările electrice din
instalaţiile de ridicat şi în tracţiunea electrică.
O deficienţă a motoarelor serie constă în faptul că la sarcini mici rotorul poate atinge
turaţii foarte mari (maşina se ambalează). Pentru acest motiv, la unele motoare cu excitaţie
serie de putere mică se prevăd limitatoarele automate de viteză.
2.10. Pornirea şi inversarea sensului de rotaţie a motoarelor de curent continuu
În baza relaţiei , maşina poate dezvolta un cuplu la arbore dacă este
excitată, adică există un flux inductor, şi dacă indusul este parcurs de curent, adică maşina este
alimentată de la o sursă de energie.
La pornire, când , t.e.m. şi în această situaţie relaţia devine
. Considerând că tensiunea de alimentare a maşinii este tensiunea
nominală Un, notând valoarea curentului la pornire cu Ip, astfel încât sau
( arată de câte ori este mai mare curentul de pornire faţă de curentul
nominal). Cum căderea de tensiune pe înfăşurarea indusului pentru o sarcină nominală este
52
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
, valorile mai mici fiind la maşinile mai mari, atunci ,
curentul de pornire Ip ar fi de la 6 până la 20 de ori curentul nominal In. Aşadar, motoarele de
curent continuu absorb în momentul pornirii un curent deosebit de mare în raport cu curentul
nominal. Curentul absorbit are tendinţa de a creşte foarte repede, atingând într-un timp scurt
valori ridicate (fig. 2.19). În acelaşi timp cu acest şoc de curent se înregistrează şi un şoc de
cuplu, fiindcă aceasta este funcţie de curentul IA. Pe măsură ce motorul se accelerează şi viteza
sa creşte, apare t.e.m. E0 (al cărei sens real este opus curentului IA) şi curentul începe să se
micşoreze în timp, atingând, atunci când mişcarea de rotaţie devine uniformă, valoarea
staţionară relativ redusă, în funcţie de cuplul rezistent la arborele maşinii.
Fig. 2.19. Variaţia în timp a curentului absorbit de motor în cursul procesului de pornire
Maşinile de mică putere, la care , deci şi timpul de pornire este
sub o secundă, se pot porni prin conectare directă de la reţea. Maşinile de putere mai mare
trebuie pornite fie prin alimentarea cu o tensiune redusă fie prin introducerea în serie cu
indusul a unui reostat de pornire de rezistenţă Rp pentru a limita curentul iniţial de pornire la
valori . Pentru un curent dat Ip, tensiunea la borne va fi , iar în cazul
folosirii reostatului de pornire de rezistenţă Rp, (fig. 2.20):
53
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
şi deci este necesar ca:
(2.21)
Curentul Ip fiind limitat şi ştiind că , cuplul iniţial de pornire, ,
va mai putea fi mărit numai prin creşterea curentului de excitaţie Ie. La motorul serie, la care
este asigurat un cuplu bun de pornire, . La motoarele cu excitaţie serie
reostatul de câmp se va pune pe poziţie de rezistenţă minimă pentru un curent de excitaţie Ie
maxim admis, iar la motoarele de excitaţie derivaţie, în afara reostatul de câmp care se pune
pe poziţia trebuie ca înfăşurarea de excitaţie să fie legată la reţea înaintea reostatului de
pornire pentru a nu micşora tensiunea de excitaţie la pornire cu valoarea .
Pentru motorul cu excitaţie derivaţie remarcăm faptul că atunci când se conectează în
serie cu înfăşurarea rotorului o rezistenţă de pornire Rp, caracteristica mecanică se schimbă
conform relaţiei:
, iar
rezultă:
(2.22)
caracteristica devenind cu atât mai scăzătoare cu cât Rp este mai mare.
La deconectarea motorului cu excitaţie derivaţie de la reţeaua electrică de alimentare,
trebuie să nu se întrerupă circuitul de excitaţie, întrucât, datorită inducţiei mari a înfăşurării de
excitaţie, energia localizată în câmpul magnetic al maşinii este relativ mare, iar la întreruperea
circuitului de excitaţie pot apărea arcuri electrice importante şi supratensiuni.
Deconectarea se face în ordinea următoare :
- se întrerupe circuitul indusului;
- reostatul Rc se pune pe poziţia maximă (curentul de excitaţie Ie să fie minim);54
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
- se întrerupe circuitul de excitaţie.
Inversarea sensului de rotaţie a motoarelor de curent continuu se obţine prin inversarea
sensului cuplului electromagnetic M dezvoltat de motor. Cum , rezultă că prin
inversarea sensului de rotaţie este suficient să se inverseze sensul curentului în înfăşurarea de
excitaţie şi în nici un caz amândouă în acelaşi timp. Trebuie reţinut că prin schimbarea între
ele a legăturilor motorului la reţea nu se realizează inversarea sensului de rotaţie, întrucât se
schimbă simultan atât sensul curentului Ie (deci a fluxului ), atât la motorul cu excitaţie
derivaţie cât şi la cel cu excitaţie serie.
2.11. Reglarea vitezei motoarelor de curent continuu
Motoarele de curent continuu prezintă în privinţa reglării vitezei (manual sau automat)
avantaje nete faţă de motoarele de curent alternativ, atât în privinţa limitelor de reglare cât şi a
economicităţii reglării. Din studiul expresiei :
rezultă metodele de reglare a vitezei:
- prin variaţia tensiunii sursei de alimentare a motorului (cu variatoare de tensiune
electronice sau cu grup Ward – Leonard ( caracteristici de tensiune);
- prin introducerea unei rezistenţe în serie cu rotorul (caracteristici de flux).
2.11.1 Reglarea turaţiei prin variaţia tensiunii U a sursei de alimentare la flux
constant
Această metodă se aplică numai când este necesară o reglare a vitezei în limite foarte
largi.
În fig. 2.20 este prezentată schema electrică de principiu a uni grup generator-motor
(denumit uneori grup Ward-Leonard), în care:
MA - motor de curent alternativ (motor antrenare);
G - generator de curent continuu;
M - motor de curent continuu;
55
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
E - generator de curent continuu, denumit excitatoare, necesar alimentării înfăşurătorilor de
excitaţie ale generatorului G şi motorului M.
Fig. 2.20. Grup generator-motor
Fig. 2.21. Caracteristicile mecanice pentru diferite tensiuni
Generatorul G alimentează direct motorul M.
Reglarea vitezei de rotaţie a motorului M se poate realiza în două moduri:
56
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
a) se menţine constant fluxul de excitaţie al motorului, în general la valoarea sa
nominală şi se modifică tensiunea electromotoare E0G a generatorului prin variaţia fluxului de
excitaţie a generatorului cu ajutorul reostatului RcG.
b) se menţine constantă tensiunea electromotoare E0G a generatorului la valoarea sa
nominală şi se micşorează fluxul magnetic al motorului, acţionând asupra reostatului RcM.
Variaţia simultană a celor două fluxuri nu se utilizează în practică, preferându-se
succesiunea indicată. În acest fel se obţine un domeniu larg de reglare a vitezei şi valori
acceptabile pentru curentul din circuitul rotoric al maşinilor de curent continuu.
2.11.2. Reglarea vitezei de rotaţie cu ajutorul unui reostat în serie cu rotorul
Considerând-se că tensiunea U a reţelei electrice de alimentare şi curentul de excitaţie
Ie sunt constante, această metodă se poate aplica motoarelor cu excitaţie derivaţie introducând
o rezistenţă în serie cu înfăşurarea rotorului (fig. 2.22).
Fig. 2.22. Reglarea vitezei prin conectarea de rezistenţe în circuitul indusului
Considerând un motor derivaţie, putem scrie următoarele ecuaţii de funcţionare :
57
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Eliminând tensiunea UA şi ţinând seama că , obţinem:
Va rezulta că:
şi putem scrie:
(2.23)
ce reprezintă o caracteristică mecanică artificială de forma unei drepte.
Atunci când cuplul electromagnetic este nul ( ) rezultă că . Deci, întocmai
ca şi caracteristica naturală, noua caracteristică trece prin punctul (0, n0), în schimb este rapid
căzătoare. În fig. 2.23 sunt reprezentate diferite caracteristici mecanice care se obţin pentru
diferite valori ale rezistenţei variabile RS, conectate în serie cu înfăşurarea rotorului. Aşa cum
se poate observa pentru acelaşi cuplu motorul poate dezvolta diferite turaţii n, în funcţie de
valoarea rezistenţei RS, curentul absorbit şi deci puterea absorbită rămânând constante (dacă
constant, în cazul când constant, rezultă constant). Rezistenţa de reglare poate
fi utilizată şi ca rezistenţa de pornire, în schimb nu este permisă întrebuinţarea rezistenţei de
pornire ca rezistenţă de reglare nefiind dimensionată în acest scop.
58
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.23. Caracteristicile mecanice în cazul unei rezistenţe variabile conectate în serie
Această metodă de reglare a vitezei este însă neeconomică, prin pierderea importantă
de putere în rezistenţa RS prin efect Joule, iar randamentul este din ce în ce mai slab la viteze
din ce în ce mai mici.
2.11.3. Reglarea vitezei prin modificarea fluxului de excitaţie
Metoda poate fi aplicată prin variaţia curentului de excitaţie Ie, cu ajutorul reostatului
de câmp Rc. Ne vom referi pentru început la motorul derivaţie, şi să presupunem că
constant şi ; prin urmare constant. Pentru două valori diferite Ie1 şi Ie2 ale
curentului de excitaţie, rezultă două valori diferite ale fluxurilor , respectiv , fie
.
Din relaţia:
(2.24)
ţinând seama că termenul nu afectează decât cu câteva procente suma
, rezultă că . Prin urmare, micşorarea curentului de excitaţie conduce la creşterea
vitezei de rotaţie şi a curentului absorbit de înfăşurarea indusului, în condiţii de cuplu
constant. Caracteristicile mecanice obţinute sunt redate în figura 2.24.
59
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 2.24. Caracteristicile mecanice ale motorului cu excitaţie variabilă, la flux variabil
Fig. 2.25. Conectarea reostatului de câmp pentru
reglarea vitezei motorului cu excitaţie serie
Remarcăm faptul că, dacă cuplul rămâne constant, odată cu micşorarea fluxului de
excitaţie, curentul IA absorbit de motor creşte.
60
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 3
DESCRIEREA PLĂCII DE DEZVOLTARE IPS110
3.1. Introducere
IPS110 este o familie de mini-dispozitive de acţionare a motorului pas cu pas
inteligent, bazat pe tehnologia DSP de ultimă oră şi care oferă performanţe de acţionare
nemaipomenite combinate cu un controler de mişcare încapsulat. Corespunzător pentru
control motorului de curent continuu şi motoarelor pas-cu-pas, acţionările cu IPS110 acceptă
ca reacţie de poziţie codificatoarele de tip incrementale. Toate acţionările execută
poziţionarea, controlul vitezei şi cuplului şi lucrează fie în configuraţie mono- sau multiaxe,
fie în configuraţie de sine-stătătoare. Cu ajutorul controlerului de mişcare încapsulat,
acţionarea cu IPS110 combină controlul, acţionarea şi funcţionalitatea PLC într-o singură
unitate compactă şi este capabil pentru executarea unor mişcări complexe fără necesitarea
unei intervenţii unui controler de mişcare extern. Folosind tehnologia de înalt-
nivel Technosoft Motion Language (TML), pot fi executate următoarele operaţii direct la
nivelul unităţii:
Configurarea diverselor moduri de mişcare (profile, PVT, PT, viteză electronică,
etc.)
Modificarea modurilor de mişcare şi/sau parametrilor de mişcare
Executarea succesiunilor de revenire
Controlul curgerii programului prin:
Salturi condiţionale şi apelări de funcţii TML
Întreruperi TML generate pe condiţii predefinite sau programabile
(declanşatoare de protecţie, tranziţii pe pe întrerupător de sfârşit de cursă sau intrări de
captură, etc.)
Manipularea intrărilor/ieşirilor digitale şi semnalelor de intrare analoge
Executarea operaţiunilor aritmetice şi logice
Executarea transferurilor de date între axe
61
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Controlarea mişcării unei axe de la o altă axă prin comenzi de mişcare date între
axe
Trimiterea comenzilor unui grup de axe (distribuţie). Aceasta include posibilitatea
pornirii simultane a secvenţelor de mişcare către toate axele din grup.
Sincronizarea tuturor axelor dintr-o reţea.
Folosind programul Easymotion Studio pentru programarea TML se poate distribui în
mod real inteligenţa între dispozitivul master şi aplicaţiile complexe multi-ax, reducând
deopotrivă timpul de dezvoltare şi cerinţele de comunicare totale. De exemplu, în loc de a
încerca să comandăm fiecare mişcare a unui ax, putem să programăm dispozitivele acţionate
folosind TML pentru a executa sarcini de mişcare complexe şi de a informa dispozitivul
master când aceste sarcini sunt îndeplinite. Astfel, pentru fiecare axă, controlul operaţiei de
acţionare poate fi rezumat la: apelarea funcţiilor TML înmagazinate în EEPROM (cu
posibilitate renunţării execuţiilor lor dacă este necesar) şi aşteptarea unui mesaj, care confirmã
executarea funcţiilor TML.
Independent de dispozitivul master CANopen, unităţile IPS110 pot fi controlate de la
un calculator sau PLC folosind familia de biblioteci de mişcare TML_LIB. Pentru toate
opţiunile de programare a mişcării, împuternicirea IPS110 pentru aplicaţie este îndeplinită
folosind Easysetup
3.2. Caracteristicile plăcii IPS110
Acţionarea digitală pentru controlul motoarelor de curent continuu şi motoarelor
pas-cu-pas având controler de mişcare încapsulat şi limbaj de mişcare TML de înalt nivel
Control de poziţie, viteză şi cuplu
Diverse moduri de programare a mişcării:
Profile de poziţie cu aspect trapezoidal sau în formă de S a vitezei
Ordin de interpolare a poziţiei, vitezei, timpului (PVT)
Ordin de interpolare a poziţiei, timpului (PT)
Angrenaj electronic sau cu came
Referinţă analogică sau digitală externă
33 de moduri de homing
Interfaţă de codare incrementală dublă: 5 V simetric sau cu colector în gol
Interfaţă de impuls şi direcţie (5 V sau 24 V simetric, cu colector în gol sau RS-
422 diferenţial) pentru referinţe digitale externe (master)
62
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Interfaţă cu senzor liniar Hall
Intrări/ieşiri digitale:
Două linii digitale de intrare/ieşire (compatibile TTL) în comun cu două
intrări analogice (0...3,3 V)
Intrare RESET
Întreruptoare de limitare (LSP sau LSN)
Interfaţă serială RS-232 care transmite până la 115 kbaud
CAN-bus 2.0A/2.0B până la 1 MB/s, cu protocoale de comunicare selectabile:
CANopen – compatibil cu standardul CiA: DS301 şi DSP402
TMLCAN – compatibl cu toate acţionările Tehnosoft şi interfaţă CANbus
Memorie 1.5K 16 SRAM pentru achiziţii de date şi 8K 16 E2ROM pentru datele
de instalare şi programele TML
Selecţie hardware Axis ID – suduri îmbinate
Frecvenţă de schimbare nominală PWM 20 kHz
Frecvenţa de actualizare nominală pentru ciclu de cuplu 10 kHz
Frecvenţa de actualizare pentru ciclul vitezei/cuplului 1-10 kHz
Curentul de ieşire continuu 0,5ARMS
Curentul de ieşire de vârf 1 A
Tensiunea de alimentare logică 5 V curent continuu
Tensiunea de alimentare a motorului V curent continuu
Inductanţa de sarcină minimă 25 H la 12 V; 100 H la 45 V
Temperatura ambientală de operare 0-40 0C
3.3. Configuraţii motor-senzor suportate
1. Controlul poziţiei, vitezei sau cuplului unui motor de curent continuu rotativ cu un
codificator de tip incremental pe axul lui.
Factorii de scalare ţin seama de raportul de transformare dintre motor şi sarcină
(rotativă sau liniară). De aceea, comanda mişcării (pentru poziţie, viteză şi acceleraţie)
exprimată în unităţi de măsură SI (sau derivate) se referă la sarcină, în timp ce aceleaşi
comenzi, exprimate în unităţi de măsură IU, se referă la motor.
63
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.1. Motor rotativ de curent continuu. Controlul poziţiei/vitezei/cuplului.
Codificator de tip incremental pe motor.
2. Control în buclă deschisă a unui motor bifazat pas-cu-pas în poziţie sau viteză.
Factorii de scalare ţin seamã de raportul de transformare dintre motor şi sarcină
(rotativă sau liniară). De aceea, comanda mişcării (pentru poziţie, viteză şi acceleraţie)
exprimată în unităţi de măsură SI (sau derivate) se referă la sarcină, în timp ce aceleaşi
comenzi, exprimate în unităţi de măsură IU, se referă la motor.
Fig. 3.2. Fără reacţie de poziţie sau viteză.
Control în buclă deschisă: poziţia motorului sau viteză.
3. Control în buclă închisă de poziţie a sarcinii folosind un codificator pe sarcină,
combinat cu un control în buclă deschisă a unui motor bifazat pas-cu-pas în viteză, cu
referinţa de viteză furnizată de un controler de poziţie.
Comenzile mişcării în ambele unităţi de măsură SI şi IU se referă la sarcină.
64
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.3. Codificator pe sarcină. Control în buclă închisă: poziţia sarcinii.
Control în buclă deschisă: viteza motorului.
4. Control în buclă închisă a unui motor bifazat pas-cu-pas în poziţie, viteză sau cuplu.
Factorii de scalare ţin seama de raportul de transformare dintre motor şi sarcină
(rotativă sau liniară). De aceea, comanda mişcării exprimată în unităţi de măsură SI (sau
derivate) se referă la sarcină, în timp ce aceleaşi comenzi, exprimate în unităţi de măsură IU
se referă la motor.
Fig. 3.4. Codificator pe axul motorului. Control în
buclă închisă: poziţia motorului, viteza şi cuplu.
3.4. Dimensiunile dispozitivului de acţionare IPS110
În fig. 3.5 se prezintă dimensiunile dispozitivului de acţionare IPS110.
65
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.5. Dimensiunile dispozitivului de acţionare IPS110
3.5. Instalarea hardware
3.5.1. Montarea lui IPS110
IPS110 a fost proiectat să fie răcit prin convecţie naturală. El va fi montat orizontal pe
o placă de circuite integrate (fig. 3.6).
66
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.6 Montarea recomandată a lui IPA110 pe o placă de circuite integrate
3.5.2. Diagramele de conectori şi conexiuni
3.5.2.1. Amplasamentul conectorilor
În fig. 3.7. se prezintă amplasamentul conectorilor.
Fig. 3.7. Aranjamentul conectorilor lui IPS110
67
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.2. Conectorii J1
Pin Numele pinului Numele TML Tipul Funcţia / Funcţia alternantă / Comentarii
1 +VMOT - ITerminalul pozitiv al alimentării motorului
Vcc
2 +VMOT - ITerminalul pozitiv al alimentării motorului
Vcc
3 A+ - IFaza A+ pentru motorul pas-cu-pas
Motor+ pentru motorul de curent continuu
4 A- - IFaza A- pentru motorul pas-cu-pas
Motor- pentru motorul de curent continuu
5 B+ - IFaza B+ pentru motorul pas-cu-pas
Motor+ pentru motorul de curent continuu
6 B- - IFaza B- pentru motorul pas-cu-pas
Motor- pentru motorul de curent continuu
7 GND - - Împământarea
8 GND - - Împământarea
9 +5V - ITerminalul pozitiv al alimentării logice
+5V cc
10 TX232 - O Transmisia de date TX232
11 RX232 - I Recepţia de date RX232
12 RESET - ISemnalul de RESET – conectează GND
pentru a reseta placa
68
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.3. Conectorii J2
Pin Numele pinului Numele TML Tipul Funcţia / Funcţia alternantă / Comentarii
1 ENCA - I Semnal codificator A
2 ENCB - I Semnal codificator B
3 Puls+
IN#38 /
PULSE
I Terminalele pozitive şi negative ale
întrării IN#38 / PULSE sunt compatibile
RS-422
Poate fi utilizat ca intrare PULSE în
modul de mişcare Puls şi Direcţie
4 Puls- I
5 Dir+
IN#37 /
DIR
I Terminalele pozitive şi negative ale
întrării IN#37 / DIR sunt compatibile
RS-422
Poate fi utilizat ca intrare DIRECTION
în modul de mişcare Puls şi Direcţie
6 Dir- I
7IO#35 / Sin /
LSP / CAPI
IO#35 /
CAPII
IO#35 – intrare/ieşire digitală
(compatibilă TTL)
Sin – intrare analogă 3,3 V pentru senzor
liniar Hall
Comutator limitator – pozitiv
(compatibil TTL)
CAPI – semnal codificator Z (compatibil
TTL)
8IO#36 / Cos /
LSN / CAPI2
IO#36 /
CAPI2I
IO#35 – intrare/ieşire digitală
(compatibilă TTL)
Cos – intrare analogă 3,3 V pentru
senzor liniar Hall
Comutator limitator –negativ
(compatibil TTL)
CAPI – index codificator secundar
(compatibil TTL)
9 Referinţă AD5 I
Intrare analogă 0...3,3 V. Poate fi utilizată
ca poziţie analogă, viteză sau referinţă de
cuplu.
69
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
10 Reacţie AD2 I
Intrare analogă 0...3,3 V. Poate fi utilizată
ca poziţie analogă sau reacţie de viteză (de
la un tahometru).
11 CAN_H - I/O
Linie pozitivă CAN-Bus (pozitivă în timpul
bitului dominant). Neconectat la execuţia
no-CAN al lui IPS110 (P045.001.E001).
12 CAN_L - I/O
Linie negativă CAN-Bus (negativă în
timpul bitului dominant). Neconectat la
execuţia no-CAN al lui IPS110
(P045.001.E001).
3.5.2.4. Conexiunea de alimentare
3.5.2.4.1. Recomandări pentru conductorul de alimentare.
1. Se folosesc conductoare scurte şi groase între IPS110 şi sursa de alimentare a
motorului. Dacă conductoarele sunt mai lungi de 2 m, se folosesc conductoare răsucite pentru
alimentare şi întoarcerea la pământ. Pentru conductoare mai lungi de 20 m, se adaugă un
condensator electric de cel puţin 1.000 F (evaluat la o tensiune corespunzătoare) direct pe
terminalele dispozitivului IPS110.
2. Când se întrebuinţează aceeaşi sursă de alimentare a motorului pentru unităţi
multiple, se face o conexiune de stea centrată (electric) în jurul ieşirilor alimentării. Se
conectează fiecare unitate la alimentarea comună a motorului folosind conductoare separate
pentru plus şi nul.
3.5.2.4.2. Recomandări de limitare a supratensiunii în timpul frânării
În timpul frânării abrupte sau inversării mişcării, energia de recuperare este injectatã în
sursa de alimentare a motorului. Acest poate să cauzeze o sporire a tensiunii de alimentare a
motorului (depinzând de caracteristicile sursei de alimentare). Dacă tensiunea depăşeşte
valoarea , este declanşată protecţia de supratensiune a unităţii şi alimentarea unităţii este
dezactivată.
70
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.8. Conexiunea de alimentare J1
Pentru a evita aceastã situaţie se adaugă un condensator electric pe alimentarea
motorului destul de mare pentru a absorbi energia electromotoare. Condensatorul electric
trebuie să fie evaluat la o tensiune egală sau mai mare decât supratensiunea maximă aşteptat şi
poate se fie dimensionat cu formula:
unde:
- limita de protecţie a supratensiunii [V]. Se poate citi aceastã valoare în dialogul Drive
Info, care poate să fie deschis de la Drive Setup.
- tensiunea nominală de alimentare a motorului [V]. Se poate citi aceastã valoare în
dialogul Drive Info, care poate să fie deschis de la Drive Setup.
- energia electromotoare totală [J].
În cazul unui motor rotativ şi sarcină poate sã fie calculat cu formula:
71
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
unde:
- inerţia totală a rotorului [kgm2];
- inerţia totală a sarcinii suportată la axul motorului după transmisie [kgm2];
- viteza unghiulară a motorului înainte de frânare [rad/s];
- masa motorului, când motorul se deplasează într-un plan ne-orizontal [kg];
- masa sarcinii, când sarcina se deplasează într-un plan ne-orizontal [kg];
g - acceleraţia gravitaţională, 9,8 m/s2;
- înălţimea iniţială a sistemului [m];
- înălţimea finală a sistemului [m];
- curentul motorului în timpul frânării [ARMS/fază];
- rezistenţa fazei motorului [ ];
- timpul de frânare [s];
- cuplul de frecare total suportat pe axul motorului - include sarcina şi transmisia [Nm].
În caz unui motor liniar şi sarcină, inerţia motorului şi inerţia sarcinii vor fi
înlocuite cu masa motorului şi masa sarcinii măsurate în [kg], viteza unghiulară va deveni
viteza liniară măsurată în [m/s] iar cuplul de frecare va deveni forţa de frecare măsurată în
[N].
Dacă calculul de mai sus al lui nu poate să fie făcut datorită pierderii datelor, o
bună valoare de pornire pentru condensatorul electric poate să fie 10.000 F / 100V.
3.5.2.5. Conexiunile motorului
72
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
În fig. 3.9 şi 3.10 se prezintă conexiunile motorului pas-cu-pas J1 şi J2.
Fig. 3.9. Conexiunea motorului pas-cu-pas J1
73
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.10. Conexiunea motorului de curent continuu J2
3.5.2.6. Recomandări pentru conductorul motorului.
a) Evitarea rulării conductoarelor motorului cu alte conductoarele paralele pentru o
distanţă mai mare de 2 metri.
Dacã aceastã situaţie nu poate să fie evitată, se foloseşte un cablu izolat pentru
conductoarele motorului. Se conectează cablul izolat la pinul GND al IPS110. Se lasă celălalt
capăt deconectat.
b) Capacitatea electricã parazită între conductoarele motorului nu trebuie să
depăşească 100 nF.
Dacă se întrebuinţează cabluri foarte lungi (sute de metri), această condiţie poate să fie
îndeplinită. În acest caz, se adaugă inductori în serie între ieşirile lui IPS110 şi cablu.
Inductorii trebuie să fie izolaţi magnetic (de exemplu, toroidal), şi trebuie evaluaţi pentru
curentul de val al motorului. Caracteristic, valorile necesare sunt în jurul a 100 H.
c) O bună izolare poate fi obţinutã dacă conductoarele motorului rulează înăuntru unui
ghidaj de cablu metalic.
74
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.7. Conexiunile reacţiei
În fig. 3.11 se prezintă conexiunea codificatorului cu un singur terminal / cu colector
în gol, iar în fig. 3.12 conexiunea master-slave folosind intrarea codificatorului secundară.
Fig. 3.11. Conexiunea codificatorului cu un singur terminal / cu colector în gol
75
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 3.12. Conexiune master-slave folosind intrarea codificatorului secundară
3.5.2.7.1. Recomandări pentru conductoarele dispozitivului de reacţie.
a) Trebuie păstrată conexiunea de legare la pământ dintre codificator şi dispozitivul
IPS110 chiar dacă alimentarea codificatorului nu este furnizată de dispozitiv. Când folosind
cablu izolat, conectăm cablul izolat la pinul GND al IPS110. Lăsăm izolatorul neconectat la
partea de codificator. Niciodată nu trebuie folosit izolatorul ca un conductor transportând un
semnal, de exemplu ca linia de nul. Această situaţie poate duce la o comportament mai rău
decât un cablu neizolat.
76
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
b) Totdeauna trebuie folosit cablurile izolate pentru a evita zgomotul de cuplare
capacitiv când folosim cablu cu lungime peste 1 m. Trebuie conectat cablul izolat la
potenţialul pământului, doar la un singur capăt. Acest punct ar putea sã fie ori IPS110
(folosind pinul GND) sau codificatorul / motorul. Nu trebuie conectat izolatorul la ambele
capete.
3.5.2.8. Conexiuni de intrare/ieşire digitale
3.5.2.8.1. Conexiunea de intrare digitală 5V
În fig. 3.13 este reprezentată conexiunea de intrare digitală 5V.
Fig. 3.13. Conexiunea de intrare digitală 5V
Magistralele IO#35, Sin (in), LSP (in) şi CAPI (in) sunt comune, de asemenea şi
magistralele IO#36, Cos (in), LSN (in) şi CAPI2 (in) sunt comune. Nu se pot folosi aceste trei
magistrale simultan ca intrare analogică şi intrare/ieşire digitală.
77
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.8.2. Conexiunea de intrare Pulse & Direction
În fig. 3.14 este reprezentată conexiunea de intrare Pulse & Direction.
Fig. 3.14. Conexiunea de intrare Pulse & Direction
Când IN#38 PULSE se întrebuinţează ca intrare PULSE în modul de deplasare
Pulse & Direction, pe fiecare margine crescătoare (sau reacţie) este incrementat / decrementat.
Când IN#37 DIR se întrebuinţează ca intrarea DIRECTION în modul de deplasare
Pulse & Direction, referinţa (sau reacţia) este crescută dacă acest pin este pus la pământ.
Trebuie folosit o pereche răsucită pentru fiecare grup diferenţial de semnale după cum
urmează: Puls+ cu Puls- şi Dir+ cu Dir-. De asemenea trebuie conectat pinul GND între
IPS110 şi generatorul P&D.
78
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.8.3. Conexiunea de ieşiri digitale
În fig. 3.15 este reprezentată conexiunea de ieşiri digitale.
Fig. 3.15. Conexiunea de ieşiri digitale
Pinii IO#35 şi IO#36 trebuie să fie programaţi ca ieşiri pentru acest mod de exploatare.
Magistralele IO#35, Sin (in), LSP (in) şi CAPI (in) sunt comune, de asemenea şi
magistralele IO#36, Cos (in), LSN (in) şi CAPI2 (in) sunt comune. Nu se pot folosi aceste trei
magistrale simultan ca intrare analogică şi intrare/ieşire digitală.
79
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.9. Conexiunea de intrări analogice
În fig. 3.16. este reprezentată conexiunea de intrări analogice.
Fig. 3.16. Conexiunea de intrări analogice
3.5.2.9.1. Recomandări pentru conductoarele de semnal analogic
Trebuie folosit un conductor izolat după cum urmează: conductorul interior conectează
semnalul activ la intrarea analogică a dispozitivului; izolatorul conectează semnalul de nul la
pinul GND.
Dacă tensiunea de ieşire a sursei de semnal este în afara domeniului 0-3,3 V, trebuie
folosiţi un divizor diferenţial cu două rezistenţe, localizat în apropierea conectorului de
intrare/ieşire a IPS110. Trebuie alese rezistenţele divizorului cât mai mici posibile ca valoare,
cât mai aproape limita curentului de ieşire a sursei de semnal, pentru minimalizarea
zgomotului.
80
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.10. Conexiunile de comunicare seriale RS-232
În fig. 3.17 este reprezentată conexiunea serială RS-232.
Fig. 3.17. Conexiunea serială RS-232
3.5.2.10.1. Recomandări pentru cablurile conexiunii RS-232
Întotdeauna deconectăm alimentările dispozitivului IPS110 înainte de
introducerea/scoaterea conectorului serial RS-232. Trebuie de utilizat un cablu izolat cu 9
conductoare standard 1-la-1 (neinversor), preferabil cu carcasă metalică sau metalizată.
81
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.5.2.11. Conexiunea de comunicare CAN
În fig. 3.18. este reprezentată conexiunea de comunicare CAN.
Fig. 3.18. Conexiunea de comunicare CAN
Reţeaua CAN necesită două rezistoare de capăt de 120 chiar şi pentru cabluri
scurte. Aceşti rezistori nu sunt incluşi în dispozitiv. Ambele semnale CAN nu pot fi izolate de
toate celelalte circuite ale IPS110.
Semnalele CAN (pinii CAN_H şi CAN_L ai conectorului J2) nu sunt pini conectaţi pe
P045.001.E001 ai dispozitivului IPS110.
3.5.2.11.1. Recomandări pentru conductorul reţelei CAN
Trebuie construită reţeaua CAN folosind cabluri cu conductoare răsucite cu 2 perechi
(2 conductoare/pereche) după cum urmează: o pereche pentru CAN_H cu CAN_L şi cealaltă
pereche pentru CAN_V+ cu CAN_GND. Impedanţa cablului trebuie să fie de 105...135
(obişnuit 120 ) şi o capacitanţă sub 30 pF/m. Când lungimea totală a magistralei CAN este
peste 40 m, este obligatoriu folosirea de cabluri răsucite izolate. Trebuie conectat cablul izolat
82
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
la pământ/izolator. Când folosind o placă de circuit imprimat (PCB) bazată pe materialul
FR-4, se construieşte reţeaua CAN folosind o pereche de piste de 12mil (0,012”), spaţiate din
8...10 mils (0,008...0,010”), amplasate peste un plan local (făşie) care se extinde pe cel puţin
1 mm în stânga şi în dreapta pistelor. Oricând este posibil, trebuie să folosim legături
înlănţuite între nodurile reţelei CAN. Trebuie de evitat folosirea cioturilor. Un ciot este o
conexiune în T, unde o derivare este luată de pe magistrala principală. Când cioturile nu pot fi
evitate, trebuie păstrate cât mai scurte cu putinţă. Pentru 1 Mbit/s (cel mai rău caz), ciotul cu
lungimea maximă trebuie sã fie sub 0,3 m. Rezistorii de capăt de 120 trebuie sã fie evaluaţi
la minim 0,2 W. Nu se folosesc rezistori răsuciţi, care sunt inductivi.
Fig. 3.19. Reţea CAN cu axe multiple
83
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.6. Configuraţia jumperilor şi articulaţiilor lipite
În fig. 3.20 sunt reprezentaţi jumperii J1 şi J2 si articulaţiilor lipite.
Fig. 3.20. Jumperii (J1 şi J2) şi articulaţiile lipite
JP1: Auto / Ext
ÎNCHIS: IPS110 este în modul Autorun (de sine stătător). După reiniţializare,
în se execută în mod automat un program din memoria internă E2ROM.
DESCHIS: IPS110 este în modul Extern (slave). După reiniţializare, aşteaptă
comenzi de la un dispozitiv extern.
JP2: FU / Norm
ÎNCHIS: Activează programul de actualizare.
DESCHIS: Funcţionare normală
ID5...ID0: Articulaţii lipite a denumirilor axelor
Aceste articulaţii sunt mostre în timpul pornirii şi denumirile axelor sunt configurate în
consecinţă.
84
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
3.7. Prima pornire
Pentru a seta dispozitivul pentru aplicaţie trebuie să comunicăm cu acesta. Modul cel
mai uşor este printr-o legătură serială RS-232 între calculator şi dispozitiv. De aceea, înaintea
de prima pornire, trebuie verificate următoarele lucruri:
Conexiunile de alimentare şi nivelul tensiunilor lor;
Conexiunile motorului;
Conexiunile cablurilor seriale;
Configurarea articulaţiilor lipite a denumirilor axelor;
Programul EasySetUp este instalat pe calculator, care este conectat în serie cu
dispozitivul.
85
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 4
APLICAŢII SOFTWARE
4.1. Instalarea programului EasySetUp
Programul EasySetUp este un program soft de calculator pentru instalarea
dispozitivelor Technosoft. El poate fi descărcat gratuit din pagina web Technosoft. EasySetUp
vine cu un program de actualizare prin Internet prin care se verifică dacă versiunea de soft
este actualizată şi dacă sunt necesare descărcarea şi instalări ale ultimelor actualizări.
EasySetUp include un dispozitiv de programare prin care se poate actualiza dispozitivul la
ultima revizuire.
EasySetUp poate fi instalat în mod independent sau împreunã cu platforma
EasyMotion Studio pentru programarea deplasării folosind TML. Vom avea nevoie de
EasyMotion Studio numai dacă plănuim să folosim caracteristicile avansate ale programului.
O versiune demonstrativă de EasyMotion Studio incluzând versiunea funcţională completă de
EasySetup poate fi descărcată gratuit din pagina web Technosoft.
La cerere, EasySetup poate, de asemenea, să fie furnizat pe CD. În acest caz, după
instalare, se foloseşte actualizarea prin Internet pentru a verifica ultimele actualizări. Odată
pornită instalarea pachetului, se urmăresc indicaţiile sale.
4.2. Configurarea programului EasySetUp
Utilizând programul EasySetUp putem instala rapid un dispozitiv de acţionare pentru
aplicaţia dorită. Dispozitivul poate fi:
conectat direct la calculator printr-o legătură serială RS-232;
orice dispozitiv de acţionare de la o reţea CANbus unde calculatorul este
conectat cu unul din celelalte dispozitive de acţionare.
Rezultatul programului EasySetUp este un set de informaţii de instalare, care pot fi
descărcat în memoria EEPROM sau salvat pe calculator pentru folosirea ulterioară a acestora.
EasySetUp include un set de unelte de evaluare cum ar fi Data Logger, Control Panel
şi Command Interpreter care ne ajută la măsurarea rapidă, verificarea şi analizarea cerinţelor
dispozitivului.
86
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
EasySetUp lucrează cu date de instalare. O instalare conţine toate informaţiile necesare
pentru configurarea şi parametrizarea dispozitivului Technosoft. Aceste informaţii sunt
păstrate în memoria EEPROM într-un tabel de instalare. Tabelul de instalare este copiat la
punerea în funcţiune în memoria unităţii RAM şi se întrebuinţează în timpul execuţiei. De
asemenea, cu EasySetUp este posibilă recuperarea completă a informaţiei de instalare de la un
dispozitiv programat anterior.
Cu EasySetUp putem face doar cerinţele dispozitivului/motorului. Pentru programarea
deplasării trebuie urmate următoarele opţiuni:
Folosirea dispozitivului master CANopen
Utilizarea EasyMotion Studio pentru crearea şi descărcarea unui program TML în
memoria dispozitivului
Utilizarea unei bibliotecile de deplasare TML_LIB pentru controlarea
dispozitivelor/motoarele de la dispozitivul gazdă/master. Dacă gazda este un calculator,
TML_LIB oferă o colecţie de funcţii de deplasare de nivel înalt care pot fi apelate din aplicaţii
scrise în C/C+ +, Visual Basic, Delphi Pascal sau Labview. Dacă gazda este un dispozitiv
PLC, TML_LIB oferă o colecţie de blocurile funcţionale pentru programarea deplasării, care
sunt compatibile IEC61131-3 şi care pot fi reunite în programul PLC dorit.
Implementarea în dispozitivul master a comenzilor TML, de care avem nevoie de
pentru trimiterea către dispozitiv/motor folosind unul din canalele de comunicare suportate.
Implementarea trebuie să fie făcută în acord cu protocoalele de comunicare Technosoft.
Combinarea programării TML la nivelul de dispozitiv de acţionare cu una din opţiuni
4.2.1. Stabilirea comunicaţiei
Programul EasySetUp porneşte cu o fereastră goalã de unde putem crea o nouă
instalare, putem deschide o instalare creată anterior care a fost salvată pe calculator, sau să
actualizăm o instalare de la dispozitiv/motor.
87
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 4.1. Fereastra meniului programului software EasySetUp
Înainte de selectarea uneia dintre opţiunile de mai sus, avem nevoie de stabilirea
comunicării cu dispozitivul cu care vrem să lucrăm. Folosim meniul Communication / Setup
pentru verificarea / schimbarea setărilor de comunicare cu calculatorul. Apăsăm butonul de
dialog Help. Aici putem găsi informaţii detaliate despre cum să setăm dispozitivul şi să
efectuăm conexiunile. Apăsăm butonul Power al dispozitivului, apoi închidem dialogul
Communication Setup cu OK. Dacă comunicarea se stabileşte, programul EasySetUp afişează
în bara de stare (linia de jos) textul ”Online” plus denumirea axelor dispozitivului/motorului şi
versiunea de program utilizată. Altfel textul afişat este ”Offline” şi un mesaj de eroare de
comunicare vã spune tipul de eroare apărut. În acest caz, ne întoarcem la dialogul
Communication Setup, apăsăm butonul Help şi verificăm problema ivită.
88
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
4.2.2. Iniţializarea dispozitivului/motorului
Apăsăm butonul New şi selectăm tipul dispozitivului.
Fig. 4.2. Fereastra de selectare a tipului dispozitivului din program
Selectarea continuă cu tehnologia motorului şi tipul dispozitivului de reacţie
(codificatorul de tip incremental).
Selectarea deschide două dialoguri de instalare: pentru Motor Setup şi pentru Drive
setup prin care putem configura şi parametriza dispozitivul Technosoft, plus câteva panouri de
control predefinite personalizate pentru produsul selectat.
89
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 4.3. Fereastra de selecţie a tehnologiei motorului şi tipului
dispozitivului de reacţie (codificatorul de tip incremental)
În dialogul Motor Setup putem introduce date despre motorul ales şi senzorii asociaţi
acestuia. Introducerea datelor este însoţită de o serie de teste având scop de verificare a
conexiunilor dispozitivului şi/sau de determinare sau validare a unei părţi a motorului şi
parametrilor senzorilor. În dialogul Drive setup putem configura şi parametriza dispozitivul
pentru aplicaţia dorită. În fiecare dialog vom găsi Guideline Assistant, care ne va îndruma
prin întreg procesul de prezentare şi/sau verificare a datelor. Închidem dialogul Drive setup cu
OK pentru a păstra toate schimbările în ceea ce priveşte motorul şi setarea dispozitivului.
4.2.3. Descărcarea datelor de instalare pentru dispozitiv/motor
Apăsăm butonul de Download to Drive/motor pentru a descărca datele
de instalare în memoria EPROM a dispozitivului/motorului în tabelul de instalare. De acum
90
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
înainte, la fiecare pornire, datele de instalare sunt copiate în memoria RAM a
dispozitivului/motorului care se întrebuinţează în timpul execuţiei. De asemenea, este posibil
să salvăm datele de instalare pe calculator, folosind butonul Save , şi utilizarea
lor în alte aplicaţii.
4.3. Schimbarea denumirii axelor dispozitivului
Denumirea axelor unui dispozitiv IPS110 se pot seta în două moduri:
Hardware (H/W) - corespunzând cu configuraţia articulaţiilor lipite în domeniu
1 până la 31 sau 255;
Software – orice valoare între 1 şi 255, memorată în tabelul de instalare.
Denumirea axelor este reiniţializată la punerea în funcţiune, folosind următorul
algoritm:
a) Dacă există un tabel de instalare valid, cu valoarea citită de la el. Aceastã valoare
poate fi un număr de axă de la 1 la 255 sau poate se indice că acea denumire de axă va fi
setată corespunzător cu selectarea unui comutator DIP.
b) Dacă tabelul de instalare este invalid, cu ultima valoare configurată în tabelul de
instalare valabil. Aceastã valoare poate fi un număr de axă de la 1 la 255 sau poate să indice
că acea denumire de axă va fi setată corespunzător cu selectarea unui comutator DIP.
c) Dacă nu există o denumire de axă setată de un tabel de instalare valid,
corespunzător cu configuraţia de articulaţie lipită.
91
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 4.4. Fereastra de schimbare a denumirii axelor dispozitivului
4.4. Configurarea frecvenţei magistralei CANbus
Dispozitivele IPS110 pot lucra cu următoarele frecvenţe ale CAN: 125 kHz, 250 kHz,
500 kHz, 1 MHz. În dialogul Drive Setup putem alege frecvenţa iniţială CAN după pornire.
Această informaţie este memorată în tabelul de instalare.
Frecvenţa CAN foloseşte următorul algoritm:
a) Dacă există un tabel de instalare valid, cu valoarea frecvenţei CAN citită. Aceasta
poate să fie oricare din frecvenţele suportate sau poate să indice valoarea implicită (F/W
default), care este 500kHz.
b) Dacă tabelul de instalare este invalid, cu ultima valoare a frecvenţei CAN setată de
un tabel de instalare valid. Aceasta poate fi din frecvenţele suportate sau poate să indice
valoarea implicită (F/W default).
c) Dacă nu este o valoare a frecvenţei CAN setată de un tabel de instalare valid, cu
valoarea implicită care este 500 kHz.
92
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 4.5. Fereastra de configurare a frecvenţei magistralei CANbus
4.5. Crearea unui fişier imagine cu ajutorul datelor de instalare
O dată validată instalarea, putem crea cu comanda din meniul Setup | Create EEPROM
Programmer un fişier software (cu extensia .sw) care conţine toate datele de instalare pentru a
fi înregistrate în memoria EEPROM a dispozitivului.
Un fişier software este un fişier de tip text care poate fi citit cu oricare editor de texte.
El conţine blocuri de date despărţite prin spaţii goale. Fiecare bloc de date începe cu o adresă
de start de bloc, urmată de valorile de date plasate în ordine crescătoare la adrese consecutive:
prima informaţie se scrie la adresa de start, a doua informaţie se scrie la adresa de start + 1,
etc. Toate datele sunt valorile hexazecimale pe 16 biţi (maxim 4 digiţi hexazecimali). Fiecare
rând conţine o singură valoare a informaţiei. Când mai puţin de 4 digiţi hexazecimali sunt
arătaţi, valoarea trebuie să fie justificată în mod corect. De exemplu 92 reprezintă 0x0092.
93
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fişierul cu extensia .sw poate fi programat în dispozitiv:
De la un dispozitiv master CANopen, folosind obiecte de comunicare pentru
datele scrise în memoria EEPROM;
De la o gazdă calculator sau PLC, folosind funcţiile TML_LIB pentru datele
scrise în memoria EEPROM;
Folosind unealta de programare EEPROM Programmer, care vine cu programul
EasySetUp, dar care poate fi instalat şi separat. EEPROM Programmer a fost în mod special
proiectat pentru rapiditate şi o programare uşoară de fişiere .sw în dispozitivele Technosoft.
94
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
95
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 5
ELEMENTE DE PROIECTARE
5.1. Dimensionarea circuitului de alimentare
Pentru alimentarea plăcii IPS110 este nevoie de o sursă de curent continuu cu
următorii parametrii electrici:
Tensiune de alimentare: V
Curent: A
96
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig. 5.1
5.1.1. Alegerea condensatorului de filtrare C1
Pentru determinarea condensatorului de filtrare impunem (riplul) căderea de tensiune
la trecerea prin 0 a tensiunii redresate nefiltrate maximă pentru tensiunea filtrată de 10 %
din valoarea maximă a tensiunii de alimentare:
V.
Fig. 5.2.
Pentru o perioadă de 10 ms şi un curent A, cantitatea de sarcină pe care
o cedează condensatorul este:
,
unde perioada de timp ms.
C.
Capacitatea de filtrare C1 prin definiţie este:
97
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
F
Se alege valoarea standard: F.
Rezultă: V
V
5.2. Dimensionarea transformatorului.
Conectarea circuitului de comandă se face cu ajutorul unui transformator cu
următoarele caracteristici:
- Secundarul: V, mA;
Se calculează curentul de sarcină prin secundarul transformatorului:
unde:
q - numărul de pulsuri pe o perioadă ;
A, reprezentând valoarea maximă a curentului de sursă.
mA
Se calculează puterea aparentă în secundar:
98
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
VA
Considerând randamentul transformatorului de 70 %, se calculează puterea aparentă in
primar:
VA
Se calculează puterea totală utilizând relaţia:
VA
Se alege secţiunea miezului: cm2.
Aleg tola tip E10 (fig. 4.13) cu următorii parametri:
mm, mm, mm, mm, mm, cm2, cm2.
Fig. 5.3. Tola tip E10
99
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Aleg inducţia: T.
Se determină numărul de spire din primar, respectiv în secundar din relaţia:
,
unde:
- tensiunea în primar V;
- tensiunea pe o semibobina secundarului, V;
- frecvenţa
Rezultă:
spire (în primar).
spire (secundar)
Se calculează raportul de transformare al transformatorului:
Se determină secţiunea conductoarelor:
Se determină cu relaţia:
,
unde:
J - densitatea de curent de valoare: A/mm2
I - valoarea curentului de sarcină (în primar, respectiv în secundar).
Se determină valoarea curentului de sarcină din primar:
mA;
mm2.
100
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Aleg pentru primar:
- secţiunea conductorului neizolat: 0,010 mm2;
- diametrul conductorului neizolat: 0,14 mm;
- rezistenţa la 100 m conductor la 100 0C: 118 .
Se determină secţiunea conductorului din secundar. Pentru determinarea secţiunii
conductorului secundarului folosim relaţia:
,
unde:
mA;
J – densitatea de curent A/mm2;
mm2
Aleg pentru primul secundar:
- secţiunea conductorului neizolat: 0,038 mm2;
- diametrul conductorului neizolat: 0,22 mm;
- rezistenţa a 100 m conductor la 100 0C: 45,7 .
Se calculează aria bobinei primare:
mm2,
- înălţimea bobinei primare:
,
unde: gc - grosimea suportului de bobinare =1,5
101
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
mm;
- grosimea bobinei primare:
mm.
Se calculează aria secundară:
mm2;
Se calculează aria tuturor bobinelor secundare:
mm2
- grosimea bobinei secundare:
mm
- grosimea totală a bobinajului:
mm
Se va verifica condiţia:
(A).
mm
Se va verifica condiţia:
(A).
102
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
CAPITOLUL 6
DATE EXPERIMENTALE
În acest capitol se prezintă câteva aplicaţii practice realizate cu o placa de dezvoltare
IPS- 110, realizată de firma TECHNOSOFT ce acţionează un motor de curent continuu în
diferite regimuri de funcţionare (reglare de viteză, de poziţie)
Pentru a realiza reglarea de poziţie, sistemul are nevoie de un traductor de poziţie
incremental, iar în cadrul proiectului am utilizat un traductor cu rezoluţia de 500 impulsuri pe
turaţie.
Softul de programare este EasyMotionStudio şi are două componente de programare şi
parametrizare SETUP (Fig 6.1 a şi MOTION (Fig 6.1 b)
103
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
6.2. SETUP
Modulul de programare SETUP este format din două componente MOTOR SETUP şi
DRIVER SETUP
În dialogul Motor Setup putem introduce date despre motorul ales şi senzorii asociaţi
acestuia. Introducerea datelor este însoţită de o serie de teste având scop de verificare a
conexiunilor dispozitivului şi/sau de determinare sau validare a unei părţi a motorului şi
parametrilor senzorilor.
În dialogul Drive setup putem configura şi parametriza sistemul de acţionare în funcţie
de aplicaţia dorită.
În cadrul acestei componente se stabilesc următoarele:
- Valoarea curentului la care să se realizeze protecţia de scurt circuit
- Valoarea curentului şi timpul la care să acţioneze protecţia la suprasarcină
- Acordarea regulatoarelor de curent, viteză, poziţie în funcţie de schema de
acţionare utilizată.
În fiecare dialog vom găsi Guideline Assistant, care ne va îndruma prin întreg procesul de
prezentare şi/sau verificare a datelor. Închidem dialogul Drive setup cu OK pentru a păstra
toate schimbările în ceea ce priveşte motorul şi setarea dispozitivului
104
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig.6.1 a
105
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig.6.1 b
Figura 6.2
În figura 5.2 este prezentat un model de acordare al regulatorului de curent.
- cu galben este reprezentat curentul prin motor
- cu roşu este reprezentat referinţa de curent
- cu albastru este reprezentat tensiunea de referinta.
106
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig.6.3a)
Fig.6.3b)
107
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
În figura 6.3 se prezintă principiul de acordare al regulatorului de poziţie din cadrul schemei
de acţionare al motorului de curent continuu . În figura a se prezintă cazul în care regulatorul
de poziţie este reglat corect ,iar în figura b un exemplu de reglare incorectă a
regulatorului(Kp are o valoare mult mai mică decât cea necesară)
Acest principiu de acordarea a regulatoarelor este util şi din punct de vedere didactic întrucât
ajută studentul pe de o parte să înţeleagă mai bine efectul pe care îl are un regulator acordat
necorespunzător într-un sistem de acţionare, pe de altă parte să vizualizeze semnalele ce
caracterizează funcţionarea regulatorului.
Programul permite şi vizualizarea variaţiei diferitelor mărimi prin intermediul
interfeţei LOGGER.
108
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 6.4
În figura 6.4 se prezintă schema de acţionare după care funcţionează placa IPS 110 pentru
reglarea în buclă închisă a motorului
109
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 6.5
În figura 6.5este prezentată modalitatea de a alege tipul de referinţă externă:analog sau digital.
110
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 6.6
În figura 6.6 se prezintă datele obţinute pentru funcţionarea programului cu următoarele date:
În sens direct viteza de 1000rpm, 10 rotaţii
În sens invers viteza de 100rpm, 2 rotaţii
Graficele ilustrează poziţia motorului respectiv viteza acestuia
111
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 6.7
În figura 6.7 se ilustrează aceleaşi semnale având modificată doar acceleraţia/deceleraţia.
motorului.
112
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
113
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
114
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 1
În figura 1 se prezintă un exemplu de program realizat cu motorul de curent continuu care execută două rotaţii intr-un sens şi două rotaţii în sens invers. Pentru aceasta s-a realizat o buclă în care programul rulează până se generează o cerere de întrerupere. O rutină (figura 2) de întrerupere rezolvă condiţia de mişcare a motorului într-un sens iar cealaltă rutină rezolva condiţia de mişcare în sens invers(figura3).
115
Viteza declarată
Numărul de rotaţii într-un sens
Declarare buclă
Numărul de rotaţii în sens invers
Generare întrerupere
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 2
116
Nivelul acceleraţiei
Viteza declarată
Numărul de rotaţii
Întreruperea
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Figura 3Concluzii:
Cu ajutorul sistemului de acţionare studiat se pot realiza automatizări cu performanţe ridicate si preţ de cost relativ scăzut.
Programarea sistemului de acţionare nu necesită cunoştinţe avansate de programare.Întrucât sistemul are traductor de pozitie se pot realiza atât reglări de viteză cât şi poziţionări de mare precizie.
Componenta motion din cadrul programului Easy Soft este independentă de componenta setup, de aici rezultă avantajul că aceeaşi componentă motion poate fi utilizată pentru diferite tipuri de motoare.
Placa IPS 110 poate comanda atât motoare de curent continuu cât şi motoare pas cu pas.
Programul oferă raspunsul regulatorului acordat astfel putând analiza cât de bine a fost acordat acesta.
117
Nivelul acceleraţiei
Valoarea vitezei
Numărul de rotaţii în sens invers
Linia de program care generează întreruperea
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Capitolul 7
Norme de tehnica securitaţii si protecţia muncii.
Protecţia muncii este un ansamblu de măsuri tehnice , sanitare şi organizatorice ,
având ca scop ocrotirea vieţii şi sănătăţii celor ce muncesc în timpul procesului de producţie şi
asigurarea unor condiţii optime de muncă . În ţara noastră statul acordă o deosebită atenţie
creării la locul de muncă a unor condiţii ne- periculoase , care să asigure deplina securitate a
muncii. Spre deosebire de cele mai mari tipuri de instalaţii , la care pericolele posibile sunt
sesizate de simţurile omeneşti , la instalaţiile electrice , tensiunea electrică nu poate fii astfel
sesizată , pentru ca omul să fie prevenit asupra pericolului posibil .
Efectul curentului electric asupra corpului omenesc :
În cazul în care omul atinge simultan două corpuri bune conductoare de
electricitate între care există o diferenţă de potenţial electric de exemplu , două
conductoare electrice neizolate, corpul său va fi străbătut de un curent electric , accident
care se numeşte electrocutare.
Electrocutarea poate avea loc prin atingerea directă a părţilor din circuitele electrice ,
sau prin atingerea indirectă , adică atingerea unei părţi metalice care nu face parte din circuitul
electric , dar este pusa accidental sub tensiune , de exemplu carcasa unui motor electric cu
izolaţia înfăşurării deteriorată .
Tensiunea la care este supus omul la atingerea unui obiect intrat accidental sub
tensiune este numită tensiune de atingere .
Efectele trecerii curentului electric prin corpul omului sunt : şocul electric şi
electrotraumatismele .118
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Şocul electric – când valoarea curentului ce străbate corpul este sub 1 mA , omul nu
simte trecerea acestuia .
La valori mai mari, până la 10 mA , au loc comoţii nervoase la mâinile şi picioarele
prin care trece curentul ; se manifestă contracţii ale muşchilor de la mâini , astfel omul se
desprinde cu efort de obiectul aflat sub tensiune . Accidentul poate fi însoţit de acţiuni
necontrolate de apărare , care pot conduce la dezechilibrarea şi căderea omului de la înălţime .
Peste 10 mA , omul nu se mai poate desprinde singur de obiectul aflat sub tensiune şi
se poate produce şocul electric , curentul putând acţiona asupra sistemului nervos sau inimii.
Acţiunea curentului electric asupra sistemului nervos poate avea ca efecte mai grave
oprirea respiraţiei .
Electrotraumatismele sunt cauzate de arcurile electrice care pot apărea , de exemplu,
scurtcircuitarea accidentală a circuitelor electrice . Ele pot provoca orbirea , metalizarea pielii
sau arsuri care pot distruge pielea , muşchii sau chiar oasele . Dacă arsurile se produc pe o
suprafaţă mare sau ating organele vitale , pot provoca moartea accidentatului.
Factorii de care depinde gravitatea electrocutării sunt:
-Rezistenţa electrică a corpului omului . Ea poate fi considerată egală în medie cu 1000
şi depinde în cea mai mare măsură de starea pielii. Când stratul cornos al pielii este intact şi
uscat, rezistenţa corpului omenesc poate avea valori mult mai mari.
Când pielea este umedă sau reprezintă , rezistenţa corpului omenesc poate scădea până la
200.
Calea de trecere a curentului prin corp
Accidentul este mai periculos dacă în circuitul electric stabilit intră inima (mână-mână) ; sau
(mână-picior) sau locuri de mare sensibilitate nervoasă (încheietura mâinii , ceafa , gâtul,
talpa. etc . )
-Intensitatea curentului electric care trece prin corp . Limita maximă a curenţilor
nepericuloşi se consideră de 10 mA în curent alternativ şi 50 mA în curent continuu .
119
a) b) c)
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Fig.5.1
-Frecvenţa curentului electric
Curentul continuu este mai puţin periculos decât curentul alternativ. Curentul
alternativ cu frecvenţa între 10 şi 100 Hz este cel mai periculos în ce priveşte producerea de
excitaţii. La frecvenţe foarte mari nu există efecte de excitaţii periculoase , chiar la intensităţi
foarte mari. Aceste frecvenţe (circa 500.000 Hz ) sunt folosite la unele aparate
electromedicale .
-Durata de acţiune
Cu cât această durată este mai mare, cu atât pericolul de fibrilaţie a inimii este mai
mare . Dacă timpul este foarte scurt , de ordinul miimilor de secundă , nu se produce fibrilaţia
Practic se consideră că un accident poate fi mortal , dacă durata de acţiune a curentului
depăşeşte 0,1 s .
Protecţia împotriva electrocutării
Clasificarea locurilor de muncă şi a măsurilor de protecţie a muncii:
La alegerea măsurilor pentru protecţia împotriva electrocutărilor se au în vedere
caracteristicile locurilor de muncă :acesta se clasifică în două categorii, în funcţie de gradul de
pericol;
-locurile de muncă foarte periculoase , în care există cel puţin unul din următorii
factori: umiditatea aerului de peste 97% , medii corozive ,obiecte conductoare în legătură
electrică cu pământul care ocupă o suprafaţă mai mare de 60% în zona de manipulare
-locurile de muncă periculoase, în care există cel puţin unul dintre factorii:
120
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Protecţia împotriva electrocutărilor prin atingere directă :
Principalele măsuri pentru evitarea electrocutărilor prin atingere directă involuntară sunt:
-protecţia şi construirea instalaţiilor şi echipamentelor electrice astfel încât elementele
aflate normal sub tensiune (conductoare,borne,bare ) să nu poată fi atinse întâmplător,iar
producerea unor arcuri electrice să nu poată da loc la arsuri . Pentru aceasta se folosesc
închiderea în carcase de protecţie împotriva atingerii, izolarea electrică a elementelor sub
tensiune,amplasarea conducătoarelor la înălţimi inaccesibile atingerii întâmplătoare ,
îngrădirii care să nu permită trecerea persoanelor spre elementele aflate sub tensiune , blocări
electrice şi mecanice în instalaţie ;
- folosirea unor padoseli din materiale izolante ;
- folosirea unor tensiuni reduse.
Protecţia împotriva electrocutării prin atingere indirectă :
Pentru evitarea electrocutării prin atingerea unor elemente aflate accidental sub
tensiune se iau una sau cel mult două dintre următoarele măsuri :
Legarea la nul constituie o măsură principală de protecţie pentru utilajele fixe sau
mobile , alimentate de la reţele cu nul , care au punctul neutru al sursei de alimentare legat la
pământ. Carcasele metalice ale echipamentelor electrice sunt legate printr-un conductor de
secţiune suficient de mare , la conductorul de nul de protecţie.
Dacă are loc un efect, de exemplu, străpungerea izolaţiei între o fază şi carcasă, are loc
practic un scurtcircuit între fază şi conductorul de nul de protecţie. Curentul de scurtcircuit
este mare, topeşte fuzibilul siguranţei sau determină deconectarea întreruptorului automat care
protejează circuitul respectiv , scoţând astfel de sub tensiune carcasa . Până la declanşarea sau
topirea fuzibilului , tensiunea de atingere a carcasei este menţinută la valori ne periculoase.
Pentru realizarea unei protecţii corecte prin legarea la nul trebuie să se respecte în
principal , următoarele condiţii:
- legarea suplimentară la pământ a anumitor puncte al reţelei de nul pentru a se evita pericolul
ce s-ar ivi prin întreruperea reţelei de nul de protecţie . În cazul unei astfel de întrerupere ,
toate carcasele echipamentele legate la nul pe partea întreruptă ar rămâne fără protecţie .Cele
mai importante puncte care trebuie legate la pământ sunt tablourile de distribuţie , iar în cazul
121
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
linilor aeriene , toate punctele de ramificare capetele linilor şi puncte de traseu la distanţe de
maxim 1 km ;
-separarea nulului de protecţie de nulul de lucru . De la ultimul tablou de distribuţie în
sensul transportului de energie (tabloul care are borna de nul legată la pământ ) şi până la
echipamentele protejate , nulul de protecţie nu poate fi folosit şi drept nul de lucru .
-evitarea pericolului ce ar apărea prin inversarea rolului conductoarelor (inversarea
unui conductor de fază sau nulului de lucru cu conductorul de protecţie );
-la instalaţi alimentare de la aceeaşi sursă este interzis să se folosească pentru o parte
a instalaţiilor protecţie prin legare la nul , iar pentru altă parte , protecţia prin legare în pământ
deoarece pot apărea tensiuni de atingere periculoase la instalaţiile legat la nul .
Fig.7.2
122
Tablou de distribuţie
TSR
Nul de lucru
Nul de protecţie
1 2
1-receptor monofazat; 2-receptor trifazat
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
Legarea la pământ(fig.7.2) constituie o măsură principală de protecţie pentru utilajele
şi aparatele fixe sau mobile , mai ales a celor alimentate de reţele izolate faţă de pământ . Se
poate folosi ca mijloc suplimentar de protecţie în instalaţiile de protecţie prin legarea la nul .
Carcasele metalice ale echipamentelor electrice sunt legate printr-un conductor de legare la
pământ la o priză de pământ . Curentul de defect se închide prin rezistenţa izolaţiei reţelei faţă
de pământ şi în cea mai mare parte prin instalaţia de legare la pământ , iar tensiunea de
atingere rămâne nepericuloasă . Ea este cu atât mai mică , cu cât rezistenţa instalaţiei de
legare la pământ este mai mică .
Separarea de protecţie are ca scop alimentarea receptorului cu un circuit izolat faţă de
pământ şi separat (izolat ) faţă de reţea . Se realizează cu ajutorul unui transformator de
separare , care alimentează un singur receptor .
În cazul unui defect , curentul care se închide prin om este foarte mic , deoarece
trebuie să se închidă prin izolaţia circuitului de alimentare .Izolaţia cablurilor de alimentare
trebuie însă să fie totdeauna în stare bună .
Norme specifice atelierelor si laboratoarelor de lucru.
1. Fiecare om al muncii este obligat ca, înainte de folosirea mijloacelor individuale de
protecţie, să verifice lipsa defectelor exterioare, curăţenia lor, marcarea tensiunii la care este
permisă utilizarea precum şi dacă nu s-a depăşit termenul de menţinere a caracteristicilor
electrice.
2. Amestecul acizilor se face turnând pe cel mai concentrat în cel mai diluat;
3. La exploatarea băilor cu conţinut acid se va evita contactul soluţiilor cu pielea;
4. Comenzile de pornire şi oprire a lucrărilor se vor face de către şeful de lucrare, şi tot el
va conduce probele;
5. Cablurile mobile de legătură se vor controla înainte de punerea sub tensiune;
6. Este interzisă modificarea montajelor electrice aflate sub tensiune;
7. Se interzice atingerea legăturilor neizolate chiar dacă acestea sunt alimentate la tensiuni
joase;
8. Cositorirea şi lipirea se fac în locuri special amenajate şi prevăzute cu sisteme de
ventilaţie corespunzătoare;
123
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
9. Toate sculele electrice portabile folosite la lipire vor fi alimentate la o tensiune de sub
24V, iar în locurile periculoase din punct de vedere al electrocutării alimentarea se va face
la 12V;
10. Aparatele electrice şi dispozitivele auxiliare sa fie alimentate la o tensiune
corespunzătoare şi să aibă prize cu împământare.
Factori de care depinde gravitatea electrocutarii:
1. Rezistenţa electrică a corpului omenesc. Rezistenţa medie a corpului
(pielea este singurul organ izolator) este de 1000 şi poate avea valori
mai mari pentru o piele uscate sau valori mult mai mici (200 ) pentru o
piele udă sau rănită.
2. Frecvenţa curentului electric. Curentul alternativ cu frecvenţe între 10-
100Hz este cel mai periculos. La frecvenţe de circa 500.000Hz excitaţiile
nu sunt periculoase chiar pentru intensităţi mai mari ale curentului
electric;
3. Durata de acţiune a curentului electric. Dacă durata de acţiune a
curentului electric este mai mică de 0,01 efectul nu este periculos;
4. Calea de trecere a curentului prin corp. Cele mai periculoase situaţii sunt
cele în care curentul electric trece printr-un circuit în care intră şi inima
sau locuri de mare sensibilitate nervoasă (ceafa, tâmpla etc.) ;
5. Valorile curenţilor care produc electrocutarea. Acestea se pot calcula
simplu cu legea lui Ohm: unde R este suma rezistenţelor din
circuit. -valoarea limită a curenţilor nepericuloşi sunt 10mA curent
alternativ şi 50mA curent continuu.
Efectele trecerii curentului electric prin corpul omenesc se pot grupa în:
Electroşocuri şi electrotraumatisme. Când valoarea intensităţii curentului
electric este mai mică de 1mA, nu se simte efectul şocului electric. La valori mai mari de
10mA curent alternativ se produc comoţii nervoase în membre; contracţiile muşchilor fac ca
desprinderea omului de obiectul aflat sub tensiune să se facă greu. Peste valoarea de 10mA se
produce fibrilaţia inimii şi oprirea respiraţiei. Electrotraumatismele se datorează efectului
termic al curentului electric şi pot provoca orbirea, arsuri.
124
Studiul comenzii unui motor de curent continuu utilizând sistemul inteligent de acţionare IPS 110
BIBLIOGRAFIE
1. Ardelean, I., Giuroiu, H., Petrescu, L.L., Circuite integrate CMOS. Manual
de utilizare,Editura Tehnica,Bucuresti,1986
2. Kelemen, A., Imecs, M., Electronica de putere,Editura Didactica si
Pedagogica, Bucuresti, 1983
3. *** I.P.A Bucureşti, Echipamente modulare cu semiconductoare de putere,
Vol. I – proiectare,Bucureşti,1972
4. Lăzăroiu,D.F.,Maşini electrice de mică putere,ET,Bucureşti,1973
5. Nicolau,E., Mariana,B., Măsurări electrice şi electronice.Editura Didactica şi
Pedagogică,Bucureşti,1984
6. www.wikipedia.com
7. www.microchip.com
8. www.technosoft.com
125