UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTI

Facultatea de Inginerie Electrica

LUCRARE DE LICENTA

Modernizarea instalatiei electrice a macaralei turn de fabricatie romaneasca tip MTA125

Student: Coordonator stiintific:

Cristian Corban prof. dr. ing. Vlaicu Constantin

Promotia 2009

Cap 1. Notiuni generale despre macarale

1.1 Generalitati

Macaralele sunt utilajele din categoria instalatiilor de ridicat si manipulat cu cea mai mare

raspandire in toate domeniile de activitate. Subansamblul constructiv esential al oricarei

macarale este mecanismul de ridicare al sarcinii(troliul de sarcina).

Exista o gama foarte variata de macarale adaptate la multiple destinatii(platforme

petroliere,hale si fabrici industriale,santiere,etc ). Cele mai intalnite solutii de actionare ale

macaralelor sunt actionarea hidraulica(motor primar diesel) si actionarea electrica(macarale

turn si poduri rulante).

Pe santierele de constructii se utilizeaza cu precadere macaralele turn cu brat orizontal(MTO)

ale carei elemente constructive pot fii vazute schematic in fig. 1a.

Fig.1a

1-sina cale rulare macara;2- boghiu translatie macara;3-lesturi baza sasiu macara;4-tronson de

baza turn macara;5-tiranti tronson baza;6-reductor mecanism rotire;7-motor mecanism rotire;8-

coroana dintata rotire;9-ansamblu rotire macara;10tronson varf macara;11-tirant brat;12-tirant

contrabrat;13-contragreutati;14-mufla cu carlig.

Dpdv mecanic si al ipotezelor de cacul simplificat din Rezistenta materialelor MTO este un

cadru metalic in T incastrat in sol intr-un singur punct, diagrama fortelor taietoare(diagrama

T),axiale de compresiune(diagrama N) a turnului si momentului incovoietor al structurii

metalice(diagrama M) putand fii vazute in fig.1b.

Pentru prevenirea accidentelor si functionarea normala a utilajului,orice MTO este prevazuta

cu urmatoarele sisteme de siguranta:

a) limitatorul de sarcina maxima(LSM). Acesta este reglat la montajul si punerea in

functiune a macaralei pentru a intrerupe circuitul electric de comanda al ridicarii sarcinii daca

greutatea acesteia depasaste cu minim 10% sarcina nominala pentru care a fost proiectat troliu de

ridicare al macaralei. Exista mai multe solutii constructive de LSM, dintre care se exemplifica:

-LSM cu inel dinamometric- Potain(Franta) fig 2a. Functionarea se bazeaza pe ovalizarea

inelului dinamometric 10 sub actiunea sarcinii reprezentata de forta F. Astfel are loc deplasarea

ecliselor elastice 11,surupurile de reglaj 1,3,5si 8 atacand switchurile 2,4,6 si 7.

Fig.2

-LSM cu arc elicoidal Comansa(Spania), Saez(Spania) fig 2b . Functionarea sa se bazeaza pe

deformarea resortului elastic 3. Tija de tractiune 1 se deplaseaza in sensul sagetii,tija de actionare 7

atacand astfel prin camele de reglaj 4 si 5 switchurile 2,4,6 si 7.

De observat faptul ca uzual LSM are mai mult de un contact electric. Astfel pot fii reglate

mai multe sarcini maxime pentru treptele de viteza ale troliului.

b)limitatorul de moment maxim(LMM). Acesta intrerupe simultan comenzile electrice

ridicare sarcina si carut inainte pe brat cand momentul generat de sarcina ridicata/transportata de

macara il depaseste pe cel nominal al bratului macaralei. Schema lui de functionare cat si constructia

sa,adoptata in unanimitate de aproape toti producatorii mondiali de macarale poate fii vazuta in fig

3,modul sau de functionare fiind dedus daca se consulta fig 1a, unde se vede amplasamentul sau pe o

macara

.

Fig.3

Pe bara oblica dupa varful macaralei(fig 1a) sunt sudate capetele fixe 4(fig 3). Sub actiunea sarcinii

varful macaralei se comprima elastic ,deformandu-se astfel conturul format din eclisele elastice 7(se

umfla spre exterior ). Astfel switchurile A si D,aflate pe suportul 5 ,sunt atacate de surupurile 2 cu

contrapiulitele 1,ansamblu ce constituie elementul de reglaj al LMM.

c)limitatorul fine cursa(LFC). El intrerupe comanda electrica de miscare a mecanismului pe

care il deserveste cand acesta isi epuizeaza cursa intr-un anumit sens. Indiferent de mecanismul pe

care il deserveste acesta este antrenat de mecanismul respectiv printr-un cuplaj mecanic(fig 4).

Fig.4

LFC au 4 contacte electrice ,cate doua pentru fiecare sens. Unul din switchuri limiteaza vitezele mari

in apropierea punctului extrem,anume switchurile actionate de camele 3, in timp ce celalat, anume

cele antrenate de camele 1 limiteaza ultimul in extreme pentru o oprire sigura si precisa in locul

reglat. LFC mai este prevazut si cu potentiometrul 4,care lucreaza ca traductor de deplasare(pentru

pozitie carucior pe brat,unghi rotire sau inaltime carlig). Intreg ansamblu este inchis etans cu un

capac prins de prezoanele 6. LFC este antrenat de axul 5(prevazut cu gaura de stift) cu turatia n. LFC

se regleaza din surupurile de reglaj 7,care modifica pozitia camelor pe ax. La unele LFC axul 5 poate

fii montat pentru o pozitie convenabila in lagarul 7. Toti producatorii actuali de macarale adopta in

unanimitate si standardizat aceasta constructie de LFC.

1.2 .Solutii de actionare electrica utilizate pe macarale

La actionarea electrica a macaralelor,exclusivitatea apartine motoarelor asincrone trifazate cu rotorul

bobinat - MASb(in trecut) si scurtcircuit - MASc(in trecut si in prezent). Actionarile electrice

reglabile pentru macarale au fost problematice in trecut deoarece nu toate metodele de reglare au

putut fii aplicate pe motiv de cuplu al motorului asincron . Solutiile de comanda si reglare ale MAS

aplicate la actionarea macaralelor in ordine cronologica sunt prezentate mai jos sub forma lor

principiala, studiul punerii lor in practica facandu-se in capitolul urmator pe diferite macarale de la

mai multi producatori(Liebherr-Germania;Potain-Franta;San Marco-Canada;Comansa,Jaso,Saez-

Spania,etc)

1)MASb cu rezistente rotorice si relantizor. Pornirea MAS cu reostat in trepte in circuitul rotoric

limiteaza varfurile de curent la pornire si mareste cuplul motorului la turatii mici prin marirea

alunecarii critice sm. Astfel din proiectare se stabileste numarul n de trepte de turatie dorite,rezultand

astfel un reostat cu n trepte de reglare,motorul functionand pe (n-1) caracteristici

electromecanice(cem) artificiale,ultima treapta de viteza fiind pe cem naturala . Astfel cunoscand pe

treapta i turatia dorita ni, cuplu de sarcina M si pe cel critic al motorului Mm se calculeaza cu formula

lui Kloss valoarea treptelor reostatului rotoric. Fiind vorba de un motor care are la ax un cuplu tip

potential (cazul mecanismului de sarcina),intre varfurile de curent si cuplu la ax primeaza criteriul

cuplului la ax la calculul reostatului rotoric, instalatia de forta fiind dimensionata corespunzator

pentru a face fata varfurilor de curent(oricum atenuate de reostat) absorbit de motor la comutarea pe

o treapta superioara. La mecanismul de rotire calculul reostatului rotoric se face luand in considerare

niste cupluri in punctele de functionare dorite care sa fie convenabile dpdv electromecanic pentru

mecanism,urmarindu-se in special o plecare dupa loc si o accelerare lina si fara socuri a rotirii

macaralei. Calculul reostatului rotoric se face considerand la axul motorului cuplu nominal,situatie

in care fermitatea treptelor de turatie este asigurata. Insa macaraua nu ridica mereu sarcina

nominala,de cele mai multe ori ridicand greutati de 20-30% din sarcina nominala. Astfel punctele de

functionare pe familia de cem urca in stanga,efectul de reglare al reostatului devenind neglijabil la

sarcini mici. De aceea apare necesitatea incarcarii motorului cu un cuplu artificial in acest scop

,cuplu creat prin inductie electromagnetica de o frana electrodinamica(relantizor) exitata in cc si

antrenata de motor . Infasurarea de exitatie a relantizorului este fixa pe palierul motorului in timp ce

oala de otel feromagnetic a lui se roteste in campul de exitatie al sau,luand nastere astfel cuplu

electrodinamic Med. Exemplificarea principiala a solutiei de reglare este aratata in fig 5.

Fig.5

Aparatajul de forta,comanda si protectie al actionarii este centralizat in tabloul de forta si comanda.

Treptele reostatului rotoric Rr(cu sectiile sale Rr1-Rr3) sunt suntate de contactorii Kr1-Kr3. Tot din

tabloul electric este exitat si relantizorul FED si primeste comanda si frana electromagnetica dupa

axul motorului FEM. Comenzile sunt date de operator de la pupitru de comada,unde fiecare contact

corespunde unei trepte de viteza. Punctele de functionare la cuplu electrodinamic constant si

caracteristicele electromecanice obtinute se observa in graficul atasat figurii. Daca relantizorul nu

este saturat,cuplu sau electrodinamic este liniar in raport cu curentul sau de exitatie(Med=Kr*Ier*n).

De aici rezulta ca la comutarea pe o trepta superioara de viteza curentul de exitatie al acestuia trebuie

redus corespunzator pentru a mentine Med=const.

Bilantul energetic al actionarii este aratat in fig 6.

Fig.6f

Fig.6

Reglarea se face cu pierderi mari de putere electrica in circuitul rotoric(sP),cat si la axul motorului

pe relantizor. La sarcini mici pierderile pot fii chiar si 80% din puterea absorbita de motor de la

retea(aceasta fiind constanta si egala cu puterea nominala a motorului). Aceasta solutie de reglare

numai este utilizata in prezent,ea fiind inca intalnita la macaralele vechi,pe mecanismele de sarcina

si rotire.

2)MASc cu modificare de numar de perechi de poli statorice. Motoarele utilizate sunt cu rotor in

scurtcircuit,deoarece colivia rotorica isi modifica automat numarul de poli la schimbarea numarului

de poli statorici. Fata de prima metoda schemele sunt mult mai simple iar treptele de turatie sunt

ferme,fiind fixate de turatia campul electromagnetic invartitor al motorului. Schema se utilizeaza la

mecanismele de sarcina(MS) si translatie ale caruciorului(MTC). De obicei troliile cu astfel de

motoare au 2,cel mult 3 trepte de viteza. Sunt uzuale 2 solutii:

-stator cu 3 infasurari separate cu numere diferite de poli(fig 7a Potain Franta).

Fig.7a

In tabloul electric al macaralei se afla intreruptorul automat al motorului LDi,contactorii de sens

LH(ridicare sarcina) si LDe(coborare sarcina) si contactorii de linie ai celor 3 infasurari separate:

LMv(viteza mica),LPv(viteza medie),LGv(viteza mare). Motorul de actionare al mecanismului de

sarcina LM are incorporate frana electromagnetica LFa. Circuitele de comanda ale actionarii

electrice sunt astfel concepute incat contactorii de linie ai vitezelor sa fie interblocati

reciproc,neexistand pericolul ca motorul sa lucreze in 2 viteze simultan. Rezulta ca in timpul

functionarii normale frana electromagnetica este actionata,pe forta motorului fiind cuplat contactorul

de linie afferent vitezei dorite si cel de sens aferent directiei de miscare dorite.

-stator cu 2 infasurari separate: una pentru microviteza iar a doua tip Dahlander(/YY) pentru

vitezele mijlocie si mare(fig 7b-Comansa Spania).

Fig.7b

In tabloul electric al macaralei se afla aparatajul de forta al actionarii:

-intreruptoarele termomagnetice MTE/MTFE ale motorului de actionare,respectiv al franei

electromagnetice trifazice(FME).

-contactorii de sens S(ridicare) si B(coborare),contactorul de linie FE al franei electromagnetice

trifazice ,precum si contactorul de linie PV al infasurarii separate de viteza mica.

- viteza medie si mare se obtin cu a doua infasurare separate tip Dahlander. Pentru viteza medie a

mecanismului(care corespunde cu viteza mica a infasurarii), cupleaza contactorul de linie L,ceilalti

doi contactori (R si R1 ) fiind decuplati. Astfel infasurarea statorica a motorului este conectata in

triunghi. Pentru viteza mare a mecanismului va decupla contactorul L si vor cupla contactorii

R1(conexiune YY) si R(contactor de linie viteza mare).

Schema Dahlander D/YY este o schema la putere constanta,de unde rezulta faptul ca la viteza

mare sarcina ridicata va fii jumatate din sarcina ridicata la viteza medie si mica. Acest deziderat va

fii indeplinit prin reglarea corespunzatoare a switchurilor auxiliare al LSM. Utilizarea schemei

Dahlander Y/YY,care este la cuplu constant este nejustificata economic la macarale datorita faptului

ca de regula sarcinile ridicate sunt in peste 70% din serviciu sub 50% din nominal. In schemele de

comanda se acorda o deosebita importanta interblocarii contactorilor L si R1,pentru a evita in situatii

de avarie scutcicuite in schema de forta.

Aceasta schema este mai complexa decat cea cu 3 infasurari separate,dar are in schimb avantajul

ca motorul este mai ieftin datorita consumului de cupru si gabaritului,care sunt mai

mici,deoarece in loc de 3 infasurari avem doar doua.

3)actionare cu MASc cuplat cu relantizor si alimentat de la un VTA(fig 8).

fig.8

Pe cem naturala efectul relantizorului ar fii neglijabil datorita duritatii sale. Alimentand MAS de

la un VTA se realizeaza cem artificiale moi,cuplul MAS reducandu-se proportional cu patratul

tensiunii de alimentare,ajungandu-se astfel in situatii convenabile stabilite prin calcule

electromecanice in care rezulta o actionare electrica reglabila performanta. Din motive de cuplu

aceasta solutie de actionare electrica este aplicata doar la mecanismele de rotire ale macaralelor.

MAS avand cuplu redus performantele electromecanice obtinute sunt excelente,rotirea macaralei

demarand fara socuri mecanice.

Schema de forta a unei astfel de actionari se poate vedea in fig 8. Sensul de rotatie al motorului

MG este stabilit prin contactorii de sens GI(rotire stanga) si GD(rotire dreapta) in timp ce tensiunea

aplicata motorului este cea de la iesirea VTA-ului BPR10. Comanda mecanismului de rotire este

facuta de blocul electronic BCR30,care primeste comenzile de la pupitru de comanda. BCR30

stabileste trepta de tensiune a lui BPR10,sensul de rotire al macaralei,precum si tensiunea de exitatie

a relantizorului RAG,totul functie de comenzile date de la pupitru. Franarea/defranarea rotirii o face

frana electromagnetica trifazata cu discuri-ferodou FMG,iar motorul este ventilat fortat de

ventilatorul MVG.

Caracteristicile electromecanice(cem) obtinute pentru cele 3 trepte de viteza ale mecanismului

sunt aratate impreuna cu bilantul energetic in fig.9

Fig.9

Functionarea motorului este inrautatita de regimul nesinusoidal dat de tensiunea de la iesirea

VTA-ului,lucru care produce pierderi Joule suplimentare in motor. Lipsa reostatului rotoric face ca

pierderile de alunecare (sP) sa fie concentrate in rotorul motorului,impunandu-se necesitatea

ventilatiei fortate la astfel de actionari electrice.

Per ansamblu reglarea se face cu pierderi mari,bilantul energetic fiind aproximativ acelasi ca la

MASb,deoarece ambele metode de reglare folosesc modificarea alunecarii motorului.

4)actionare cu MASc alimentat de la un convertizor de frecventa PWM. Este actionarea utilizata

in prezent de toti fabricantii de macarale,tendinta actuala fiind de a inlocui celelalte solutii de

actionare. Turatia motorului este modificata prin modificarea frecventei de alimentare a sa de catre

convertizor. Convertizorul VF3(fig. 10) este alimentat la tensiunea retelei.

Fig.10

Treptele de viteza si sensul de rotatie al motorului sunt stabilite de intrarile digitale S1-S7,alimentate

la standardul de tensiune intern SC al convertizorului prin releele intermediare LO,VI,CV,CV1.

Convertizorul este asistat si comandat de sistem cu microprocesor(DSP). Interfata de comanda a

unui convertizor de frecventa cuprinde intrari/iesiri digitale si analogice,putand astfel sa fie

configurata intr-o gama foarte larga de situatii. La motoarele de puteri mai mari si cupluri de

decelerare mari in circuitul intermediar de cc poate fii conectata o rezistenta de franare(terminalele

B1-B2),care la convertizoarele mici(sub 2.2 kw) este inclusa in convertizor. Dintre cele doua

strategii de comanda,cea scalara(U/f=const) este folosita in bucla deschisa la mecanismele de rotire

si translatie al caruciorului. La mecanismul de sarcina,conform Directivelor Europene in domeniu

toti producatorii de macarale folosesc strategia de comanda vectoriala in bucla inchisa cu encoder

incremental sau in bucla deschisa dar cu sistem de supraveghere a actionarii prin masurarea turatiei.

Progresele din ultimii ani in electronica de putere,care au facut-o accesibila tuturor aplicatiilor

industriale prin scaderea pretului convertoarelor statice a revolutionat actionarile electrice ale

macaralelor,printre avantajele lor fiind:

-reglarea se face prin modificarea frecventei de alimentare,deci fara pierderi energetice.

Pierderile suplimentare produse de armonicile curentului nesinusoidal din motor sunt mult mai mici

decat pierderile Joule rotorice aferente metodelor 1) si 3).

-siguranta in exploatare a macaralei creste considerabil. Inainte de fiecare pornire convertizorul

de frecventa injecteaza microcurenti de test in circuitul de forta,verificand astfel starea

motorului(parametric R,L pe care ii compara cu cei obtinuti la autotuning). De remarcat (fig. 10) ca

comanda franei electromagnetice este data tot de convertizor prin iesirea digitala-releu MA-MC.

Astfel nu mai sunt posibile situatii periculoase ce puteau aparea in schemele clasice de comanda.

-dispare armata de contactori si relee electromagnetice din schemele clasice,ceea ce este un

plus in fiabilitatea actionarii.

-parametrii de baza ai actionarii(viteze de lucru,timpi de accelerare/decelerare,alte functii

suplimentare) sunt configurabili din panoul frontal al convertizorului printr-o interfata simpla si

prietenoasa cu utilizatorul. Astfel optimizarea actionarii devine mai accesibila si poate fii realizata la

un nivel avansat.

-o astfel de actionare electrica este cel mai simplu de implementat,nefiind necesare calcule

complicate. Conditia suficienta este ca puterea convertizorului nostru sa fie minim egala cu puterea

motorului pe care il avem pe macara,convertizorul avand implementat in sistemul sau de comanda

strategiile de comanda scalara si vectoriala aferente,atat in bucla deschisa(sensorless-open loop

vector,lucru posibil datorita estimatorului de stare Luenberger implementat in convertizor),cat si in

bucla inchisa(close loop vector).

-convertizoarele de frecventa se preteaza in sisteme computerizate de comanda si conducere

ale macaralelor.

Cap 2. Studiu de caz pe macarale existente in exploatare

In Cap 1 s-a realizat o descriere generala a macaralelor,cu prezentarea principiala a solutiilor de

actionare electrica si a sistemelor de siguranta. In prezentul capitol se va trece la studiul si

examinarea modului in care cele descries in Cap 1 sunt implementate concret pe macarale aflate in

exploatare,ideile generale din capitolul anterior fiind acum dezvoltate pe exemple concrete.

Vor fii prezentate macarale in ordinea cronologica a fabricatiei lor. Se vor prezenta in special

macarale Liebherr(Germania)-nr 1 mondial in domeniu si Potain(Franta)-nr 2 mondial in

domeniu,dar nr 1 in vanzari,datorita unui raport excelent calitate/pret,fiind cele mai raspandite in

lume.

2.1.Macaraua turn Potain H30/30C (1983)

Este o macara de mare capacitate,sarcina sa nominala fiind de 12tf/6tf infasurare troliu sarcina in 4/2

fire,conform fisei tehnice atasate in Anexa 1. Studiul implementarii solutiilor de actionare electrica

se va face pe mecanisme(mecanismul de sarcina,mecanismul de rotire sic el de translatie carucior).

Mecanismul de sarcina. Este cea mai interesanta parte a acestei macarale. Actionarea este cu doua

MASb de aceeasi putere,dar cu turatii de sincronism n si 2n(fig 11).

Fig.11

Mecanismul de sarcina are 5 trepte de viteza. La ridicarea sarcinii primele 4 trepte de viteza se obtin

cu motorul de viteza mica(LMPv),in timp ce motorul de viteza mare(LMGv) lucreaza in regim de

frana dinamica autoexitata ,jucand rol de relantizor. La coborarea sarcinii prima treapta de viteza

este obtinuta doar cu ajutorul lui LMPv in regim de frana dinamica,iar treptele 2 si 3 se obtin cu

LMGv in regim de motor,in timp ce LMPv franeaza dinamic autoexitat. Motivul folosirii lui LMGv

ca motor este lesne de inteles,fiind impus de faptul ca la coborarea sarcinii cuplu motor si cel

rezistent au acelasi sens,motorul trecand astfel in regim de generator suprasincron. Nefiind nevoie de

cuplu motor mare,dar in schimb fiind necesar cuplu rezistent la ax,acesta poate fi obtinut la o valoare

mare de la LMPv in regim de frana. Treapta a IV-a de viteza este obtinuta cu LMPv in regim de

motor pe cem naturala in timp ce ultima treapta (V) se obtine prin demarajul reostatic al lui LMGv.

Secventele functionale ale schemei sunt sintetizate in tabelul din Anexa 2 pentru ridicarea

sarcinii,respective in tabelul din Anexa 3 pentru coborarea sarcinii,la rubrica treptelor de viteza fiind

sintetizat si jocul de contactori ai schemei de forta, fiind mentionati doar cei care sunt cuplati.

Mecanismul de rotire(MR ) Este antrenat de doua MASc. Intre axul motorului si arborele

conducator al reductorului se intercaleaza un ansamblu format dintr-un cuplaj electrodinamic si un

relantizor. Primul prin modificarea tensiunii sale de exitatie va obtine astfel treptele de viteza ale

mecanismului iar relantizorul va decelera prin franare electrodinamica.

Schema de comanda este destul de simpla(fig 12). f

Contactorii de sens ai motoarelor sunt cuplati din pupitru prin switchurile XRD/XRC. Ei sunt

interblocati intre ei prin contacte NC,avand inseriati in circuitul lor de comanda limitatorii fine cursa

rotire. O data cu cuplarea sensurilor,prin contactele lor NO 13-14,primeste comanda RFs,cupland

astfel si franele mecanismului. RFs se automentine prin contactul sau NO 53-54. Comanda de

blocare a franelor se face la apasarea butonului XRFs,care ii intrerupe automentinerea lui RFs.

Reglarea actionarii este facuta de blocul electronic BR,care se alimenteaza la 48 Vac pe bornele 1 si

2. In pupitru se afla potentiometrul PxR,ce da o tensiune variabila (0-48 Vac) pe borna 3 a lui BR.

Astfel functie de valoarea acestei tensiuni BR exita cuplajul electodinamic RCo pentru stabilirea

vitezei dorite. Valoarea obtinuta cu cea reglata se compara cu ajutorul tahogeneratorului RDy,BR

primind confirmarea ca motorul este cuplat prin auxiliarele NO 63-64 ale contactorilor de sens pe

borna 4. De la tahogenerator BR primeste confirmarea de viteza in timp ce pe borna 4 primeste

confirmarea de motor cuplat. Functie de starea bornei 4,BR excita fie cuplajul electrodinamic

RCo,pentru stabilirea vitezei stabilit cu potentialul bornei 3,fie relantizorul RRa pentru decelerare

prin franare electrodinamica. In cazul in care se da comanda deblocarii franei pe rotire,se intrerupe

tensiunea pe borna 9. In aceasta situatie BR intrerupe exitatia cuplajului electrodinamic sau

relantizorului,dupa caz.

Mecanismul de translatie al caruciorului(MTC) Actionarea este facuta de un MASc cu 3

infasurari separate(fig 13). Protectia motorului este realizata de disjunctorul DDi. Pe schema de forta

se observa contactorii de sens(DAr(carut baza) si DAv(carut varf)),precum si contactorii de limie ai

celor 3 infasurari(DMv-viteza mica;DPv-viteza medie;DGv-viteza mare). Frana electromagnetica a

mecanismului DFa este alimentata de la puntea redresoare Red3,ce primeste tensiune la anclansarea

contactorului de frana DFaDi. Deoarece electromagnetul de cc poseda un surplus de forta portanta

dupa ce atrage,in serie cu puntea redresoare este montata rezistenta economizoare Rd,care este

introdusa in circuit dupa cuplarea releului de timp DFs.

Fig.13

2.2.Macaraua turn autoridicatoare(pliabila) Liebherr 26 H(2001)

Datele tehnice ale macaralei pot fii consultate in fisa tehnica din Anexa 3. Sarcina nominala este de

2tf cu bratul perfect orizontal. Cu bratul inclinat la 20 de grade fata de orizontala sarcina este

constanta pe tot bratul(800 kg varianta cu carucior ranforsat/400 kg varianta cu carucior normal).

Macaraua se executa in 2 variante,functie de solutia de actionare electrica a mecanismului de

sarcina:

-Liebherr 26H PU-actionare mecanism sarcina cu motor Dahlander(7,5 kw)

-Liebherr 26H FU-actionare mechanism sarcina cu convertizor de frecventa(11 kw)

Cele doua variante ale macaralei sunt identice dpdv electric si mechanic,deosebindu-se doar prin

solutia de actionare a troliului de sarcina.

Mecanismul de sarcina 1)varianta cu motor Dahlander(fig 14)

Motorul are o infasurare separate pentru viteza I,vitezele II si III obtinandu-se cu o a doua infasurare

tip Dahlander. Schema de forta cuprinde:

-disjunctoarele HQ1F al motorului de actionare HM1M si HQ50F al ventilatorului HM3M

-contactorii de sens HK2B(ridicare) si HK4B(coborare),cel de viteza I HK5B,viteza II HK6B si

viteza a III-a HK7B(linie) si HK9M(conexiune stea dubla). Mai este prevazut contactorul

HK8M,care cupleaza in timpul decelerarii din treapta III in treapta II pentru franarea prin alimentare

asimetrica a motorului.

Fig.14

2)varianta cu convertizor de frecventa.(fig 15)

Pentru o siguranta marita in exploatare motorul este alimentat de la convertizor prin contactorul de

linie HK2M. In timpul decelararii motorul franeaza dinamic pe rezistenta de franare HR1M,franarea

recuperativa nefiind posibila datorita redresorului necomandat(nu se poate face transfer bidirectional

de putere) care alimenteaza invertorul.

Fig.15

Convertizorul nu porneste daca temperatura in tabloul electric nu este cea corespunzatoare,lucru

sesizat de termistorul HB1N,conectat intre standardul de tensiune intern convertizorului (borna

50/+10V) si intrarea analogica in tensiune 54(0 - 10 Vdc).

Mecanismul de rotire. Este o actionare electrica cu VTA in bucla inchisa cu tahogeneratorul G

,nemaifiind necesar astfel relantizor(fig 16).

Fig.16

In interiorul variatorului de tensiune alternative EDC are loc si inversarea sensului de rotatie al

motorului.

Mecanismul de translatie al caruciorului(fig 17)

Fig.17

Motorul este tip Dahlander cu 2 trepte de viteza.

2.3. Macaraua turn Comansa 10LC140(Spania-2007)

Sarcina nominala a macaralei este de 8tf,alte date tehnice putandu-se vedea in fisa tehnica din Anexa

5.

Mecanismul de sarcina.(fig 18)

Fig.18

Actionarea este cu convertizor de frecventa in bucla inchisa de comanda vectoriala. Protectia

motorului la un regim termic anormal este facuta de sonda de temperatura STE2,conectata la

terminalele T1 si T2 ale convertizorului. In acest caz pe displayul convertizorului se genereaza

EXTERNAL FAULT-MOTOR OVERHEATING . Motorul franeaza dinamic pe rezistenta de

franare RE. Puntea redresoare de alimentare frana sarcina RFE este de constructie speciala,oferind

posibilitatea ca circuitul intern al acesteia sa se inchida din exterior. In acest mod creste siguranta in

exploatare cuplarea franei putand fii conditionata suplimentar pe langa alimentarea puntii redresoare.

Poluarea electromagnetica a retelei de catre curentul nesinusoidal absorbit de redresorul necomandat

dupa intrarea convertizorului este atenuata de filtrul de armonici FCFE.

Supravegherea functionarii normale a buclei deschise de comanda vectoriala a motorului este

asistata electronic de releul tahometric AEQ(fig 19),care este de fapt un releu programabil ce are

implementate turatiile motorului pentru fiecare treapta de viteza in parte.

Fig.19

Informatia de turatie este primita de la motor prin captatorul(senzorul) inductiv CME,care trimite

impulsuri pe intrarea 0 a lui AEQ,care le numara si compara valoarea obtinuta cu valoarea memorata

pe care o selecteaza funtie de treapta de viteza aleasa,pe care o are confirmata pe intrarea 2. Bucla de

confirmare automata se activeaza in trepta III si IV de viteza,adica la funtionarea motorului la

frecventa nominala(50 Hz) si la cea de 120 Hz. La functionarea la frecventa sub cea

nominala,comanda vectoriala in bucla deschisa este suficient de sigura ,convertizorul putand face

fata fara probleme eventualelor varfuri tranzitorii de cuplu cerute la axul motorului. La coborarea

sarcinii motorul lucreaza in regim de franare dinamica suprasincrona pe rezistenta de franare RE. De

aceea sarcinile mari nu pot fii coborate cu viteze peste cea nominala deoarece cuplu de franare al

motorului este insuficient,plus ca in circuitul intermediar de cc al convertizorului pot aprea

supratensiuni periculoase care il pot distruge. Acest lucru este conditionat pe intrarea 3 a lui AEQ de

contactele auxiliare ale releelor de siguranta LR si LR1. Astfel AEQ lucreaza in configuratia de

monitorizare a turatie motorului la coborarea sarcinii. AEQ poate fii scos din schema la apasarea

butonului PRE din tabloul electric de sarcina. Aceasta manevra este necesara in caz de defectare al

lui AEQ sau CME si carligul trebuie ridicat de la sol pentru a nu stanjenii

activitatea altor utilaje. Aceasta manevra nu se face decat de personal autorizat service.

De remarcat ca motorul lucreaza in bucla deschisa de comanda vectoriala,AEQ avand doar rol de

supraveghere a functionarii motorului. La sesizarea unei situatii anormale iesirea digitala-releu

COM-0 devine ca valoare logica 0,oprind de urgent functionarea lui CFE.

Mecanismul de rotire Actionarea este facuta cu doua motoreductoare planetare. MASc sunt

alimentate fiecare separat de la cate un VTA(fig 20),in timp ce relantizoarele lor sunt exitate din

acelasi bloc electronic.

Fig.20

Primele doua trepte de viteza se obtin prin alimentarea motoarelor de la VTA-urile BPR10F la o

tensiune redusa(circa 270-320 Vac),concomitent cu exitarea relantizoarelor. A III-a treapta se obtine

prin decuplarea relantizoarelor si alimentarea motoarelor la tensiunea nominal de 400 Vac.

Mecanismul de translatie al caruciorului Actionarea este cu convertizor de frecventa,schema de

forta fiind(fig 21) identica cu cea de la sarcina,diferind doar faptul ca motorul nu este ventilat fortat.

Fig.21

Sistemul de afisaj din cabina (fig 22)

Fig.22

Piesa de baza a sistemului este interfata(unitatea centrala) IMDL46 la care sunt centralizate

traductoarele potentiometrice de inaltime carlig si distanta carucior pe brat si cele tensometrice de

sarcina si moment macara toate fiind interfatate cu unitatea centala prin conditionerele lor de

semnal,care la traductoarele de deplasare carlig si carut si de sarcina sunt incorporate in constructia

traductoarelor. Conditionerul de semnal transforma semnalul analogic primit de la

traductor(tensiunea potentiometrica,respectiv tensiunea de dezechilibru a puntii tensometrice) in

semnal analogic unificat SAU- transmis in tensiune in cazul nostru(0-10 Vdc). Traductoarele de

deplasare sunt incorporate in limitatorul fine cursa al mecanismului repsectiv. Traductoarele,prin

conditionerele lor de semnal,transmit SAU pe porturile analog-numerice ale interfetei. Portul

FREE,care este nefolosit poate fii alocat mecanismului de rotire al macaralei pentru traductor de

unghi. Tensiunile analogice primite la porturi sunt codificate in intefata,care comunica prin portul

UCDL cu displayul UCDL 45,pe care sunt afisate informatiile culese de la traductoare. Unitatea

centrala are intrari digitale prin care preia din circuitele de comanda informatiile de limitare fine

cursa mecanisme,sarcina si moment maxim,deblocare frana rotire,cuplare macara si frana carucior

actionata,informatii pe care le afisaza pe display. La portul RS al interfetei este conectat

anemometrul,viteza vantului fiind si ea afisata pe display.

2.4. Comparatie tehnica intre cele 3 macarale prezentate

Ca material de baza pentru efectuarea acestei comparatii se utilizeaza prospectele (fisele) tehnice ale

celor 3 macarale. Se pot trage urmatoarele concluzii:

a)vitezele de lucru ale mecanismelor de rotire si translatie carucior sunt in aceeasi plaja de

valori,chiar daca sarcinile nominale ale celor 3 macarale sunt mult diferite.

b)viteza maxima de lucru a mecanismului de sarcina este invers proportionala cu sarcina

nominala,lucru care este simplu de inteles daca este analizat dpdv tehnico-economic. Viteze mari de

lucru ar implica motoare de putere mare,ceea ce mareste costul macaralei si ridica probleme

energetice de santier. De observat ca vitezele de ridicare la sarcini nominale conduc la productivitati

mici ale macaralei. De aceea din proiectare mecanismele de sarcina sunt prevazute cu 1-2 trepte de

viteza superioare ce lucreaza in domeniul sarcinilor mici(care au in acelasi timp si cea mai mare rata

de lucru pe santiere),implementate in actionarea electrica functie de solutia de actionare existenta:

-la actionarile cu motoare Dahlander conexiunea de viteza mare(YY) ne asigura o viteza dubla de

lucru,dar in schimb injumatateste sarcina utila(schema Dahlander D/YY este la putere constanta).

-la actionarile cu convertizoare se mareste frecventa de iesire,depasindu-se astfel frecventa nominala

a motorului. Din motive de izolatie tensiunea de iesire ramane egala cu cea nominala,cuplu motor

(sarcina utila din carlig) reducandu-se conform relatiei:

M=K*(Un/fi)^2 unde:

Un-tensiunea nominala de faza a motorului

fi frecventa de iesire dorita

k constanta constructiva a motorului

M cuplu la ax

Din relatia de mai sus rezulta pentru o sarcina utila dorita frecventa maxima de iesire a

convertizorului.

Evident ca functionarea troliului in domeniul vitezelor mari este conditionata de LSM auxiliari

reglati la sarcini corespunzatoare.

c)referitor la siguranta in exploatare cele mai bune rezultate sunt obtinute de macaraua Comansa

10LC140,ce este echipata cu convertizoare de frecventa care detecteaza automat situatiile anormale

de functionare a troliului. Cea mai redusa marja de siguranta o avem la macaraua Potain H30/30C

deoarece motoarele de actionare ale troliului sunt MASb,pornirea motorului cu o eventuala

intrerupere a circuitului rotoric neputand fii sesizata,situatie cu consecinte foarte grave(motorul nu

dezvolta cuplu necesar la ax si sarcina poate scapa de sub control).

Cap 3. Prezentarea macaralei turn MTA125

Macaraua MTA125 este de fabricatie romaneasca,fiind produsa in perioada 1972-1989 la fosta

intreprindere Uzina de Reparatii Bucuresti(URB), actuala SC Girueta SA. Ansamblul macaralei cu

diagramele de lucru sunt prezentate in ANEXA 6. Principalele caracteristici ale macaralei sunt:

-sarcina nominala 12,5 tf/6tf palan in 4/2 fire

-momentul nominal 125 tfm

-lungimea maxima de brat 45 m

-inaltime maxima de montaj 147/74 m palan in 2/4 fire

-inaltime maxima de montaj fara ancorare de cladire 51 m

-sarcina maxima la varful bratului de 45 m 2,15 tf

3.1.Elementele de siguranta ale macaralei

Elementele de siguranta ale macaralei sunt cele prezentate in Cap 1,acum urmand a fii descrise cele

existente pe MTA125 cu particularitatile lor constructive.

1)limitatorul fine cursa(fig 23). Are aceeasi constructie si la mecanismul de sarcina si la cel de

carucior. Macaraua alimentandu-se prin inel colector,rotirea nu este prevazuta cu limitator.

Limitatorul este actionat printr-o transmisie cu lant de arborele de iesire al reductorului MS sau

MTC. Miscarea de antrenare o primeste surupul conducator 5, pe care culiseaza piulita profilata de

bronz 6, care ataca switchurile 4b8 si 4b6, fixate pe suportii lor 8. Reglarea limitatorului se face

actionand asupra suportilor 8,prin miscarea lor pe culisa 7 dupa carcasa limitatorului . Fixarea ferma

a suportilor se face strangand surupurile 10 cu contrapiulita. Astfel limitatorul este reglat.

Fig.23

2)limitatorul de sarcina maxima(LSM). Este prezentat in fig 24 .

Fig.24

Constructia sa este protejata de aparatoarea din tabla A1. Piesa triunghiulara S1 este fixa in boltul

A2 pe bratul macaralei. Forta F3 ce actioneaza asupra limitatorului este generata de tensiunea

mecanica F1 din cablul de sarcina. Forta F3 produce intinderea resortului R2 si o data cu aceasta

deplasarea in sensul deformatiei sale a tijei de tractiune T1. Reductorul avand 3 viteze,rezulta ca

LSM are in componenta sa 3 limitatori reglati pentru fiecare viteza in parte(switchurile 4b12-viteza

mare de ridicare,4b13-viteza medie de ridicare,4b5-viteza mica de ridicare). Mai este prevazut al 4-

lea LSM(4b11),limitator de pretensionare, care protejeaza troliul pe vitezele II si III de sarcini

dinamice mari(smucirea sarcinii de la sol). Astfel macaragiul este obligat sa coboare sarcina la sol si

sa comute reductorul pe o viteza inferioara. Reglarea limitatorului de face prin

insurubarea/desurubarea camelor C1-C4 si asigurarea lor cu contrapiulitele P1-P4.

3)limitatorul de moment maxim(LMM) este amplasat pe varful macaralei (fig1a,Anexa 6).

Functionarea sa se bazeaza pe deformarea elastica a tronsonului de varf sub actiunea momentului

generat de sarcina pe bratul macaralei. Amplasamentul sau pe varf se poate vedea in fig 25,unde este

reprezentat tronsonul de varf al macaralei.

Fig.25

Efortul din tirantul bratului va avea ca efect comprimarea barei pe care este fixat LMM. Astfel tija

de tractiune 2.4.6 se va deplasa in jos actionand limitatorul. Modul de functionare si constructia

LMM este data in fig 26.

Fig.26

Sub actiunea tijei de actionare(tractiune) T2 parghiile L1 si L2 se vor deplasa din pozitia initiala

A(linie punctata) in pozitia B(linie continua) sub actiunea arcului R,pargia L2 atacand astfel

switchurile 4b7 si 4b4. Reglarea LMM se face din mansonul filetat cu contrapiulite intercalate intre

tija de actionare T2 si tija limitatorului T1. Daca reglajul nu se poate face doar din manson

modificarea lungimii tijei de actionare se poate face si dupa varful macaralei(fig 62,detaliul I).

3.2.Partea mecanica a macaralei

In ANEXA 6 sunt date vitezele de lucru si puterile motoarelor de actionare pentru fiecare mecanism

in parte.

1)Mecanismul de sarcina Schema cinematica poate fii vazuta in Anexa 7 iar desenul de ansamblu

in Anexa 8. Troliul mecanismului de sarcina este montat pe contrabratul macaralei(Anexa 8).

Reductorul mecanismului este de fapt o cutie de viteze cu 3 trepte. Selectarea fiecarei trepte de

viteza in parte se face cu ajutorul cuplajelor electromagnetice multidisc Binder 9 ,care in momentul

in care sunt alimentate solidarizeaza pinionul liber al treptei de viteza cu arborele din reductor pe

care acesta este calat. Astfel lantul cinematic se inchide pentru fiecare treapta de viteza in parte.

Ridicatorul electrohidraulic 7 este cuplat rigid la redactor,franarea mecanismului facandu-se prin

lantul cinematic al reductorului fara cuplaje electromagnetice.

2)Mecanismul de rotire Schema sa cinematica poate fii zuta in Anexa 9. Relantizorul 5 nu este

cuplat direct la axul motorului. El este antrenat de pinionul condus al treptei I a reductorului. La

capatul opus antrenarii pe axul motorului de actionare 1 este cuplata frana electromagnetica

multidisc FA10 daNm(UM Cugir).

3)Mecanismul de translatie al caruciorului (Anexa 10). Motorul de antrenare 4 al mecanismului

antreneaza prin reductorul 1 toba de cablu a caruciorului 5.

3.3.Solutiile electrice de actionare ale mecanismelor macaralei

existente din fabricatie

Avand in vedere faptul ca dorim sa modernizam macaraua,nu se va intra in detalii

complexe de comanda,control si functionare a vechii instalatiei electrice a macaralei,fiind

prezentate doar schemele de forta ale mecanismelor si functionarea lor. Este cunoscut rolul

fiecarui element de siguranta si modul in care el interactioneaza cu circuitele de comanda ale

macaralei.

1)Mecanismul de ridicare al sarcinii Este actionare electrica cu MASb cuplat direct cu un

relantizor(fig 27).

Fig.27

Sintetizarea jocului contactorilor dupa circuitul de forta al relantizorului si al motorului de

sarcina impreuna cu caracteristicile electromecanice obtinute pentru actionare este facuta in

Anexa 11,acestea fiind deduse examinand schema de comanda a mecanismului. Pe

circuitele de forta ale cuplajelor electromagnetice si al relatizorului se afla releele de current

maximal 4d29,respective 4d1. Acestea anclanseaza daca se inchid circuitele de forta ale

cuplajelor si relantizorului. In caz de avarie acestea nu cupleaza,nepermitand efectuarea

comenzilor de sarcina,evitand astfel situatiile periculoase pe treapta I coborare si in restul

comenzilor mecanismului,cand sarcina ar fii scapata in gol la actionarea REH-ului.

2)Mecanismul de rotire al macaralei(fig 28) este prevazut cu 4 trepte de

viteza,functionarea mecanismului fiind aceeasi indiferent de sensul de rotatie al macaralei.

Fig.28

In prima treapta se lucreaza cu relantizorul exitat la maxim si tot reostatul in circuitul rotoric.

Frana electromagnetica 4S3(24 Vdc) este alimentata la cuplarea unuia din contactorii de sens

de la transformatorul 4m13 prin puntea redresoare 4p9,in paralel cu care se afla dioda de

descarcare 4p10. A II-a treapta de viteza se obtine pe aceeasi cem prin dezexitarea partiala a

relantizorului 4S4,realizata prin comanda de cuplare a contactorului 4c12,care introduce in

circuitul de exitatie rezistenta 4R5.Si a III-a treapta de viteza este obtinuta pe aceeasi

cem,prin dezexitarea maxima a relantizorului realizata prin cuplarea contactorului 4c13,care

mai introduce in plus in circuitul de exitatie rezistenta 4R6. Treapta a IV-a se obtine prin

cuplarea in cascada temporizata a celor doua trepte rotorice 4C9 si 4C10. Printr-un contact

NC al sau,contactorul 4C10 intrerupe circuitul de comanda al contactorului de linie 4C11 al

relantizorului,pe care il scoate astfel complet din schema. Schema de comanda este

conceputa astfel incat sa asigure protectia la inversarea sensului de rotatie(contre) a

mecanismului(franare prin contracurent). In cazul in care macaragiul incearca aceasta

manevra,schema de comanda asigura automentinerea in treapta I de viteza a sensului care

functioneaza. Pentru pornirea in celalat sens trebuie adusa maneta de comanda pe zero,dupa

care reluata comanda in celalalt sens. Decelerarea mecanismului se face electrodinamic prin

temporizare la revenire a comenzii pentru treapta I.

3)Mecanismul de translatie al caruciorului(fig 28) Actionarea este facuta cu un MASc cu

doua infasurari separate. In schema de forta se observa contactorii de sens 4c3 si 4c4,precum

si contactorii de linie(interblocati intre ei pe circuitul de comanda) ai bobinajelor de viteza

mica/mare 4c5/4c6.

Cap 4. Modernizarea macaralei turn MTA 125

4.1.Sistemele de siguranta ale macaralei

Singurul sistem de siguranta care ramane neschimbat este limitatorul de sarcina maxima.

Vechii limitatori fine cursa sunt inlocuiti cu limitatori conform standardelor actuale,cu

modul traductor deplasare incorporat asemeni celor prezentati in Cap 1,fig4. In plus se va

monta LFC si la mecanismul de rotire.

In exploatarea practica limitatorul de moment nu a dat rezultate satisfacatoare,datorita

histerezisului mare de reglaj si functionare generat de flambajul si trepidatiile tijei de

actionare(fig 25-26). De aceea in locul sau se va adapta un LMM conform standardelor

actuale,de tipul celui din Cap I,fig 3. Aceasta adaptare nu necesita nici un calcul de

reproiectare,dupa implementarea LMM nefiind necesara decat reglarea acestuia conform

instructiunilor din Cap I. Modificarile de mai sus se vor face dupa intocmirea prealabila a

unui proiect de modificare,ce va fii aprobat de ISCIR(Inspectia de Stat pentru Cazane si

Instalatii de Ridicat),care centralizeaza toate datele despre instalatiile de ridicat din

Romania.

4.2. Proiectarea schemelor electrice de forta,comanda

si protectie

Investitia in modernizare are ca scop reabilitarea electromecanica a macaralei si aducerea ei

la parametrii optimi de siguranta. Pentru actionarea mecanismelor se vor folosi aceleasi

motoare,care vor fii trimise la specialisti in domeniul(bobinatori) pentru reabilitarea lor. La

motorul de actionare al mecanismului TC se va utiliza infasurarea de viteza mare(5.5 kw).

Motoarele de actionare sarcina si rotire vor fii transformate practic in MASc prin

scurtcircuitarea inelelor rotorice.

4. 2.1Schemele de forta si alimentare ale macaralei

Alegerea elementelor din schema de forta La solutia de actionare cu convertizoare de

frecventa factorul de putere al motorului nu mai intereseaza deoarece acesta nu mai este

alimentat de la retea,ci de la iesirea convertizorului de frecventa care este cuplat la retea. De

aceea sistemul motor-convertizor trebuie privit global,legatura cu reteaua facand-o bornele

de alimentare ale convertizorului. Invertorul din schema bloc a convertizorului este alimentat

cu tensiunea continua de la iesirea redresorului necomandat (redresor trifazat dubla

alternanta cu diode) alimentat de la retea. Deci din ansamblul convertizorului este interesant

factorul de putere al redresorului fata de retea,conductia unidirectionala a redresorului

izoland invertorul si motorul de retea. De la disciplina Convertoare statice de putere este

cunoscut faptul ca factorul de putere al acestui tip de redresor este in jurul valorii

cosi=0.65,lucru de care trebuie tinut cont la calculul protectiilor dupa forta mecanismelor.

Utilizarea convertizoarelor de frecventa ce au implementat la intrare redresor comandat

PWM(care ar face posibila o forma de unda sinusoidala a curentului absorbit de convertizor)

este costisitoare,nejustificandu-se economic.

Macaraua va fii echipata cu convertizoare de frecventa OMRON VARISPEED F7,serie

special conceputa de producatorul OMRON pentru macarale(Anexa 12). Aparatajul de

protectie si comanda va fii ales de la firma ELMARK.

Alegerea intreruptorului general al macaralei. Toate cele 3 mecanisme fiind actionate cu

convertizoare de frecventa de acelasi tip,factorul de putere global al macaralei poate fii

considerat cosg=cosi=0.65(lucru confirmat si de Anexa 13 in care sunt trecute puterile

aparente ale convertizoarelor date de fabricant).

Puterea instalata a macaralei este suma puterilor motoarelor de actionare a mecanismului de

rotire(Pr),carucior(Pc) si sarcina(Ps):

Pm=Pr+Pc+Ps = 65,5 kW

Puterea aparenta absorbita de la retea :

S = Pm/ cosg + St = 106.26 KVA unde St este puterea aparanta

insumata a transformatoarelor de comenzi si alimentare iluminat si prize(5.5 KVA).

Curentul nominal de linie absorbit de macara:

Ia = S/sqrt3*Ul = 168 A unde Ul este tensiunea nominala de linie a

retelei(380 V).

Se va alege din catalog intreruptorul automat tip DS1-200 A(Anexa 15).

Contactorul general CG se va alege tip LTF 1- F185,curentul sau nominal fiind egal cu 185

A.

Alegerea cablului de alimentare al macaralei In calcul se considera pentru calculul

rezistivitatii Cu o temperatura a mediului ambiant de 50 grade Celsius,iar macaraua se

considera montata la cota maxima de 147 m,lungimea cablului luata in calcul fiind de 160

m. Caderea de tensiune maxim admisibila Ua este de 5% conform normativelor in vigoare.

Rezulta la o tensiune de alimentare nominala a macaralei de 400 V o cadere admisibila de 20

V. Calculul cablului de alimentare se va face doar in ipoteza caderii maxim admisibile de

tensiune in regim nominal,convertizorul neabsorbind de la retea varfuri de curent la pornirea

motoarelor.

Rezistenta de calcul a cablului(pe o faza) este:

Rc=Ua/Ia=0.124

Rezistivitatea Cu la 50 grade Celsius este:

cu() = cu(0)(1+) = 1.96*10e-8 m,unde 0=20 grade

Celsius(rezistivitatea Cu la 20 grade este de 1.75*10e-8 m),iar coeficientul de variatie al

rezistivitatii cu temperatura este =0.0042 [1/grad].

Aplicand formula de calcul a rezistentei unui conductor de lungime l si sectiune uniform ape

toata lungimea s rezulta sectiunea necesara a cablului de alimentare:

Rc = cu()*l/s => s=cu()*l/Rc =29.698mm2

Rezulta ca astfel vom alege un cablu MCCG 4X35 mm2 sau (3X35mm2+16 mm2PE,care

corespunde si dpdv al solicitarilor termice conform tabelelor din normativele in vigoare)

Alegerea protectiilor mecanismelor Pentru convertizoare alegerea protectiilor se va face

conform fisei tehnice din Anexa 13, pusa la dispozitie de fabricant.In Anexa 16 este

reprezentata foaia de catalog cu protectiile pe care le alegem.

a)mecanismul de sarcina va fii actionat de un convertizor OMRON VARISPEED F7 CIMR

F7Z_4045. Puterea aparenta nominala pe care acesta o absoarbe de la retea este de 69

KVA,curentul nominal de linie absorbit rezultand:

Iss=Ss/sqrt3*Ul =104 A

Fabricantul recomanda intreruptorul automat DS1-160 A conform fisei tehnice atasate in

care este specificata de fabricant alegerea protectiilor pe alimentarea

convertizoarelor,protectii calculate pe criteriul puterii instantanee de scurtcircuit(I2t).

Ridicatorul electrohidraulic(REH) de frana este tip RH125,fabricatie UMT,actionarea sa

fiind facuta de um MASc cu urmatoarele date nominale:

-tensiunea nominala Un=220/380 V conexiune D/Y

-putere nominala Pn=0.55 kW

-cosn = 0.75

-turatie nominala nn = 980 rpm Curentul nominal de linie va fii:

In = Pn/ cosn*sqrt3*Ul = 1.11 A. Se va alege protectia termomagnetica TM2-E06,cu

gama de reglare a curentului termic de 1-1.6 A,cu reglaj la 1,1In=1.22 A.

b)mecanismul de rotire al macaralei. Se alege convertizorul OMRON VARISPEED F7

CIMR F7Z_4015,care absoarbe de la retea puterea aparanta de 24 KVA. Consultand fisa

tehnica a fabricantului,pentru acest convertizor va fii necesara protectia termomagnetica

TM2-E63,cu gama de reglare a curentului termic 40-63 A,cu reglaj la I=40 A,unde I este

curentul de alegerea al protectiei dat de fabricant.

c)mecanismul de translatie carucior. Se va alege convertizorul OMRON VARISPEED F7

CIMR F7Z_45P5,care absoarbe de la retea puterea aparenta nominala de 9,5 KVA. In mod

analog ca la celalalte mecanisme,rezulta ca este necesara protectia termomagnetica TM2-

E32,cu gama de reglare a curentului termic 24-32 A,valoarea reglata de noi fiind I=25 A.

Alegerea elementelor auxiliare a ale schemei. Transformatorul de comenzi 400/50V se va

alege de putere 500VA,aceasta fiind suficienta pentru alimentarea bobinelor celor 30 de

relee de comanda din schema(puterea de comanda absorbita de acestea fiind de ordinul a 10

W),cat si a franelor electromagnetice ale mecanismelor de rotire si carucior,care sunt tip

FA10/FA5(UM Cugir),ele absorbind la tensiunea de 24 Vdc curenti de 2.5/1.5 A.

Descrierea schemelor electrice de forta Macaraua se alimenteaza de la reteaua santierului

R,S,T +PE prin intreruptorul automat DS(fig 29).

Fig.29

Tensiunea ajunge prin cablul de alimentare MCCG 4X50 mm2+16 mm2 la conectorii

individuali DC1-DCPE,situati pe tronsonul mobil al macaralei. Prin inelul colector IC

tensiunea de alimentare ajunge in cabina macaralei,de unde prin intreruptorul(disjunctorul)

DC ajunge in tabloul electric de forta si comanda(TEFC) al macaralei la intreruptorul DT.

La iesirea din DC,este conecta prin disjuctorul DP1 transformatorul suplimentar TS pentru

alimentarea circuitelor de priza si iluminat ale macaralei. La intrarea in contactorul general

CG este conectat prin disjunctorul DP2 transformatorul de comenzi TCF. Protectia

secundarului transformatorului la scurtcircuite pe comanda ete asigurata de disjunctorul

DS2. Tensiunea de 28V din secundar este trimisa la circuitele de forta ale franelor

electromagnetice. Pentru atenuarea poluarii electromagnetice a retelei,convertizoarele de

frecventa sunt alimentate prin intermediul unor filtre de retea(FAVFS,FAVFC,FAVFR).

Pentru respectarea normelor CEM in domeniu si evitarea interferentelor,conexiunea intre

convertizor si motorul de actionare se face cu cablu de forta ecranat.

a)mecanismul de sarcina. Sectiunea cablului de legatura intre motor si convertizor se va

calcula analog calculului cablului de alimentare,cu deosebirea faptului ca se ia in calcul

1,5Inm,Inm fiind curentul nominal al motorului(88 A). Aceasta este amplitudinea maxima a

curentului de pornire admis de convertizor. Daca curentul absorbit de motor tinde sa

depaseasca aceasta valoare convertizorul intrerupe decelerarea pastrand turatia pe palier si

stabilizeaza curentul absorbit de motor la aceasta valoare. Daca regimul functional nu se

stabilizeaza la parametrii normali ,dupa circa 2 minute functionarea motorului este

intrerupta iar convertizorul afiseaza mesaj eroare supraincarcare motor/supraincarcare

convertizor. Din calcule rezulta un cablu de alimentare 4X16 mm2(lungimea sa este de 10

m),care nu corespunde si dpdv al solicitarilor termice conform tabelelor din normativele in

vigoare decat la curentul nominal al motorului. Considerand un regim de functionare

intermitent vom alege un cablu MCCG 4X25 mm2,a carei sarcina maxima in regim de lunga

durata este de 105 A.

La convertizoarele cu puteri peste 18,5 kw(incepand cu tipodimensiunea 22 kW) tranzistorul

de franare din circuitul intermediar de cc nu mai este inclus in convertizor din motive

economice,el nefiind necesar in toate aplicatiile. Acolo unde este necesar,cum este si in

cazul nostru el se poate adauga in sistem pentru franare dinamica sub forma unitatii de

franare UF(fig 30),care este tip CDBR_4045.

Fig 30

Aceasta este de fapt un chopper de supratensiuni,intrarea in comutatie a sa fiind comandata

de tensiunea din circuitul intermediar de cc(U>800 Vcc) al convertizorului,la care este

conectata(bornele B1-B2). Astfel UF lucreaza ca o supapa de siguranta pentru circuitul

intermediar de cc. La iesirea unitatii de franare este conectata rezistenta dinamica RF,aleasa

conform fisei tehnice din Anexa 17 (9600 W/13.6 ohm). Aceasta permite cupluri de franare

de maxim 130%Mn(Mn fiind cuplu nominal al motorului). Cuplajele electromagnetice ale

reductorului CE1(viteza I),CE2(viteza II) si CE3(viteza III) sunt alimentate din sursa

stabilizata AL,fiind cuplate prin contactorii lor de linie DC1-3. Releul electronic de curent

maximal DIC din circuitul lor supravegheaza ca in timpul functionarii unul dintre cuplaje sa

fie actionat. In caz de defectiune electrica cuplaje(daca curentul masurat depaseste 4 A sau

scade sub 2.5 A) prin contactele sale auxiliare DIC intrerupe functionarea mecanismului de

sarcina(vezi scheme comanda). Pentru evitarea situatiei anormale de cuplare simultana a

doua cuplaje circuitul de forta al fiecarui cuplaj este interblocat prin contactorii de linie ai

celorlalte doua cuplaje.

b)mecanismul de rotire(fig 31).

fig.31

Alegerea echipamentului electric se va face consultand fisa tehnica a fabricantului. Motorul

va fii alimentat cu un cablu de sectiune 4 mm2(l = 15 m),sectiune rezultata din calculele

efectuate in mod analog ca la mecanismul de sarcina. Convertizorul fiind de 15

kW,tranzistorul de franare este inclus in convertizor. Acest mecanism se va prevedea cu 4

trepte de viteza.

c)mecanismul de translatie al caruciorului(fig 32).

fig.32

Acesta se va prevedea cu 3 trepte de viteza. Pentru treapta III de viteza sunt prevazute doua

frecvente de iesire ale convertizorului. Cand se lucreaza cu vitezele I si II ale reductorului

frecventa de iesire in treapta III carucior va fii cea nominala a motorului(50 Hz). Cand se

lucreaza cu treapta III de viteza reductor sarcina in acelasi timp va primii tensiune si intrarea

digitala S5 a convertizorului,viteza a III-a carucior fiind superioara frecventei de alimentare

a motorului in scopul maririi productivitatii macaralei la sarcini mici. Aceasta frecventa de

iesire se calculeaza utilizand relatia de dependenta a cuplului M al motorului functie de

frecventa si tensiunea de alimentare(stiind ca la cresterea frecventei de iesire a

convertizorului tensiunea de iesire Ui=Un din motive de izolatie => capacitatea de incarcare

a motorului scade),cunoscand faptul ca cuplu rezistent la axul motorului depinde liniar de

greutatea din carlig :

M = k(U/f)^2

Aplicand relatia de mai sus cu o sarcina maxima de 14 tf corespunzatoare functionarii la

frecventa si tensiune nominala,respectiv de 4 tf corespunzatoare functionarii reductorului de

sarcina in viteza III rezulta frecventa de iesire pentru viteza superioara a caruciorului:

M|f=50 Hz,Q=14tf = Mn = K(Un/fn)^2 M|f=fi,Q=4tf = 0.28Mn = K(Un/fi)^2

Impartind membru cu membru relatiile de mai sus rezulta frecventa de iesire maxima a

convertizorului ca fiind fi = 94 Hz. Din motive mecanice ea se seteaza la 75 Hz,majorand

astfel viteza caruciorului cu 50% fata de cea nominala la sarcini mici.

2.2Schemele de comanda si siguranta ale macaralei

a)schema de cuplare si siguranta a macaralei(fig 33).

fig 33

Cuplarea contactorului general CG este

conditionata de pozitiile zero ale pupitrelor de comanda,in timp ce automentinerea sa in

timpul functionarii este conditionata de vigilenta macaragiului prin butonul om mort

BOM,aflat pe mansa pupitrului de comanda ridicare sarcina. La manevrarea pupitrelor

neapasarea lui BOM va produce decuplarea generalului prin deschiderea contactului NC al

zeroului de pupitru. Prin contactul NC al lui BOM(inseriat pe impulsul lui CG) este exclusa

posibilitatea cuplarii macaralei la apasarea BOM si manevrarea pupitrelor de comanda.

Pentru a anula posibilitatea comutarii vitezelor reductorului in timp ce mecanismul

lucreaza,comanda contactorilor cuplajelor DC1,DC2 si DC3 este prevazuta cu automentinere

prin contactul NO cu temporizare la revenire(3 sec) a contactorului de frana CFS(fig

34),care primeste comanda de la iesirea digitala MA-MC(run output) a convertizorului de

sarcina VFS.

fig.34

La selectarea vitezelor reductorului,limitatorul de sarcina maxima al vitezei superioare celei

selectate este suntat prin contact NO al contactorului de linie al cuplajului respective.

Depasirea momentului si/sau sarcinii maxime este semnalizata acustic prin contacte NC ale

releelor de siguranta RS si RS1 si optic pe pupitrul de comanda cu lampa de semnalizare L1.

Comanda de viteza mare carlig sus si carucior varf sunt intrerupte simultan la prelimitarea

momentului(90%) de catre releul de prelimitare RM,prin contactul NC al caruia este

semnalizata optic la pupitru(lampa L3) aceasta situatie. Carligul sus si caruciorul spre varf

vor functiona doar pe prima treapta de viteza.

b)mecanismul de sarcina.

In fig 34 se poate vedea schema completa de comanda a mecanismului. Controlul

functionarii mecanismului si realizarea buclei inchise de comanda vectoriala este asistata

de automatul programabil APL,care in caz de avarie blocheaza prin iesirea digitala Q1

functionarea convertizorului de frecventa al mecanismului(external fault 6). Astfel

convertizorul este trecut in avarie. APL primeste informatiile de confirmare a comenzilor

pe intrarile digitale I1-I9,pe I9 primind confirmarea de cuplare a vitezei reductorului de la

releul electronic de curent al cuplajelor DIC(reglat a valida functionarea APL prin

contactul sau NO la I=2,5-3 A). Butonul BA se afla in tabloul electric al macaralei si

serveste la anularea APL in caz de avarie numai de catre personalul de service pentru a

efectua manevre cu carligul(I10=1=>Q1=1). Realizarea supravegherii buclei deschise de

comanda vectoriala a motorului se efectueaza cu encoderul motorului,implementat cu

senzorii inductivi CP3 si CP4,ce sunt fixati in zona cuplajului elastic al motorului cu

reductorul. Sensul de rotatie al motorului este distins de APL prin ordinea de succesiune a

semnalelor date de cei doi senzori,in timp ce prin numararea impulsurilor APL masoara

turatia motorului. Datele astfel obtinute se compara cu cele implementate in program.

Eroarea de turatie admisa de APL este de maxim 4% din valoarea stabilita pentru treapta

de viteza respective. Supravegeherea patinarii cuplajelor electromagnetice si functionarii

normale a transmisiei mecanice este realizata analog motorului,cu encoderul tobei de cablu

implementat cu captatorii inductivi CP1 si CP2,montati pe circumferinta tobei de cablu de

sarcina. In functie de viteza selectata a reductorului,confirmata pe intrarile I5,I6 si I7 APL

alege raportul de transmisie pe care il introduce in formula de calcul a turatiei tobei,o

rotatie completa a tobei fiiind considerata intre doua impulsuri ale aceluiasi sensor.

Formula de calcul a turatiei tobei,implementata in softul APL este:

nt=nm/iT,unde nt este turatia masurata a tobei de cablu, nm turatia masurata

a motorului iar iT raportul de transmisie al transmisiei dintre motor si toba de cablu,care la

randul sau este:

iT = iF*i10*iV unde iF = 7,28 este raportul de transmisie al transmisiei

finale(angrenajul axului de iesire al reductorului cu pinionul conducator al tobei de cablu

Anexa 7), iV fiind raportul de transmisie al vitezei selectate a reductorului(1,454 viteza

III,3.225 viteza II, 4.950 viteza I). Raportul de transmisie i10 nefiind dat in cartea tehnica a

macaralei se calculeaza utilizand vitezele de ridicare din Anexa 6. Alegem viteza III a

reductorului unde stim ca viteza de ridicare a carligului este de 54m/min la turatia

nominala de 920 rpm a motorului,diametrul tobei de cablu fiind de 70 cm. Analiza

cinematica a troliului poate fii vazuta in fig 35.

fig.35

Viteza de ridicare a sarcinii este valabila pentru infasurare de cablu in 4 fire. Mufla 3

executa o miscare de translatie in timp ce rolele de cablu ale sale 1 si 2 executa miscari

plan-paralele. Stiind viteza de ridicare a sarcinii viteza cablului se afla constatand faptul ca

infasurarea de cablu este de fapt un ansamblu de doi scripeti compusi(rolele 2 si 6

formeaza un scripete ia rolele 1 si 5 pe cel de al II-lea) care lucreaza in serie prin

intermediul rolei de schimbare infasurare cablu 2/4 fire 4. Despre scripetii compusi stim ca

avem castigul mecanic de injumatatire al fortei motoare in raport cu forta rezistenta in timp

ce pierdem cinematic prin injumatatirea vitezei carligului fata de viteza cablului dupa toba.

Rezulta astfel ca viteza cablului va fi vc = 4v u = 216 m/min = 3.6 m/s.

Turatia tobei de cablu este:

nt = vc/*DT = 98,27 rpm

Raportul de transmisie global al reductorului in treapta III:

iTRIII = nm/nt = 9.36

Raportul de transmisie i10 :

i10 = iTRIII/iF*iVIII= 0.884

Raportul de transmisie al partii fixe a reductorului:

iR= i10*iF = 6.43

Acum formula finala a turatiei tobei de cablu care va fii implementata in APL devine:

nt=nm/6.43*iVi,iVi fiind raportul de transmisie al treptei de viteza a

reductorului selectata. APL admite o abatere a turatiei tobei de cablu fata de cea masurata a

motorului de maxim 2%,intrerupand astfel functionarea troliului de sarcina la patinarea

cuplajelor electromagnetice. Schema programului implementat in APL(Siemens STEP 7)

poate fii vazuta in Anexa 18.

b)mecanismul de rotire al macaralei si de translatie al caruciorului(fig 36).

fig 36

Ca si schemele de forta schemele lor de comanda sunt asemanatoare. Singura deosebire

este prelimitarea vitezelor mari la carucior,precum si posibilitatea blocarii manuale a franei

de rotire prin apasarea butonului BD,care intrerupe automentinerea contactorului de frana

peste iesire digitala run output a convertizorului de frecventa VFR al mecanismului de

rotire.

2.3. Sistemul de afisaj din cabina macaragiului

Acesta va fii implementat pe macaraua noastra folosind kit-ul IMDL46 al macaralei turn

Comansa 10LC140(fig 22,Cap 2). Adaptarea acestui kit pe macaraua noastra nu presupune

reproiectarea traductoarelor potentiomatrice de deplasare cursa carlig/carucior,deoarece

atat lungimea maxima de brat,cat si inaltimea maxima de monta cu troliu sarcina in 4 fire

sunt net superioare fata de MTA125(vezi fisa tehnica a macaralei Comansa 10LC140 ).

Singurele traductoare care trebuiesc alese de noi sunt cele de cantarire sarcina si masurare

moment,deoarece parametrii mecanici ai macaralei noastre sunt superiori(sarcina nominala

de 12,5 tf fata de 8 tf la Comansa 10LC140). Producatorul de la care vor fii achizitionati

senzorii tensometrici de sacina si moment este firma GEFRAN

Italia(http://www.gefran.com/en/categories/category_80.aspx).

a)Alegerea si montarea traductorului de sarcina (fig 24). Celula de forta va fii

montata la asamblarea tijei de tractiune T1 a limitatorului (fig 24) cu suportul S1. Am

ales acest loc de montaj deoarece tensiunea in tija de tractiune este mai mica,motiv

pentru care traductorul va fii mai ieftin. Astfel alegerea traductorului se rezuma la

calculul efortului mecanic F3 in tija T1. Cotele necesare efectuarii calculelor au fost

determinate prin masurare directa pe desenul din fig 24,care este la scara reala 1:10.

Calculele se vor face considerand o sarcina maxima de 14 tf in carligul macaralei.

Rezultanta R a tensiunilor F1 din cablu ce actioneaza in centrul rolei R1 este:

R = F1(1+ cos) = 6.51 tf

Ecuatia de echilibru a momentelor in punctul A2 este:

R*e = F3x*(l1+e) => F3 = R*e/(l1+e)*cos = 3,43 tf = 34,3 kN;

Cu efortul maxim in tija de tractiune calculate mai sus alegem traductorul GEFRAN

tip K5C FP(Anexa 18), din gama SB a producatorului,care suporta o incarcare axiala

nominala de 5 tf,conform prospectului tehnic atasat. Puntea tensometrica inclusa in

interiorul acestuia se alimenteaza la tensiunea continua de 10-15 Vdc si ne da la iesire

semnal analogic unificat in tensiune. Implementarea acestui traductor este ieftina

deoarece nu mai este necesara interfatarea acestuia cu IMDL46 prin bloc adaptor de

semnal. Singurul lucru necesar pentru adaptarea senzorului este alimentarea sa de la o

sursa stabilizata de 10 Vdc,deoarece iesirile interfetei IMDL46 sunt la tensiunea de 24

Vdc.

Producatorul ofera mai multe tipuri de traductoare de forta de tractiune. Am ales acest

tip de traductor deoarece se preteaza cel mai bine montajului mecanic,avand gabarit

redus.

b)Alegerea traductorului de moment. Montarea traductorului se va face pe tirantul

bratului(fig 37,scara 1:10) confectionat din OL 52.31C,tirantul propriu zis 3.1.2 fiind un

profil patrat plin OL 52.31C cu latura de 9 cm de arie A = 76 cm2, arie diminuata de

rotunjirea muchiilor tirantului.

fig 37

Etapa preliminara de alegere a solutiei de masurare si a traductorului este calculul

efortului maxim in tirant,masurarea momentului din bratul macaralei facandu-se astfel

in mod indirect. Se va calcula efortul produs de sarcina mobila impreuna cu cel produs

de greutatea bratului(fig 38)

Fig.38

Momentul maxim calculat este momentul produs de sarcina de 2150 kg la varful

bratului,care este de maxim Rmax = 45 m :

M1 = (ms+mc+mm+mo)*Rmax = 154.8 tfm unde:

ms-masa sarcinii utile maxime la varf(2150 kg)

mc-masa caruciorului de 12 tf(611 kg)

mm-masa muflei cu carligul de 12 tf(379 kg)

masa cablului de sarcina desfasurat considerata in 4 fire la inaltimea maxima de 76

m(300 kg)

Calculam si momentul produs de sarcina nominala de 12,5 tf la R11.5 m:

M2 = (ms+mc+mm+mo)*R = 158,58 tfm

M2>M1,deci vom alege ca valoare in calcule momentul M2 al sarcinii de 12.5 tf la brat

maxim de 11.5 m.

In final calculam si momentul produs de greutatea bratului in punctual O :

Mb = mb*Rc = 176.4 tfm unde:

mb-masa bratului in configuratia de 45 m(9000 kg)

Rc-pozitia centrului de greutate al bratului(19.6 m)

Momentul maxim total in puctul O devine :

M = M2 + Mb = 335.2 tfm

Efortul in tirant Ft se determina din ecuatia de momente scrisa in raport cu punctul O de

articulare a bratului :

Mo = 0 => Ft*OA = M => Ft = M/OA = 74.48 tf = 744.8 kN ,unde

distanta OA = 4.5 m este cunoscuta din documentatia tehnica a macaralei. Deformarea

elastica a piesei 3.1.2 a tirantului o calculam cu formula din Rezistenta materialelor :

= Ft*L/E*A = 1.6*(10^-6) mm ,unde:

L = 3105 mm lungimea tronsonului 3.1.2 a tirantului

E = 2.1* 10^12 N/m2 - modulul de elasticitate transversal(modulul lui Young) al

marcii de otel OL52.31C. O deplasarea atat de mica nu poate fii masurata,singura

solutie avuta la dispozitie fiind implementarea unei celule de forta. Singurul loc unde

aceasta poate fii implementata fara a afecta structura metalica a macaralei este in

orificiul de imbulonare al tirantului cu varful macaralei,anume la boltul BB(fig 37).

Aceasta va fii montata in urechea de prindere a tirantului astfel incat directia ei de

solicitare sa corespunda cu directia de montaj a tirantului. Luand in considerare faptul

ca efortul Ft din trant se imparte egal pe cele doua urechi,vom alege traductorul Gefran

tip CTB KN5C ,ale carui caracteristici le avem in prospectul tehnic atasat(Anexa 19).

Am ales acest traductor deoarece este simplu de implementat mecanic in urechea

tirantului datorita gabaritului mic pe care il are. La fel ca si traductorul de sarcina

acesta nu necesita adaptor de semnal pentru interfatarea cu IMDL46,puntea sa

tensometrica alimentand-o din aceeasi sursa stabilizata ca si pe traductorul de sarcina.