AUTOMATIZĂRI NAVALE

1. AUTOMATIZĂRI CONVENŢIONALE ŞI AUTOMATIZĂRI COMPLEXE

1.1 Structura unui sistem automat (SA)convenţional. Scheme-bloc.

1.1.1 Introducere. Definiţii

Ansamblul de obiecte materiale care asigură conducerea unui proces tehnic sau de altă natură

fără intervenţia directă a omului reprezintă un echipament de automatizare.

Ştiinţa care se ocupă cu studiul principiilor şi aparatelor prin intermediul cărora se asigură

conducerea proceselor tehnice fără intervenţia directă a omului poartă denumirea de Automatică.

Automatizarea reprezintă introducerea în practică a principiilor automaticii.

Sistem automat: ansamblul format din procesul (tehnic) condus şi echipamentul de

automatizare (de conducere), care asigură desfăşurarea procesului după anumite legi. Definirea

noţiunii de sistem automat a pornit de la realitatea obiectivă a existenţei unor procese (tehnice)

cauzale (respectiv cauza determină efectul şi nu invers) şi a unor obiecte materiale create de om (cu

respectarea cauzalităţii) în scopul conducerii automate a unor procese. Fiecare dispozitiv de

automatizare este caracterizat printr-o mărime ce reprezintă cauza şi o mărime ce reprezintă efectul,

între acestea existând o relaţie de dependenţă, cauza implicând (determinând) efectul.

1.1.2 Structuri de sisteme automate. Rolul reacţiei negative

Pornind de la definiţia sistemului automat putem asocia acestuia un model structural alcătuit din

două subsisteme: subsistemul condus S2 (procesul supus automatizării) şi subsistemul de conducere

sau conducător S1 (echipamentul de automatizare).

u1 m1 y1

u2 m2 y2

um mk yp

Fig. 1.1 Schema generală a unui sistem deschis

Structura de sistem prezentată în figura 1.1 este o structură deschisă, reprezentând totodată o

structură minimală care asigură o relaţie funcţională dorită între grupul (setul) mărimilor de la ieşire

yi (i=1,2,…,p) şi setul variabilelor de la intrare ui (i=1,2,3,…,m).

Pentru această structură, subsistemul S1 generează setul variabilelor mi (i=1,2,…,k) în funcţie de

ui astfel încât evoluţia subsistemului S2 să fie cea dorită, impusă printr-o relaţie u y (unde u şi y

reprezintă vectorii coloană formaţi din variabilele ui şi yi). Pentru acest sistem sensul de transmitere

a informaţiei este unidirecţional, de la intrare la ieşire.

În general, un subsistem condus (procesul supus automatizării) poate fi reprezentat ca în figura

1.2, unde s-au evidenţiat următoarele mărimi caracteristice:

y - vectorul mărimilor de ieşire

u - vectorul mărimilor de intrare

p - vectorul mărimilor perturbatoare.

Fig. 1.2 Modelul unui proces multivariabil

S1

S2

u1

Proces

u2

um yn

p1 pk P2

y2

Y1

Mărimile de intrare ale procesului automatizat sunt de două tipuri:

- Mărimi de execuţie (comandă) ce sunt determinate de subsistemul de conducere S1;

- Mărimi perturbatoare (principalele mărimi perturbatoare sunt cele de sarcină).

Se observă că sistemul considerat, pentru o intrare dată, ca urmare a efectului mărimii

perturbatoare, poate avea diverse valori ale mărimii de ieşire. Rezultă că o structură deschisă de

sistem automat nu asigură o bună precizie în realizarea relaţiei intrare – ieşire.

Exemplu de sistem deschis: pornirea unui electromotor cu ajutorul unui contactor. Acţionarea

electrică, ca proces supus comenzii automate, are ca ieşire turaţia iar ca mărime de intrare tensiunea

de alimentare. Închiderea contactelor contactorului, care asigură cuplarea lectromotorului la reţea, se

realizează prin intermediul unei scheme de comandă care implică închiderea unui buton de pornire.

Apariţia unei perturbaţii externe determinată de variaţia sarcinii are ca efect modificarea mărimii de

ieşire (turaţia).

Putem spune deci că un sistem cu structură deschisă este foarte sensibil la perturbaţiile ce apar

în proces (subsistemul de bază) sau în cadrul sistemului de conducere. Pentru compensarea acestei

modificări a turaţiei se impune modificarea tensiunii de alimentare în mod corespuzător. Aceasta

presupune cunoaşterea evoluţiei mărimii de ieşire.

În cazul în care subsistemul de conducere S1 elaborează acţiunea de comandă atât funcţie de

mărimea de intrare u cât şi funcţie de ieşirea y a subsistemului condus, se obţine o structură de

sistem automat cu reacţie (figura 1.3):

Fig. 1.3 Schema generală a unui sistem închis

Subsistemul S3 are rolul informaţional de a transmite la intrarea subsistemului S1 informaţii

despre evoluţia mărimii de ieşire; semnalul transmis yr este denumit semnal de reacţie sau mărime

de reacţie. Prezenţa acestei legături inverse, de la ieşirea la intrarea sistemului, poate să asigure o

reducere a sensibilităţii la perturbaţii a acestuia. Comanda pentru realizarea unei funcţionări dorite a

subsistemului cu o structură dată (procesul) în cazul unui sistem cu structură închisă se realizează în

funcţie de rezultatul comparării între mărimea de intrare u a sistemului şi ieşirea y a acestuia.

În acest caz, subsistemul S1 elaborează o strategie de conducere pentru obţinerea relaţiei dorite

intrare-ieşire şi pe baza informaţiei transmise de la ieşire prin intermediul reacţiei. Subsistemul S1

interpretează decizional, comparativ, cele două variabile de intare şi de reacţie determinând, pe baza

unei strategii impuse, variabilele de intare în subsistemul condus S2.

Dacă se adaugă un subsistem suplimentar care măsoară şi transmite la intrare informaţii despre

proces, se obţine o structură de sistem închis. Se poate remarca faptul că măsurarea mărimii de ieşire

şi transmiterea informaţiei asupra evoluţiei acesteia la intrare introduce o anumită întârziere care

atrage o funcţionare necorespunzătoare a sistemului.

S1 S2

S3

u m

yr yr

y

Pentru a se reduce la minimum timpul de informare a sistemului de interpretare decizională

asupra evoluţiei mărimii de ieşire, se poate transmite mărimea de ieşire direct la comparator.

Legătura funcţională între mărimea de reacţie şi mărimea de ieşire este denumită, în acest caz,

legătură rigidă.

Structura unui sistem automat cu timp informaţional minim (legătură inversă rigidă) este

prezentată în figura 1.5:

Fig. 1.5 Schema unui sistem cu reacţie rigidă

Printre efectele reacţiei negative într-un sistem automat se remarcă:

- creşterea preciziei;

- reducerea sensibilităţiisistemului la variaţiile caracteristicilor acestuia şi ale

perturbaţiilor;

- reducerea efectelor neliniarităţilor şi distorsiunilor;

- creşterea benzii de frecvenţă în care sistemul se comportă satisfăcător.

Observaţie:

În funcţie de natura variaţiei mărimii de intrare, sistemele automate pot fi cu program sau cu

consemn; la acestea se impune variaţia intrării după o anumită regulă; aceste sisteme sunt cunoscute

sub denumirea de sisteme de reglare automată (SRA).

În cazul în care nu se cunoaşte apriori variaţia mărimii de intrare ci se impune numai o

dependenţă voită u y, spunem că este vorba despre sisteme automate de urmărire.

1.1.3 Mărimi şi elemente caracateristice în sistemele de reglare automată (SRA)

Scopul unui sistem de reglare automată (SRA) este de a realiza la ieşirea sistemului automat o

mărime impusă prin program. Dat fiind că un sistem cu legătură directă transmite la intrarea

subsistemului decizional direct mărimea de la ieşire, pentru a se asigura comparaţia între program şi

această mărime, este necesară prezenţa unui subsistem prin intermediul căruia se aplică la intrarea

sistemului mărimea de referinţă yref sau mărimea de ieşire dorită r=ydorit=y*=yref. Comparaţia între

valorile dorite ale ieşirii cu valorile y transmise pe calea de reacţie se realizează în cadrul unui

subsistem de comparaţie. Ieşirea din acest subsistem reprezintă abaterea ε dintrecele două variabile,

dorită şi realizată de sistemul automat.

Elaborarea deciziei sau comenzii se realizează în cadrul unui subsistem elementar de decizie

sau regulator automat care, în funcţie de ε, determină variabila de decizie sau de comndă u(t).

Această comandă acţionează în sensul realizării egalităţii dintre valoarea dorită a ieşirii ydorit şi

valoarea reală a ieşirii y, deci în sensul y*=ydorit=y.

Aplicarea variabilei de decizie (de comandă) la subsistemul condus (proces) se realizează prin

intermediul subsistemului de execuţie, care pe baza variabilei u(t), elaborează variabila de execuţie

m(t). Acest subsistem de execuţie asociază variabilei de execuţie, de obicei, energia necesară

intervenţiei dorite asupra procesului în sensul modificării surselor de energie ale acestuia.

Subsistemele de execuţie (elementele de execuţie) pot fi privite ca generatoare de cuplu (forţă) care

S1 S2 u(t

)

y(t)

folosesc energia externă fiind comandate de semnalele obţinute de la subsistemul de decizie. Astfel,

elementele de execuţie au un dublu rol: informaţional şi de vehiculare a unor puteri importante.

Ţinând seama de modul de transmitere şi prelucrare a informaţiei se poate întocmi schema

funcţională a unui SRA cu legătură inversă (reacţie) rigidă (fig. 1.6).

y* + u(t) m(t) y

Fig. 1.6 Schema funcţională a unui SRA cu reacţie rigidă

q – programul impus; r – referinţa; ε(t) – abaterea; u(t) – comanda; m(t) – mărimea de

execuţie

Fig. 1.7 Schema funcţională a unui SRA cu traductor inclus pe calea de reacţie

Fig. 1.8 Schema simplificată cu reacţie rigidă

S-au utilizat următorele notaţii:

S11 – subsistemul de intrare (elementul de fixare a referinţei);

S12 – subsistemul de comparaţie (elementul de comparaţie);

S13 – subsistemul de decizie (de comandă) sau regulatorul automat;

S14 – subsitemul de execuţie (elementul de execuţie).

Elementul de fixare a referinţei (programatorul) S11 poate fi exclus din structura sistemului

deoarece pentru SRA este importantă cunoaşterea mărimii de intrare y*, a referinţei r = y* în

elementul de comparaţie.

În figura 1.8 obiectul reglat include procesul tehnologic, elementul de execuţie şi traductorul de

reacţie. Regulatorul automat elaborează strategia de conducere a obiectului reglat. Astfel, obiectul

supus conducerii are în acest caz ca intrări mărimea u şi perturbaţia P iar ca ieşire mărimea y.

Variabila ε ce reprezintă abaterea sau eroarea sistemului de reglare se obţine comparând prin

diferenţă variabilei de intrare şi a variabilei de ieşire y:

ε = y*- y sau ε = yref – y = r – y.

Dacă comparaţia nu se face prin diferenţă, sistemul automat este cu comparaţie ”general

strategică”.

S11

Intrare

q S13

RA

S14

EE

S2

Proces

S12

Pa Pα

ε y* +

(r)

-

u(t) m(t) y

S13

RA

S14

EE

S2

Proces

S12

Pa Pα

ε y* +

(r)

-

u(t) m(t) y

Traductor yr

RA Obiectul

reglat

P

ε y* +

(r)

-

u y

La SRA cu comparaţie liniar-adaptivă (sau prin diferenţă), reglarea se realizează după eroare

întrucât variabila de execuţie (sau mărimea motoare) m(t) este elaborată în funcţie de abaterea ε şi nu

în funcţie numai de intrarea y*. Pentru aceste sisteme de reglare, subsistemul ce interpretează

decizional eroarea ε poartă denumirea de regulator automat.

Spre deosebire de SRA care acţionează după eroarea (abaterea) dintre programul (referinţa)

sistemului şi mărimea de ieşire, se întâlnesc sisteme de reglare după perturbaţie şi sisteme de

reglare combinată după eroare şi după perturbaţie, în cazul în care perturbaţia este accesibilă

măsurării (fig. 1.9):

Fig. 1.9 Schema unui sistem de reglare combinată.

În această schemă este inclusă o legătură secundară având ca intrare mărimea perturbaotare pa.

Aceasta este măsurată (dacă este accesibilă măsurării) cu traductorul TP, mărimea rezultată fiind

aplicată la intrarea regulatorului pentru compensarea perturbării RP.

O asemenea structură înlătură dezavantajele sistemului de reglare după eroare compensând direct

efectul perturbaţiei, eliminându-se astfel întârzierea în transmiterea semnalului de la ieşire la intrare

pentru ca sistemul să acţioneze la apariţia abaterii.

1.2 Probleme ale sistemelor automate. Metode destudiu

Principalele probleme ale sistemelor automate sunt legate de analiza şi sinteza acestora, de

detrminarea modelelor matematice ale instalaţiilor supuse automatizării, de optimizarea funcţionării

lor, etc.

Analiza sistemelor automate reprezintă o etapă în studiul acestora şi constă în determinarea

mărimii de ieşire (a răspunsului), a comportării în regim staţionar şi tranzitoriu a sistemelor în

condiţiile în care sunt cunoscute mărimile de intrare şi/sau mărimile perturbatoare precum şi

structura şi modelul funcţional al întregului sistem. Prin analiză se urmăreşte determinarea

performanţelor realizate de sistem în procesul de automatizare a unei instalaţii tehnologice date.

Analiza performanţelor evidenţiază gradul de precizie cu care se realizează relaţia dorită între

intrarea şi ieşirea sistemului automat precum şi influenţa anumitor parametri ai sistemului asupra

performanţelor sale.

Sinteza (proiectarea) unui sistem automat presupune rezolvarea mai multor probleme şi anume:

- stabilirea criteriilor de performanţă pentru sistem pornind de la consideraţiile şi

restricţiile impuse de instalaţia tehnologică;

- întocmirea schemei structurale a sistemului automat cu evidenţierea tuturor elementelor

componente;

RA EE

Proces

Pa

ε y* +

(r)

-

u(t) m(t) y

Traductor yr

∑ ∑

RP TP

+

- up

- alegerea corespunzătoare a elementelor de măsură şi a elementelor de execuţie;

- alegerea şi acordarea optimă a regulatorului automat în vederea satisfacerii criteriilor de

performanţă impuse apriori;

- verificarea (prin analiză) performanţelor realizate de sistemul automat proiectat.

În cazul în care anumite performanţe ale sistemului proiectat şi analizat nu au fost realizate, se

trece la reproiectare sau la corecţia sistemului.

Corecţia unui sistem automat constă în introducerea în structura acestuia a unor elemente

“corectoare” în scopul îmbunătăţirii performanţelor. Alegerea şi dimensionarea acestor sisteme de

corecţie se face în concordanţă cu structura şi modelul funcţional al sistemului şi cu performanţele ce

se impun a fi corectate.

Realizarea unei proiectări cât mai riguroase a unui sistem automat (SA) convenţional presupune o

cunoaştere cât mai bună şi cât mai completă a modelului matematic al instalaţiei supusă

automatizării. Ca urmare, una dintre cele mai importante probleme în proiectarea SA este

identificarea cât mai precisă a procesului automatizat. În cazul sistemelor adaptive această

identificare trabuie efectuată continuu şi automat, cu mare precizie şi viteză, astfel incât informaţiile

culese despre evoluţia procesului să fie utilizate eficient la eleborarea strategiei de conducere a

acestuia.

În cazul în care se urmăreşte ca SA să aibă o comportare optimă, adică să se comporte cel mai

bine dintr-un anumit punct de vedere, avem de rezolvat probleme de comandă (conducere) optimală

a unui proces. Extremizarea unui criteriu de performanţă dat, pentru sisteme definite analitic prin

modele matematice cunoscute apriori, constituie o problemă de optim.

Metodele de calcul cele mai uzuale pentru analiza sistemelor apelează la modelele matematice

de tipul ecuaţiilor diferenţiale, de tipul funcţiilor de transfer şi de tipul caracteristicilor de frecvenţă.

Aceste metode stau la baza teoriei clasice a sistemelor automate, putând fi utilizate atât pentru

analiză cât şi pentru proiectare. Pentru proiectarea sistemelor sunt utilizate următoarele metode

clasice: metoda distribuţiei poli-zerouri, metoda locului rădăcinilor, diagramele Nyquist şi Bode.

Utilizarea unor modele de tip matriceal-vectorial cu considerarea stărilor sistemelor, modele ce

stau la baza teoriei moderne a sistemelor automate, permite accesul comod la tehnica de calcul

numeric, rezolvându-se cu eficienţă şi precizie atât problemele de analiză cât şi de sinteză

(proiectare).

1.3 Siteme automate numerice (SAN)

Apariţia minicalculatoarelor a condus la ideea folosirii lor în conducerea proceselor industriale.

Mai întâi, au fost folosite minicalculatoarele pentru a efectua calcule de optimizare şi pentru a

modifica mărimile de referinţă ale unor bucle de reglare clasice, realizate cu echipamente analogice,

rezultând astfel o conducere în regim de supraveghere CRS(supervisory computer control -SCC).

Ulterior au fost implementate minicalculatoare care să înlocuiască echipamentele de reglare

automată analogice, intervenind astfel în interiorul buclelor de reglare (deservite prin multiplexare)

şi realizând o conducere numerică directă CND (direct digital control – DDC), care includea

reglarea numerică RN.

În anul 1959 s-a trecut la elaborarea şi utilizarea unor minicalculatoare care interveneau direct în

automatizarea proceselor tehnologice, datorită acestui fapt fiind denumite calculatoare de proces

CP. Acest CN a funcţionat în varianta CRS care era varianta cu cea mai mare eficienţă economică.

S-a obţinut o structură ierarhizată pe două nivele: la nivelul inferior se găsesc buclele de rereglare

automată, fiecare buclă fiind prevăzută cu un regulator automat analogic (RA), iar la nivelul superior

se găseşte un CN.

Se constată că SRA clasice (cu RA) sunt sisteme distribuite, în sensul că fiecare buclă are un RA

propriu, în timp ce în cadrul structurii ierarhizate CN realizează o conducere centralizată, în sensul

că primeşte date din toate buclele şi transmite (după prelucrarea datelor primite) comenzi de

modificare a mărimilor de referinţă ale tuturor buclelor.

Ulterior au fost introduse CP funcţionând atât în varianta CRS cât şi în varianta CND, treptat

ponderea utilizăriiCP deplsându-se spre varinata CND. În această variantă se păstrau şi RA ca

rezervă (în cazul ieşirii din funcţiune a CN), ceea ce explică în bună parte faptul că programele de

CND simulau numeric legile de reglare analogice proporţional-integral-derivative PID pentru

diferite scheme de reglare (cu buclă simplă, în cascadă, cu compensarea perturbării, reglare de

raport, reglare multivariabilă, cu predicţie, etc.). Pe de altă parte, menţinerea şi în prezent a legilor de

reglare PID (la RA) şi a algoritmilor de tip PID (la SAN cu microprocesoare) se explică prin

rezultatele bune asigurate şi prin simplitatea acestor legi.

Tendinţele de obţinere a unor eficienţe economice sporite au determinat trecerea la conduceri

ierarhizate pe mai multe nivele în care apare reglarea numerică la nivel inferior, conducerea în regim

de supraveghere la nivelul imediat superior şi eventuale alte nivele superioare.

Reglarea şi conducerea numerică au oferit noi posibilităţi în comparaţie cu varianta reglării

analogice. Astfel, a devenit posibilă implementarea unor algoritmi evoluaţi (pe lângă cei tipizaţi

PID), realizarea unor funcţiuni multiple (reglare, culegere şi memorare de date, optimizare,

supraveghere, alarme la ieşirea din limite, afişare, deservire prin multiplexare, adaptare), asigurarea

unei automatizări flexibile prin schimbarea programelor, obţinerea unei eficinţe economice ridicate

pe ansamblul unor instalaţii industriale prin structuri ierarhizate de conducere.

Apariţia microprocesoarelor (μP) ca o îmbinare fericită a tehnicii componentelor electronice

integrate pe scară largă (large scale integration LSI) cu tehnica de calcul a produs un impuls puternic

asupra ingineriei electronice. Fiind un dispozitiv de calcul puternic, cu volum şi cost reduse, cu

fiabilitate ridicată şi necesitând numai condiţii obişnuite de mediu ambiant pentru circuite

electronice, a deplasat accentul de la proiectarea şi adaptarea circuitelor şi subansamblurilor (deci

de la probleme în principal de hardware) spre problematica transformării unei teme de proiectare

într-un program (deci spre probleme de sisteme de programa – software). De fapt, chiar problemele

de echipamente în proiectarea sistemelor cu μP sunt sensibil diferite de cele specifice tehnicii

electronicii convenţionale întrucât în locul proiectării unor circuite, intervine acum structurarea unui

sistem prin interconectarea unor module.

Folosirea SAN cu μP a deschis calea implementării legilor evoluate de reglare funcţie de stare, de

reglare adaptivă, extremală, multivariabilă, de realizare a sistemelor autoacordabile, etc. În al doilea

rând, folosirea μP pentru realizarea SAN cu algoritmi de tip PID a permis revenirea la structuri

distribuite, în varianta CND (corespunzătoare structurilor analogice distribuite cu RA) întrucât costul

redus al SAN cu μP a permis să fie justificată tehnico-economic folosirea unui μP pentru câteva

bucle de reglare, în unele soluţii propunându-se chiar câte un μP pentru fiecare buclă, evitându-se

astfel multiplexarea. În al treilea rând, datorită descentralizării (prin revenirea la structura distribuită)

şi prin condiţiile relativ larg accceptate pentru mediul ambiant, în SAN cu μP echipamentele de

automatizare se pot integra nu numai funcţional cu restul sistemului ci şi din punct de vedere

constructiv şi al locului de amplasare, în unele soluţii propunându-se instalarea μP chiar pe

elementul de execuţie realizat printr-un ventil de tip numeric (cu 8 poziţii, comandate codificat),

ceea ce permite să se considere că tehnica de calcul devine efectiv o componentă organică a

realizării procesului industrial.

Astfel, s-au impus structurile de de sisteme de conducere distribuită, inclusiv achiziţia distribuită

de date şi structurile ierarhizate de conducere a proceselor, în cadrul cărora fiecare echipament de

calcul preia sarcini în concordanţă cu poziţia ocupată în ierarhie. Aceste structuri sunt caracterizate

printr-o înaltă flexibilitate, fiabilitate şi prin performanţe superioare în comparaţie cu structurile

iniţiale de sisteme de conducere cu calculatoare de proces.

Realizarea unor sisteme integrate de conducere într-o configuraţie distribuită şi ierarhizată

permite luarea în considerare a tuturor factorilor ce acţionează asupra procesului, a interacţiunilor şi

reacţiilor ce apar în sistem, asigurându-se astfel optimizarea globală a proceselor conduse.

Structurile moderne de conducere distribuită şi ierarhizate, repartizând gradul de inteligenţă la

diferite echipamente de calcul, asigură prin resursele hardware şi software o conducere eficientă a

proceselor şi o integrare puternică a operatorului în sistem prin interacţiunea om-maşină inclusă ca

funcţie a sistemului integrat de conducere.

O structură de sistem de reglare sau conducere poate fi privită ca o structură ierarhizată. Astfel, în

cadrul unei scheme convenţionale de reglare, regulatorul reprezintă nivelul ierarhic superior, iar

procesul condus reprezintă primul nivel de ierarhie (fig. 1.10).

În funcţie de complexitatea procesului, de complexitatea funcţiilor de conducere, de

performanţele echipamentelor hardware pot fi organizate structuri de conducere ierarhizată

multistrat (multilayer control hierarchy), structuri de conducere ierarhizată multinivel

(multilevel controrl hierarchy), structuri de conducere multistrat temporale (temporal

multilayer control hierarchy).

Fig. 1.10 Structura ierarhizată pe 2 niveluri

Conducerea ierarhizată multistrat apelează la o ierarhizare funcţională pe diverse straturi (fig.

1.11):

Primul nivel în ierarhie realizează funcţia de interacţiune cu procesul, asigurând interfaţarea cu

acesta; îi sunt asociate sarcinile de achiziţie de date, de monitorizare aevenimentelor şi de elaborare

directă a comenzii numerice.

Celui de-al doilea nivel îi revine sarcinade a stabili obiectivele primului nivel, de a asigura

regimul optim de funcţionare a procesului prin stabilirea referinţelor pentru primul nivel de reglare

numerică directă. Acest nivel stabileşte starea următoare ce trebuie implementată prin reglarea

numerică directă, printr-o secvenţă predeterminată de acţiuni.

Regulator

Proces

condus

Fig. 1.11 Structură de conducere ierarhizată multistrat

Cel de-al treilea nivel are sarcina de a adapta strategia de conducere la o clasă largă de modele

ale procesului, în condiţiile în care parametrii procesului se modifică. Funcţia de adaptare asociată

celui de-al treilea nivel apelează la experienţa acumulată în conducerea procesul ui pe un interval de

timp şi intervine asupra celorlate niveluri în scopul asigurării invarianţei performanţelor sub

acţiunea mărimilor şi evenimentelor endogene şi exogene.

Funcţia de autoorganizare asociată nivelului al patrulea de ierarhizare se referă la decizii privind

alegerea structurii algoritmilor asociaţi cu nivelele inferioare de ierarhizare. Aceste decizii au la bază

criterii globale de performanţă, relaţiile cu alte sisteme, necesitatea coordonării funcţionării

întergului ansamblu.

Observaţie: fiecare nivel apelează la baza de date a sistemului în funcţie de sarcinile repartizate

acestora, iar între niveluri există o puternică interacţiune (schimb de informaţii).

O structură de conducere ierarhizată multinivel (fig. 1.12) evidenţiază faptul că un proces de

complexitate medie-mare se descompune în subprocese conduse fiecare direct de către un

microcalculator regulator (MCR).

Primul nivel al ierarhiei, realizat cu regulatoare distincte, asigură conducerea numerică directă a

subproceselor, cu menţinerea regimurilor optime de funcţionare atâta timp cât restricţiile locale nu

sunt violate.

Al doilea nivel modifică criteriile de performanţă şi/sau restricţiile locale pentru primul nivel, ca

răspuns la modificările impuse de funcţionarea globală a procesului la performanţe optime.

Bază de date

Specificaţii

Restricţii programe

Referinţe

Date din proces

Funcţia de autoorganizare

Selectarea modurilor de lucru,

alegerea obiectivelor conducerii, etc.

Funcţia de comandă adaptivă

Estimare parametrii, comandă

adaptivă

Funcţia de supervizare

Optimizarea regimurilor de

funcţionare

Funcţia de conducere directă

Achiziţii de date, monitorizare

evenimente, conducere numerică

directă

Procesul condus

IV

III

II

I

Fig. 1.12 Structură de conducere ierarhizată multinivel.

Calculatorul de la nivelul al III-lea preia, ţinând seama că la primul nivel sunt mai multe

microcalculatoare-regulatoare, sarcina de coordonare în vederea optimizării întregului sistem.

Descompunerea sistemului în susbsisteme poate fi bazată pe considerente geografice sau pe tipuri

de echipamnete. În general procesele de mare complexitate sunt proiectate astfel încât pot fi

evidenţiate subprocese separat, cu interacţiuni slabe, rezultând procese parţial decuplate, cu

interacţiuni ce variază lent în timp.

Printre avantajele structurilor multinivel sunt de remarcat următoarele:

- reducerea efortului de calcul şi a cerinţelor de transmitere a datelor (deoarece taskurile de

coordonare sunt manevrate la nivelul coordonator la fercvenţă joasă);

- creşterea siguranţei în funcţionare a sistemului (cele mai mai multe taskuri de conducere

sunt proiectate a fi manipulate la nivel local iar subsistemele de la primul nivel au o

funcţionare cvasiindependentă);

- reducerea timpului de elaborare şi a costului ca urmare a faptului că algoritmii de reglare

şi sistemele de programare pot fi dezvoltate pas cu pas.

Exemplu de sistem de conducere multinivel: sistemul de conducere pentru sistemul

electroenergetic al navei. În acest caz, subsistemele generatoare de energie electrică şi de

distribuţie sunt proiectate ca susbsisteme semiindependente. Astfel, există o descompunere naturală,

determinată de considerente tehnologice la nivelul grupurilor producătoare de energie electrică şi de

considerente de de amplasare (geografice) la nivelul centralelor electrice, la navele cu mai multe

centrale electrice (staţii de distribuţie în cazul sitemeleor electroenergetice terestre). O asemenea

structură a sistemului electroenergetic este compatibilă cu organizarea multinivel a sistemului de

conducere.

Ierarhia de conducere multinivel presupune şi o ordonare în timp a tuturor activităţilor. Perioada

medie a acţiunii de conducere tinde să crească pe măsură ce ne depărtăm spre nivelul ierarhic

superior. În plus, oricare dintre regulatoare (calculatoare) dintr-o structură multinivel poate include

Restricţii, obiective globale IV

III

II

I

Calculator

coordonator

MCR-1 MCR-2 MCR-n ………………………….

∑ 1 ∑ 2 ∑ n

Info

rmaţ

ii

Res

tric

ţii,

ob

iect

ive

Info

rmaţii

Restricţii,

ob

iective

Variabile

reglate Perturbaţii

taskuri ce sunt executate cu frecvenţe diferite şi priorităţi diferite. Toate aceste consideraţii

motivează conceptul de ierarhie de conducere temporală în carecomanda sau problema elaborării

deciziei este partiţionată în subprobleme având la bază diferite scări de timp care reflectă:

- timpul cerut pentru a obţine informaţia pe baza căreia se elaborează comanda;

- timpul mediu între schimbările discrete ale perturbaţiilor;

- domeniul de timp asociat cu problema conducerii;

- considerente economice.

În cadrul structurilor de conducere ierarhizată pot fi evidenţiate următoarele aspecte esenţiale:

- o problema complexă de conducere este redusă la un set de subprobleme mai simple;

regulatoarele asociate cu subproblemele (subsistemele) sunt coordonate de nivelul

ierarhic superior astfel încât obiectivele şi restricţiile globale să fie satisfăcute;

- fiecare regulator asociat unui subsistem este destinat conducerii locale, satisfăcând

obiectivele şi restricţiile locale;

- acţiunea efectivă a regulatoarelor de la nivelul inferior simplifică sarcina regulatorului

(calculatorului) de la nivelul ierarhic superior prin simplificarea şi agregarea modelelor

asociate cu nivelul ierarhic superior;

- descompunerea taskurilor de conducere , corelată cu funcţiile propriu-zise şi cu timpul,

asigură alocarea raţională a acestora la diverse facilităţi de calcul din cadrul sistemului,

asigurând o utilizare efectivă a resurselor;

- arhitecturile distribuite pentru sistemele de informare, elaborarea comenzilor şi a

deciziilor sunt uşor compatibile cu descompunerea pe taskuri.

Structurile de sisteme de conducere ierarhizată şi distribuită pot fi aplicate atât proceselor cu

evoluţie continuă cât şi rpoceselor cu evoluţie discontinuă.

Categoria de sisteme distribuite de conducere cu microprocesor (μP) fac parte din categoria

sistemelor ierarhizate multinivel, având trei nivele de ierarhizare. Primul nivel este constituit din

subprocesele (ce compun un proces) de medie sau mare complexitate, cel de-al doilea este constituit

din regulatoare numerice multicanal, iar cel de-al treilea nivel este reprezentat de un minicalculator

coordonator şi consola operatorului de proces (COP).

În funcţie de complexitatea procesului, de interacţiuniledintre procese în cadrul structurii

distribuite de conducere pot fi incluse mai multe sau mai puţine regulatoare cu funcţionare

cvasiindependentă sau cu funcţionare total interconectată. Sistemul de comunicaţie între

regulatoarele numerice şi nivelul ierarhic superior poate fi organizat în stea, pe magistrală comună

sau total interconectate.

În figura 1.13 se reprezintă o srtuctură de sistem distribuit la care comunicaţia se realizează în

stea:

MCR-1

MCR-2

Calculator

coordonator

MCR-3 C.O.P.

MCP-k

Fig. 1.13 Sistem distribuit cu comunicaţie în stea

Comunicaţia între regulatoarele numerice se asigură prin in termediul nivelului coordonator. O

asemenea structură în stea se recomandă în condiţiile în care schimbul de informaţii între regulatoare

este minim. În cadrul unor asemenea configuraţii, funcţia de rezervare automată asociată sistemelor

distribuite de conducere este mai dificil de realizat.

Cea mai răspândită structură de sistem distribuit de conducere este structura în cadrul căreia

comunicaţia între regulatoare (microcalculatoare regulatoare MCR) şi nivelul ierarhic superior se

realizează prin intermediul unei magistrale simple sau duble (fig. 1.14):

Fig. 1.14 Sistem distribuit cu comunicaţie prin intermediul unei magistrale

Comunicaţia se realizează prin cablu coaxial sau prin fibre optice. Fiecare microcalculator-

regulator (MCR) realizează funcţiile locale de reglare a unui număr de parametri pentru fiecare

subproces, îndeplinind astfel sarcini identice, cu o funcţionare cvasiindependentă. Schimbul de

informaţii cu nivelul ierarhic superior (consola operatorului de proces COP, calculatorul de proces

MCR) precum şi întreregulatoare şi cu sistemul de rezervare automată se realizează prin intermediul

magistralei supuse controlorului de trafic.

O structură de sistem distribuit de conducere în care fiecare microcalculator-regulator MCR

îndeplineşte sarcini distincte în cadrul obiectivelor generale privind conducerea unui proces este

structura multiprocesortotal interconectată.

Calculator

coordonator C.O.P.

Sitem rezervare

automată

MCR-1 MCR-2 … … … … … …

MCR-2 MCR-2 MCR-n

Controlor

de trafic

P11 P12 P13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P1n

În figura 1.15 este reprezentată o structură total interconectată a unui sistem distribuit de

conducere la care comunicaţia între procesoare se realizează prin intermediul unor unităţi locale de

comunicaţie (ULC), iar cu nivelul ierarhic superior prin intermediul unor unităţi globale de

comunicaţie (UGC). În cadrul acestei structuri sunt incluse, pe lângă regulatoarele numerice, şi două

procesoare cu funcţii speciale de control al traficului pe magistrală (PM) şi de testare şi diagnosticare

(PTD) a funcţionării întregului sistem.

Fig. 1.15 Structură distribuită total interconectată cu comunicaţii locale şi globale

Fiecare microcalculator preia sarcini precise, distincte, impunându-se un transfer important de

informaţii între ele; pot fi repartizate sarcini fiecărui procesor, a căror funcţionare în paralel asigură

performanţe înalte întregului sistem.

1.4 Sisteme tip SCADA (Supervisory, Control and Data Acquisition)

SCADA nu este o tehnologie specifică ci un tip de aplicaţie, orice aplicaţie care primeşte date de

la un sistem pentru a conduce automat sistemul.

O aplicaţie SCADA are două elemente:

1. Procesul/instalaţia /sistemul care trebuie monitorizat şi/sau condus;

2. O reţea de echipamente inteligente care interacţionează cu procesul/sistemul/instalaţia

prin intermediul unor senzori şi care controlează ieşirile. Această reţea, care este un sistem

SCADA, are abilitatea de a măsura, monitoriza şi conduce, local şi/sau dela distanţă

elemente specifice ale unui proces.

Se poate proiecta un sistem SCADA folosind câteva tipuri de tehnologii şi protocoale. Mai întâi

trebuie făcută o evaluare a necesitaţilor şi apoi se decide ce tip de sistem SCADA este cel mai bun

pentru procesul ce trebuie condus în mod automat. De obicei, sistemele SCADA sunt folosite pentru

a automatiza procese industriale complexe acolo unde conducerea umană nu este practică, sisteme

unde factorii ce intervin într-un proces de condus sunt numeroşi sau au o evoluţie rapidă iar factorul

uman nu poate conduce confortabil. Sistemele SCADA sunt folosite aproape în orice domeniu

industrial sau de infrastructură, acolo unde automatizarea poate creşte eficienţa unui sistem.

Sistemele SCADA pot furniza capabilităţi şi putere de calcul importante pentru a conduce orice

proces şi a monitoriza un număr mare de factori care intervin într-un proces:

- acces imediat şi în cantităţi mari la măsurări în toate punctele importante ale unui proces;

Calculator

coordonator

PDT PM

UGC

U

MCR L

C

UGC

U

MCR L

C

UGC

U

MCR L

C

- detectarea şi corectarea problemelor imediat ce ele apar;

- evoluţia măsurărilor în timp real;

- descoperirea şi eliminarea punctelor critice (gâtuirilor) şi ineficienţelor;

- conducerea unor procese extinse şi complexe cu un personal redus şi mai puţin specializat.

Implementarea unui sistem SCADA deşi pare uşor nu este recomandabil să fie făcută decât de

personal cu înaltă calificare de la o firmă specializată consacrată sau de personal ce a cumulat multă

experienţă în domeniu. Altfel există riscuri importante privind:

- durata mult prea lungă de implementare;

- utilizarea ineficientă a resurselor , iar atuci când se doreşte inlocuirea sau upgradarea sistemului

costurile să fie enorme;

- ratarea opertunităţilor cu riscul ca pete câţiva ani tehnologia aleasă să fie depăşită.

1.4.1 Cum funcţionează un sistem SCADA.

Un sistem SCADA realizează patru funcţii:

1. achiziţii de date;

2. comunicaţii de date în reţea;

3. prezentarea (afişarea) datelor;

4. conducerea procesului.

Aceste funcţii sunt realizate cu ajutorul a 4 tipuri de componente SCADA:

1. Senzori (cu ieşire analogică sau digitală) şi relee de comandă care interacţionează cu

sistemul ce trebuie condus.

2. Unităţi telemăsurare (RTU – Remote Telemetry Units).

3. Unităţi principale (master) SCADA. Acestea sunt console de computer mai mari care

servesc ca procesor central pentru sistemul SCADA. Ele sunt prevăzute cu interfeţe om-

maşină ce interacţionează cu sistemul şi reglează automat sistemul condus ca răspuns la

semnalele date de senzori.

4. Reţeaua de comunicaţii care interconectează unităţile principale (master) ale sistemului

SCADA cu unităţile de telemăsurare (RTU) din teren (de pe cuprinsul navei sau al unei

unităţi industriale).

1.4.1.1 Achiziţia de date

Se presupune că se are în vedere un sistem mai complex decât o maşină cu o intrare şi o ieşire.

Sistemele SCADA pot monitoriza sisteme cu sute şi mii de senzori. Unii senzori măsoară intrările în

sistem, iar alţii ieşirile. Unii dintre senzori măsoară simple evenimente care pot fi detectate ca un

simplu comutator cuplat-decuplat, numiţi senzori cu intrări discrete (sau intrări digitale). Practic,

intrarile discrete sunt utilizate pentru a măsura stări simple ca: starea cuplat sau decuplat a unui

echipament electric, declanşarea unei alarme, o decuplare de la reţea, etc. Alţi senzori măsoară

situaţii mai complexe unde măsurarea exactă este importantă. Aceşti senzori analogici pot detecta

schimbări continue de tensiune sau de curent electric. Senzorii analogici sunt folosiţi şi pentru

măsurarea nivelului fluidelor în tancuri, nivelul tensiunii în baterii electrice, temperaturi, presiuni

sau alţi factori care pot fi măsuraţi într-un domeniu continuu de intrări. Pentru majoritatea factorilor

analogici un domeniu normal este definit între o valoare minimă şi una maximă. Dacă domeniul

definit este depăşit într-un sens sau altul, atunci va declanşa un releu de alarmă. În sistemele mai

avansate există 4 relee de declanşare a alarmei definite astfel: mult sub, puţin sub, puţin peste şi mult

peste.

1.4.1.2 Comunicaţia de date

Comunicaţia de date realizează transportul tuturor datelor colectate de la senzori la o locaţie

centrală. La început reţelele SCADA comunicau prin radio, modemuri sau linii seriale dedicate. În

prezent, tendinţa este de a vehicula datele pe ethernet . Din motive de securitate, datele SCADA

trebuie să fie vehiculate în reţele închise LAN/WAN fără o expunere a datelor sensibile pe reţele

deschise de internet.

Sistemele SCADA nu comunică pur şi simplu semnale electrice ci date codificate după un

protocol standard sau mediat. Senzorii şi releele de comandă sunt aparate electrice foarte simple care

nu pot, ele însele, genera sau interpreta un protocol de comunicaţie. De aceea sunt necesare unităţi

de telemetrie RTU ca interfaţă între senzori şi reţeaua SCADA. Unităţile de telemetrie RTU

codează intrările senzorilor într-un format protocol şi le transmite unităţii principale (master)

SCADA; pe de altă parte, unităţile RTU recepţionează semnalele de comndă în format protocol de la

unitatea principală (master) şi transmite semnale electrice releelor de comandă corespunzătoare.

Alegerea corespunzătoare a unei unităţi RTU trebuie să urmărească câţiva factori:

- să aibă o capacitate suficientă pentru a suporta vehicularea datelor necesare în sistem şi

având în vedere eventuale extinderi ale sistemului dar, pe de altă parte, să nu fie exagerată

astfel încât să implice costuri exagerate şi inutile;

- să aibă o construcţie solidă şi care să corespundă condiţiilor de mediu navale sau industriale

specifice locului de amplasare;

- să aibă o alimenatre cu energie electrică sigură şi redundantă - cu alimentare de rezervă de la

baterii prin intermediul unor UPS-uri (Unintrerruptible Power Source) sau cu două surse de

alimentare de pe circuite diferite şi de la surse diferite;

- să aibă porturi de comunicaţie redundante – cu porturi seriale secundare sau cu modem

intern care să menţină unitatea RTU în funcţiune chiar dacă reţeaua LAN cade. În plus, o

unitate RTU cu porturi de comunicaţie multiple poate suporta o strategie de migraţie LAN;

- să aibă o memorie nonvolatilă NVRAM suficientă pentru a păstra programul chiar şi când

alimenatarea cu energie electrică poate să cadă sau pentru a descărca (eventual de pe reţeaua

LAN) noi programe în vederea upgradării, fără vizite excesive pe diferite site-uri;

- să aibă un ceas precis în vederea înregistrării corecte a evenimentelor în jurnal;

- să aibă un modul „watch dog timer” care să asigure repornirea unităţii RTU după o cădere de

tensiune electrică.

1.4.1.3 Prezentarea (afişarea) datelor

Sistemele SCADA “raportează” operatorilor umani printr-un computer specializat, sub diverse

denumiri ca staţie master, interfaţă om-maşină (HMI-Human- Machine-Interface) sau interfaţă om-

computer (HCI – Human-Computer-Interface) starea întregului sistem. Această unitate principală

(master) constituie inima sistemului integrat SCADA pentru întregul echipament.

O unitate principală (master) SCADA poate realiza, în principiu, următoarele funcţii:

- prezintă pe un singur ecran o vedere a întregului echipament monitorizat astfel încât să arate

cu siguranţă de 100% dacă ceva din sistem funcţionează anormal;

- monitorizează până la 1 milion de puncte de alarmă;

- prezintă mesaje (în limba engleză) detaliate care arată operatorilor ce trebuie să facă în caz

de avarie;

- filtrează alarmele în conformitate cu necesităţile cerute de diferiţi utilizatori; se pot selecta

alarmele care trebuie trimise imediat operatorilor (prin pager sau e-mail), cele care să fie

văzute local pe consola monitorului şi care să fie înscrise în jurnal în ordinea apariţiei lor

pentru listare şi analiză ulterioară;

- operatorii să poată vedea informaţiile pe care le vor fără a fi bombardaţi cu alarme

supărătoare.

La alegerea unei unităţi master trebuie avute în vedere, în principal, următoarele:

- să permită un răspuns flexibil şi programabil la semnalele de intrare ale senzorilor;

sistemul trebuie să ofere instrumente facile pentru programarea alarmelor soft şi a

comenzilor soft;

- să nu necesite personal de supraveghere 24 de ore în 7 zile ci să transmită semnale prin

pager sau e-mail tehnicienilor de întreţinere şi reparaţii;

- să afişeze informaţii detaliate, cu descriere completă a activităţilor în desfăşurare şi cum

pot fi ele manageriate;

- filtarea alarmelor supărătoare;

- să aibă capabilităţi de extindere pentru dezvoltări ulterioare ale procesului;

- să aibă un sistem de rezervă astfel încât, dacă unitatea master primară se defectează, o

unitate master secundară de pe reţea să intre automat în funcţiune fără nici o întrerupere a

monitorizării şi a comenzii funcţionării;

- să permită utilizarea unor diverse protocoale ale diverşilor furnizori astfel încât, dacă

furnizorul iniţial nu mai asigură service pentru produsele sale sau dacă dă faliment,

sistemul să poată fi utilizat sau upgradat oricând pe toată durata de funcţionare.

1.4.1.4 Comanda (conducerea) procesului

Sistemele SCADA reglează automat tot felul de procese industriale, intervenind în sensul măririi

vitezei procesului dacă acesta funcţionează prea lent sau dacă procesul permite sau în sensul

micşorării vitezei de lucru dacă acest lucru devine necesar precum şi oprirea procesului dacă

sistemul se defectează. Desigur că oferă şi posibilitatea de a modifica programul de funcţionare

automată. În esenţă un sistem SCADA poate ajusta sistemul manageriat în funcţie de multiple

semnale de intrare.

1.5 Automate programabile

1.5.1.Introducere

Orice automatizare (denumită în literatura de specialitate în limba engleză control) implică

conducerea unor sisteme dinamice având stări continue. Aceste sisteme sunt descrise de ecuaţii

diferenţiale şi au, în general, intrări şi ieşiri analogice. Conducerea acestor sisteme se realizează cu

calculatoare de proces echipate cu module de intrări/ieşiri analogice performante. Există situaţii în

care intrările, ieşirile şi stările unor sisteme pot fi modelate prin variabile binare. În aceste cazuri,

cerinţele impuse sistemelor de conducere sunt mai reduse, utilizându-se automate programabile

(AP).

Primele automate programabile (Programmable Logic Controllers-PLC) au fost introduse în 1969

de către inginerii de la General Motors pentru a înlocui releele utilizate pentru automatizarea liniilor

de fabricaţie cu echipamente mai ieftine şi mai flexibile, sub denumirea de MODICON (Modular

Digital CONtroller). În anii 70 tehnologia de realizare a unităţilor centrale ale AP (PLC) era

dominată de procesoarele bit-slice (AMD 2901 şi 2903). Aproximativ prin 1973 AP au început să fie

dotate cu facilităţi de comunicare. Un astfel de sistem a fost MODICON MODBUS. Acum AP

puteau comunica între ele şi se puteau situa la distanţă de procesul condus. Prin anii ‚80 s-a încercat

standardizarea comunicaţiilor utilizăndu-se MAP (Manufactoring Automation Protocol) de la

General Motors, apoi s-a introdus, ca variantă europeană, PROFIBUS de către firma Siemens. Tot

atunci s-a reuşit reducerea dimensiunilor AP (astăzi pot atinge dimensiunile unui releu deşi un AP

poate îngloba sute de relee), apariţia limbajelor de programare simbolice şi a programelor de consolă

care au făcut programarea mai uşoară şi realizabilă prin intermediul calculatoarelor personale, care

au înlocuit consolele de programare utilizate până atunci.

Din punct de vedere software, cei mai mulţi dintre producătorii de AP au implementat la început

limbajul LAD (Ladder Diagram) care a fost dezvoltat în jurul unei reprezentări schematice a

circuitelor cu contacte şi relee. Pentru probleme simple de automatizare, programarea în Ladder

Diagram este ideală deoarece este intuitivă şi poate fi înţeleasă fără o pregătire specială, după o

scurtă instruire.

De la apariţia lor, AP s-au răspândit rapid în industrie devenind cele mai utilizate echipamente.

Succesul lor se datorează în primul rând preţului redus şi faptului că pot fi puse în funcţiune şi

eventual programate de personal fără o pregătire de nivel înalt în domeniul informaticii.

AP sunt microcalculatoare simple, special construite pentru a rezolva, prin program, probleme de

logică secvenţială şi de a înlocui comanda automatizărilor secvenţială în logică cablată (cu circuite

logice şi relee). Aceste echipamente oferă, în general, mai puţine oportunităţi decât calculatoarele

informatice sau cele de proces dar pot fi utilizate foarte uşor de un personal mai puţin specializat,

datorită limbajelor de programare mai simple, de tipul limbajului cu relee, limbajelor cu ecuaţii

booleene sau a limbajelor grafice. Derularea unui program pe un AP este, în general, de tip sincron

ceeace elimină complicaţiile care apar în cazul multitaskingului.

Cea mai mare parte a AP sunt construite pentru a înlocui releele, ele lucrând cu variabile

booleene şi având unitatea centrală simplificată. S-au realiuat, însă, şi AP performante, de

complexitatea calculatoarelor de proces care oferă multe facilităţi şi care pot fi utilizate în

automatizări deosebit de complexe.

Deşi programarea AP este de competenţa nivelului de pregătire mediu, există tehnici de

programare structurată care măresc considerabil fiabilitatea programelor şi uşurează munca de

documentare a programelor.

1.5.2 Sisteme de informatică tehnică. Partea operativă şi partea de comandă a unei

automatizări

Orice sistem automatizat cuprinde două părţi: partea operativă (subsistemul de bază) şi partea de

comandă (fig. 1.16):

Fig. 1.16 Structura unui sistem automatizat

Partea operativă este cea care acţionează asupra procesului propriu-zis şi cuprinde elemente de

acţionare ca: motoare electrice, pistoane hidraulice şi pneumatice, rezistenţe de ăncălzire,

electrovane, etc.

Partea de comandă este cea care emite comenzi către partea operativă şi primeşte informaţia de

reacţie în vederea coordonării acţiunilor. Elementul principal al părţii de comandă este Unitatea de

Prelucrare (UP), care realizează tratarea informaţiilor primite pe mai multe căi şi elaborează,

conform unui algoritm, comenzile pentru realizarea evoluţiei părţii operative potrivit cerinţelor

automatizării.

Parte

operativă

(PO)

Parte de

Comandă

(PC)

Comenzi

Informaţie

de la proces

Fig.1.17 Elementele componente ale părţii operative şi de comandă

Plasarea traductoarelor pe linia de separare dintre partea PO şi PC arată că traductoarele se găsesc

în imediata apropiere a procesului, dar informaţiile obţinute de la traductoare suferă, de cele mei

multe ori, transformări, în special filtrări, care au loc în UP.

Interfaţa DIALOG preia informaţiile de la operatorul uman. În cazul AP aceste interfeţe se

numesc panou operator (Operating Panel). Ele pot atinge complexitatea unui display de înaltă

rezoluţie fiind prevăzute cu o tastatură completă sau pot avea câteva taste şi unul sau două rânduri

pentru afişarea de text.

Interfaţa COMUNICAŢIE este destinată realizării schimbului de informaţii cu sisteme similare,

care sunt coordonate între ele sau cu calculatoare personale, pe care se monitorizează procesul sau pe

care rulează un program de consolă (pentru programarea UP). Această interfaţă poate fi echipată cu

procesor de comunicaţie, putându-se realiza prin intermediul ei reţele de AP funcţionând la viteze

mari.

Elementele de acţionare şi preacţionare sunt realizate în trei tehnologii: electrică, hidraulică şi

pneumatică. Exemple de elementele de acţionare electrice: motoare electrice cu viteză constantă sau

variabilă, electrovane proporţionale, rezistenţe de încălzire, capete de sudură prin ultrasunete, capete

de tăiere prin laser, etc. Elementele de preacţionare asociate acestora sunt contactoarele şi

variatoarele de viteză, prevăzute cu elemente de protecţie.

Traductoarele furnizează informaţia din proces detectând poziţii, viteze, acceleraţii, presiuni,

temperaturi, debite, forţe, etc. gama de traductoare utilizate în automatizarea proceselor este din ce în

ce mai variată şi cu performanţe din ce în ce mai bune.

1.5.3 Panouri de comandă şi circuite de siguranţă

Orice sistem automatizat necesită o interfaţă cu operatorul uman prin care acesta să poată

interveni în proces. Această intefaţă se numeşte panou de comandă. Sistemul trebuie să poată fi

comandat manual sau condus numai de către AP. Cele două posibilităţi pot fi selectate prin

intermediul unui comutator de pe panoul de comandă. Panoul trebuie să mai conţină indicatoare

luminoase (lămpi sau led-uri) care să arate starea elementelor componente ale sistemului. De

exemplu dacă un electromotor este pornit sau oprit, dacă un nivel este depăşit sau nu, dacă un

element necesită întreţinere după un număr de porniri, etc.

Pe de altă parte, orice sistem automat este prevăzut cu circuite de siguranţă de forma unui

comutatore tip ciupercă ce întrerupe alimentarea întregului sistem de acţionare cu energie electrică.

Acest comutator poate fi plasat pe panoul de comandă dar şi în alte locuri.

ELEMENTE DE

ACŢIONARE

PROCES

UP

COMUNICAŢIE

DIA

LOG

ELEMENTE DE

PREACŢIONARE

TRADUCTOARE

PO PC

Circuitele de siguranţă operează independent de AP, deşi semnalele de la acest circuit trebuie să

poată fi preluate în automat pentru a fi avute în vedere la efectuarea programului.

1.5.4 Tehnologii utilizate pentru realizarea unei automatizări

În principiu, pentru realizarea unei automatizări se pot utiliza mai multe soluţii:

- utilizarea unei tehnologii cablate (clasice) care presupune folosirea releelor electrice,

pneumatice sau hidraulice;

- utilizarea circuitelor integrate universale sau specializate pentru realizarea unor sisteme

dedicate;

- utilizarea automatelor programabile (AP);

- utilizarea calcvulatoarelor de proces (CP).

Domeniul de utilizare a uneia dintre soluţiile prezentate depinde de complexitatea automatizării şi

de numărul de echipamente identice. În figura 1. 18 este prezentat locul fiecărei soluţii în realizarea

unei automatizări.

Fig. 1.18 Realizarea unei automatizări în

funcţie de complexiatea ei şi de numărul

de echipamente

Din grafic rezultă următoarele:

- tehnologia cablată este utilizată pentru probleme în care complexitatea automatizării este

mică;

- AP se utilizează în cazul în care complexitatea automatizării este medie şi acolo unde se

cere flexibilitate;

- pentru un grad de complexitate ridicat se utilizează calculatoare de proces;

- utilizarea AP şi CP este recomandată dacă numărul de echipamente care urmează să fie

realizate nu depăşeşte 50;

- pentru un număr mai mare de 50 de echipamente identice se recomandă dezvoltarea unei

cercetări proprii care să permită elaborarea unor module specializate şi utilizarea lor ca

echipamente înglobate;

- există o suprapunere parţială a domeniilor de utilizare a soluţiilor de automatizare

deoarece realizarea unor AP performante permite folosirea lor în domeniul în care se

folosesc cu aceleaşi rezulate calculatoarele de proces.

2. Descrierea unei automatizări

Rel

ee

Cal

cula

toar

e

de

pro

ces

Au

tom

ate

pro

gram

abile

Module electronice standard

Module electronice specializate

5

50

500 N

um

ăr e

chip

amen

te

Complexitatea automatizării

Pentru conceperea, realizarea şi exploatarea unei automatizări este necesar să se realizeze

o descriere a comportării sale.

2.1 Descrierea unei automatizări cu ajutorul caietului de sarcini

Descrierea cea mai simplă, în limbajul curent, o constituie caietul de sarcini al unei

automatizări care enumeră ceea ce trebuie să facă sistemul în fiecare etapă, precizându-se

şi condiţiile pe care trebuie să le satisfacă în fiecare moment. Un asfel de caiet de sarcini

este însoţit de o schemă tehnologică a instalaţiei de automatizat.

Din cauza faptului că în practică automatizările de realizat sunt mult mai complexe,

rezultă caiete de sarcini greu de utilizat în programarea propriu-zisă. Ele sunt indispensabile

pentru utilizarea altor mijloace simbolice sau grafice care permit o exprimare mai concisă şi

mai clară.

2.2 Descrierea simbolică sau grafică a unei automatizări

Descrierea simbolică sau grafică a unei automatizări se poate face în mai multe moduri:

- se pot folosi contactoare şi relee pentru a realiza, prin conectarea adecvată,

diferite funcţii logice;

- se pot utiliza variabile logice pentru a exprima combinaţiile complexe de

condiţii sub forma unor ecuaţii logice;

- se pot utiliza blocuri logice, care realizează diferite funcţii logice, iar prin

interconectarea lor vor rezulta acţiunile sistemului de comandă;

- se utilizează o metodă grafică numită GRAFCET, derivată din reţelele Petri.

Fiecare dintre modurile de descriere simbolică şi-a găsit reprezentarea sub forma unui

limbaj de programare al PLC(AP).

GRAFCET este limbajul grafic cel mai bine adaptat pentru descrierea unei automatizări

secvenţiale (el constituie obiectul de studiu pentru cei care proiectează sisteme automate). El

reprezintă o succesiune de etape într-un ciclu. Această reprezentare este denumită în

literatura de specialitate graf.

O etapă este reprezentată printr-un dreptunghi; etapa de pornire (etapa iniţială) este

reprezentată printr-un dreptunghi dublu.

Fiecărei etape i se asociază una sau maimulte acţiuni care se execută dacă etapa este

activă. Acţiunile asociate unei etape se scriu într-un alt dreptunghi, legat printr-o linie

orizontală de etapa respectivă.

Evoluţia grafului de la o etapă la alta este controlată de tranziţii dispuse între etape şi

reprezentate prin linii orizontale.

Fiecărei tranziţii i se asociază o condiţie logică de parcurgere. Această condiţie este

scrisă în dreptul tranziţiei.

În cazul în care condiţia logică ataşată tranziţiei este adevărată, tranziţia poate fi

traversată rezultând activarea etapei sau etapelor care urmează tranziţiei, dacă etapa sau

etapele anterioare sunt active.

În cursul evoluţiei în timp a unui graf se vor activa diferite etape, în funcţie de

îndeplinirea condiţiilor de parcurgere a tranziţiilor şi de starea anterioară a grafului. O etapă

care este activă la un moment dat este marcată printr-un jeton (punct) în interiorul

dreptunghiului care reprezintă etapa (fig. 2.1).

Figura 2.1 Elementele principale ale unui graf

Reprezentarea sub formă de graf poate fi făcută în mai multe moduri:

Graful caietului de sarcini, în care acţiunile şi condiţiile de parcurgere a

tranziţiilor sunt prezentate sub forma unor fraze din caietul de sarcini. Această

reprezentare se face imediat după ce caietul de sarcini este agreat de către

beneficiar.

Graful acţiunilor, în care se pot reprezenta în graf acţiunile şi condiţiile de

parcurgere a tranziţiilor. Acest tip de graf se va elabora după ce s-au ales

elementele de acţionare şi traductoarele.

Graful de comandă, în care se pot reprezenta în graf semnalele de comandă

generate de automat în locul acţiunilor şi a semnalelor de la traductoare, pentru

condiţiile de parcurgere a tranziţiilor. Acest tip de graf se va elabora după ce s-au

ales elemenbtele de preacţionare. Graful de comandă este cel care se

programează, dacă mediul de programare permite utilizarea limbajului SFC

(Sequential Function Chart – mijloc destinat pentru structurarea şi organizarea

unui program), sau este folosit pentru elaborarea programului în cazul în care

mediul de programare este mai puţin evoluat.

Observaţie: caietul de sarcini al unei automatizări şi descrierea sa sub formă grafică

constituie un punct de plecare pentru realizarea unui program pentru un PLC (AP). Dacă

automatizarea este complexă atunci, pe baza caietului de sarcini, trebuie întocmit un proiect

al automatizării care să cuprindă schema electrică completă (folosind un program CAD).

1 A1

2

C1

3

A2

A3

C2

C3

1

2

3

2.3 Clasificarea automatelor programabile

Dacă nu se iau în considerare structurile cu logică cablată, o automatizare secvenţială se

poate realiza cu două tipuri de automate programabile: automate programabile algoritmice

şi automate programabile vectoriale.

Cele algoritmice implementează maşinile algoritmice de stare (ASM) cu ajutorul

memoriilor de tip ROM (REPROM) sau se realizează ca structuri microprogramate a căror

evoluţie în timp este determinată de o secvenţă coerentă de microinstrucţiuni din memoria

internă. Programarea lor este destul de greoaie şi este făcută de un personal cu pregătire

superioară.

Automatele programabile vectoriale sunt microcalculatoare special construite pentru

tratarea prin program a problemelor de logică secvenţială şi combinaţională. Ele sunt

construite de firme specializate (ex: Siemens) şi sunt foarte flexibile deoarece simulează

structurile logice de comandă printr-o configuraţie elastică, programabilă. Limbajele de

programare ale acestor automate sunt, în general, simple şi accesibile persoanelor care nu

sunt familiarizate cu tehnici specifice de informatică (pentru cele mai multe dintre AP

vectoriale sunt implementate limbaje similare unei logici cablate sau cu circuite imprimate).

În general se poate spune că formarea personalului pentru programarea şi utilizarea AP

vectoriale nu pune atâtea probleme ca cea a programatorilor pentru calculatoarelor de

proces. Ca urmare, le vom acorda atenţia.

Observaţie:

toate automatele programabile sunt special adaptate să funcţioneze într-un mediu

industrial cu o plajă largă de temperatură şi umiditate.

Ele sunt structuri fiabile şi uşor de interfaţat cu orice proces.

Au preţuri de cost relativ reduse faţă de calculatoarele de proces şi de aceea au o

pondere importantă în structurile de conducere automată.

3. Automate programabile vectoriale

3.1 Principiul de funcţionare al automatelor programabile vectoriale

Automatele programabile vectoriale (AP) sunt microcalculatoare simple care sunt

construite special pentru a trata prin program problemele de logică secvenţială.

Ele sunt folosite pentru a înlocui automatizările secvenţiale realizate cu contactoare şi

relee.

Într-o formă generală, un AP poate fi considerat ca un echipament care permite legături

logice între un număr mare de intrări şi ieşiri, fără circuite de interfaţare

suplimentare.

AP simulează software structuri de porţi logice integrate, substituind configuraţia

cablată printr-o structurănprogramabilă.

Aceste sisteme oferă mai puţine facilităţi decât calculatoarele de proces sau cele

informatice dar pot fi utilizate de un personal mai puţin calificat datorită limbajelor orientate

pe aplicaţii.

Derularea unui program pe un astfel de sistem este sincronă, ceea ce elimină multiplele

complicaţii ce apar în cazul programelor realizate cu mai multe fire.

AP lucrează doar cu variabile booleene având deci o unitate centrală simplă. Pentru

aplicaţii mai evoluate există în prezent AP de mare performanţă care se apropie de

complexitatea calculatoarelor, lucrând cu cuvinte de 8, 16 şi 32 biţi şi pot efectua operaţii

aritmetice în virgulă mobilă.

Pe piaţă sunt disponibile variate tipuri de AP, cu caracteristici ce variază de la un

constructor la altul (Siemens, ABB, Crouzet, Kontron,etc.). Se vor prezenta caracteristicile

comune tuturor AP.

Adesea, AP sunt clasificate în 3 categorii, în funcţie de numărul de intrări şi ieşiri cu

care sunt prevăzute:

AP de clasă redusă care au un număr mic de intrări şi ieşiri (16 – 128). Acestea

sunt echipamente simple, construite să lucreze fără echipamente auxiliare, odată ce

programul a fost încărcat. Sunt destinate să înlocuiască circuitele cu contactoare şi

relee; au un procesor simplu de 8 biţi, module de intrare/ieşire binare şi pot fi

programate în limbaje simple orientate pe aplicaţii;

AP de clasă medie care sunt construite să trateze aplicaţii care necesită între 100 şi

500 intrări/ieşiri. Ele se realizează cu procesoare mai performante de 8 sau 16 biţi

şi pot fi programate în limbaje de programare evoluate;

AP de clasă ridicată care pot trata mii de intrări/ieşiri. Ele se apropie de

complexitatea calculatoarelor de proces atât din punct de vedere al performanţelor

şi al perifericelor utilizate cât şi din punct de vedere al programării.

3.2 Structura şi modul de funcţionare al automatelor vectoriale

Arhitectura unui AP este foarte asemănătoare cu cea a unui microcalculator. Ea conţine o

unitate centrală de prelucrare (procesor), memorie, module de intrare/ieşire. Există şi

câteva deosebiri între structura unui AP şi cea a unui microcalculator.

O primă deosebire importantă se referă la memorie: în timp ce la calculatoarele

informatice şi de proces nu există nici o deosebire între memoria utilizată de sistem pentru

programe şi pentru date, la AP memoria utilizată pentru date şi cea pentru program este

organizată la adrese diferite. Această soluţie este impusă de faptul că de cele mai multe ori

programele, odată elaborate şi testate, sunt încărcate în automat şi nu sunt modificate şi deci

pot fi memorate în memorii ROM; în acest fel sunt mai bine protejate de eventualele

întreruperi accidentale ale alimentării cu energie electrică. Memoria pentru date, care este

de tip RAM, este organizată conceptual cu acces la nivel de bit şi este împărţită în 3 zone

distincte (fig.3.1):

Zona rezervată pentru păstrarea imaginii intrărilor;

Zona rezervată pentru păstrarea imaginii ieşirilor;

Zona rezervată variabilelor de program şi de sistem.

Fig. 3.1 Memoria de date a AP

Fiecare bit al zonelor care memorează imaginea intrărilor şi ieşirilor este asociat de

către automat cu o intrare sau o ieşire binară. De aceea, programatorul nu trebuie să se

preocupe de realizarea de operaţii de intrare/ieşire, acesta lucrând doar cu 3 tipuri diferite de

variabile: de intrare, de ieşire şi interne. În general, aceste variabile sunt reperate prin

simboluri care încep cu litere prefixate diferit, de exemplu I pentru intrări, Q pentru ieşiri, V

sau M pentru variabilele interne, la automatele din seria SIMATIC.

Pentru elaborarea corectă a unui program, un utilizator trebuie să ştie că la sfârşitul fazei

de citire, zona de memorie de date (care conţine imaginea variabilelor de intrare) conţine

starea intrărilor automatului, iar la sfârşitul fazei de tratare utilizatorul trebuia să fi realizat

setarea imaginii din memorie a ieşirilor (pentru ca acestea să poată fi transferate în faza de

actualizare la ieşirile automatului).

O altă deosebire constă în modul de execuţie a unui program. În timp ce la

calculatoarele de proces sau informatice un program (proces, task, aplicaţie) este activat de

către sistemul de operare şi se execută în regim monotasking sau multitasking începând

de la prima instrucţiune până la terminare, la AP se execută în regim monotasking un ciclu

infinit care are trei faze(fig. 3.2):

Fig. 3.2 Ciclul unui automat vectorial simplu

În faza de citire a intrărilor, PIIT, sunt scanate intrările automatului şi are loc încărcarea

acestora în zona de memorie rezervată variabilelor de intrare.

Variabile de intrare

Variabile interne

Variabile de ieşire

Adresă de cuvânt

Adresă de bit

Citire intrări (Process

Image Input Table-PIIT)

Tratare (Processing

the Program – PP)

Actualizare ieşiri (Process

Image Output Table – PIIOT)

În faza de tratare,PP, se execută instrucţiunile încărcate într-o zonă de memorie rezervată

programelor. Dacă în această zonă utilizatorul nu a încărcat nici un program, atunci se va

executa o singură instrucţiune NOP.

În faza de actualizare a ieşirilor, PIOT, se transferă spre ieşirile automatului o zonă de

memorie care conţine imaginile acestora în memoria automatului.

Operaţiile din fazele de citire intrări şi actualizare ieşiri se fac sub controlul

sistemului de operare care mai are ca sarcini gestionarea memoriei, gestionarea pornirilor

la rece (cold restart), şi la cald (warm restart) şi realizarea comunicaţiei cu alte sisteme.

Deci instrucţiunile prin care se realizează programarea unui automat nu cuprind

instrucţiuni de intrare/ieşire şi de aceea AP pot, în general, să funcţioneze fără unităţi

periferice de tip informatic (tastatură, display), aceste elemente fiind utilizate mai mult

în procesul de elaborare şi punere la punct a programelor.

Există trei moduri de pornire a unui automat: pornirea la rece (cold restart), pornirea la

cald (warm restart) şi pornirea fiebinte (hot restart).

La pornirea la rece, procesarea unui program începe cu prima instrucţiune a sa, cu

valorile variabilelor, imaginile I/O, temporizările şi contoarele iniţializate într-o stare

predeterminată. Pornirea la rece poate fi automată sau manuală.

La pornirea la cald procesarea unui program începe cu faza PIIT şi cu toate valorile de

memorie, timerele şi contoarele având valori predeterminate şi programate de utilizator.

La pornirea fierbinte sau imediată, programul este reluat de unde a fost întrerupt

realizându-se o salvare a întregului context al programului.

Toate automatele pot realiza porniri la rece şi la cald, iar pornirea fiebinte este

implementată doar la automatele de clasă mare.

Faza de tratare (PP) este cea în care se execută instrucţiunile programului scris de

utilizator. În această fază sunt folosite imaginile din memorie ale intrărilor şi ieşirilor

automatului. Transferul către ieşiri se realizează în ultima fază a ciclului. Actualizarea

imaginilor din memorie ale intrărilor se realizează întotdeauna la începutul ciclului.

Pentru ca AP să răspundă cât mai rapid la modificările din proces trebuie ca ciclul să fie

cât mai scurt posibil. Lungimea ciclului depinde de numărul de intrări şi ieşiri şi de

numărul de instrucţiunidin programul scris de utilizator. Trebuie deci ca ciclul unui AP să

nu depăşească o valoare critică pentru procesul controlat.

Pentru automatele mai complexe, la începutul unui ciclu, s-a introdus o fază de procesare

internă numită IP (internal Processing) în care se realizează operaţii specifice ca: gestionarea

cuvintelor din sistem, actualizarea valorii timpului, actualizarea stării lămpilor de pe panoul

automatului, citirea stării butoanelor de pe panou, etc.(fig. 3.3).

Fig. 3.3 Ciclu cu procesare internă

Unele firme realizează AP care au posibilitatea de a realiza ciclul într-un timp dat. Dacă

ciclul se termină mai repede decât timpul setat pentru ciclu, atunci se introduce o fază de

aşteptare.

Pentru a îmbunătăţi sincronizarea dintre automat şi procesul condus, unele AP lucrează

cu cicluri în care operaţiile de intrare sau de ieşire sunt imbricate cu faza de tratare

propriu-zisă. Cu această organizare a ciclului, programarea AP este foarte mult simplificată

deoarece operaţiile de intrare/ieşire sunt implicite. În plus legătura cu exteriorul nu este

afectată în timpul fazei de tratare (fig. 3.4):

Fig. 3.4 Ciclu imbricat

Prin durată a ciclului Tciclu se înţelege timpul scurs între două lansări ale aceleiaşi părţi

din programul de aplicaţie. Cunoaşterea duratei ciclului pentru un program de automatizare

este foarte importantă pentru a putea preciza modul de răspuns al unui automat la

informaţiile din proces. Programarea structurată a unor astfel de dispozitive este greoaie şi s-

au adus o serie de îmbunătăţiri de unele firme.

Dacă se atribuie sistemului de operare şi sarcina apelării programelor utilizator, se poate

împărţi programul scris de utilizator în mai multe module, ceea ce permite înţelegerea mai

uşoară a programelor mari, modificarea mai uşoară, realizându-se premisele pentru

structurarea programelor.

Firma Siemens a realizat o asemenea încercare pentru automatele de clasă mijlocie şi

mare împărţind programele în mai multe blocuri (OB) care determină structura unui

program şi care sunt apelate de sistemul de operare. Aceste blocuri constituie interfaţa dintre

sistemul de operare şi programul utilizator. Fiecare bloc este apelat ciclic sau pe întreruperi

generate de ceasul sistemului sau de hardware. Execuţia unui bloc poate fi întreruptă de

execuţia altui bloc, în funcţie de prioritatea blocului. S-au adus şi modificări mecanismului

de apelare a procedurilor în sensul că s-au introdus apeluri de rutine cu blocuri de date

proprii.

3.3 Modulele de intrare - ieşire ale AP

Legătura cu procesul este realizată la AP prin intermediul unor porturi paralel care au pe

fiecare bit structuri de adaptare şi izolare galvanică. Pentru intrările binare, se adaugă o

IP PIIT PP PIOT

PIIT PP PIIT PP PIOT

structură pe fiecare bit a portului prin care se realizează o adaptare şi o separare galvanică

pentru semnalul de intrare (fig. 3.5):

Fig. 3.5 Structură adăugată pe fiecare bit al portului de intrare

Starea unui contact este transformată într-o tensiune prin intermediul unei surse

exterioare de tensiune Ua care este diferită de U1 care alimentează structura hardware a AP.

Rezistenţele R1 şi R2 sunt rezistenţe de adaptare a nivelului (divizor de tensiune). Tensiunea

redresată alimentează o diodă dintr-un optocuplor OC. Dacă dioda din optocuplor este

parcursă de curent (ceea ce înseamnă că traductorul binar – contactul – conectat la intrarea

AP este închis, tranzistorul din OC este deschis, ceea ce înseamnă că la intrarea portului se

află un zero logic deoarece condensatorul C1 se descarcă pe rezistenţa directă a

tranzistorului. În cazul în care traductorul binar de intrare nu este închis, prin diodă nu va

trece curent şi deci tranzistorul este închis, ceea ce înseamnă că la intrarea portului se află

un unu logic, condensatorul fiind încărcat. Rezistenţele R2 şi R3 au rolul de a limita curenţii

absorbiţi de sursă, iar rolul diodei Zenner DZ este de a fixa un prag de la care să fie sensibilă

intrarea; LED este un indicator luminos al stării intrării.

Similar, se adaugă o structură pe fiecare bit a portului pentru ieşirile binare pe releu ale

unui AP (fig. 3.6):

Fig. 3.6 Structură adăugată pe fiecare bit al portului de ieşire

3.4 Panouri operator

Aceste dispozitive sunt utilizate pentru realizarea unor interfeţe cu utilizatorul. Sunt

livrate într-o gamă largă, de la simple ecrane alfa-numerice cu câteva rânduri şi un număr

Ua

Ix,y R1

R2

N

R3 R4 R5

C1

Proces

Port AP

OC

DZ LED

R

A

D1

Port AP

OC

PA

Qx,y

Ua

R

D2

Proces

LED

limitat de taste până la ecrane grafice de mare rezoluţie şi tastaturi complete. Preţurile lor

sunt ridicate în special din cauza măsurilor care se iau pentru protecţia acestora împotriva

deteriorărilor electrice şi mecanice care au surse numeroase în mediul industrial. Unele

firme înglobează în programele de consolă şi posibilitatea configurării acestor dispozitive.

Este evident că odată cu creşterea complexităţii panourilor operator cresc şi costurile

pentru programele de configurare şi operare. Aceste programe oferă o mare varietate de

primitive grafice prin intermediul cărora se poate realiza o interfaţă prietenoasă.

În principiu, un panou –operator (OP – Operating Panel) este construit astfel încât să

realizeze o conversaţie periodică bidirecţionbală cu AP şi, în funcţie de datele citite sau

transmise către AP, să afişeze informaţii pentru utilizator sau AP să fie informat de starea

tastelor funcţionale.

Conţinutul mesajelor se găseşte în memoria AP sau în memoria OP. Afişarea unui mesaj

se realizează atunci când anumiţi biţi din memoria automatului (numiţi biţi de validare a

mesajelor) sunt setaţi de către programul utilizator. Mesajele pot, pentru anumite OP, să

conţină câmpuri mixte de text şi date (de intrare sau de ieşire). În cazul OP mai complexe o

mare parte din informaţii se găsesc chiar în memoria OP.

Starea tastelor funcţionale de pe OP poate fi testată de AP deoarece, corespunzător

tastelor de pe OP, sunt definiţi anumiţi biţi din memoria AP care reprezintă imaginile

acestor taste. Tastele funcţionale pot fi folosite pentru navigarea, fără intervenţia AP, între

mai multe ecrane al căror conţinut este memorat chiar în OP.

Viteza de transfer a datelor, intervalul de timp după care are loc scanarea, mesajele şi

biţii de validare a mesajelor sunt stabiliţi în cadrul operaţiei numite operaţie de

configurare. La punerea în funcţiune a unor tipuri de OP, acestea citesc blocul de parametri

din AP, testează dacă aceste valori sunt valide şi îşi încep activitatea testând biţii de validare

a mesajelor şi afişează mesajele în funcţie de valorile acestor biţi.

Alte tipuri de OP trebuie configurate înainte de a fi puse în funcţiune, configurarea fiind

o operaţie asemănătoare cu programarea AP şi constând în introducerea conţinutului

mesajelor, definirea ecranelor şi a modului de navigare între ele, definirea câmpurilor mixte

de pe ecrane, etc. Fiind o operaţie destul de complcată, de cele mai multe ori, aceasta este

rezolvată în cadrul unor programe independente de programul de consolă a automatului.

3. Sisteme de comandă şi semnalizare a instalaţiei de ancorare şi legare

3.1 Rolul şi elementele principale ale instalaţiilor de ancorare

Instalaţia de ancorare are rolul de a asigura staţionarea sigură a navei în diferite condiţii. La staţionarea navei în rade deschise sau închise, aceasta este supusă acţiunii forţei datorate vântului, forţei datorate curenţilor marini şi forţei datorate valurilor. Pentru a asigura menţinerea navei pe loc în aceste condiţii este necesar ca să fie legată de sol cu o legătură

flexibilă care să-i permită deplasări în jurul unui punct fix. Legarea navei de sol se face cu ajutorul lanţului de ancoră şi al ancorei.

Instalaţia de ancorare se compune din următoarele elemente principale: ancore, lanţuri pentru ancore, mecanisme de transmisie, cabestan sau vinci, motor electric de execuţie şi sistemul de comandă.

În figura 3.1. este prezentată dispunerea generală a instalaţiei de ancorare.

Lanţul ancorei are un capăt legat de ancoră (1), iar celălalt capăt este legat de corpul navei printr-o cheie de împreunare. El se dispune de la ancoră prin nara (3), stopa (4) care susţine ancora şi lanţul, barbotina cabestanului (5), nara în punte (6) şi puţul lanţului (7). Cabestanul este pus în mişcare de electromotorul (8) prin intermediul transmisiei (9). Între electromotor şi mecanismul de transmisie se montează frâna electromagnetică (10). Instalaţia de comandă a electromotorului se compune din: controlerul (11), tabloul cu contactoare şi relee (12) şi cutia cu rezistenţe de pornire şi reglaj (13).

Ancorele care se folosesc frecvent sunt de două tipuri: ancore tip amiralitate şi ancore

cu braţ articulat. Ancora tip amiralitate are mai mare putere de susţinere, însă se preferă de

obicei celălalt tip de ancoră care are gabarite mai mici, se dispune şi se strânge mai uşor.

Ca mecanisme pentru coborârea şi ridicarea ancorelor se folosesc cabestanele sau vinciurile. Cabestanele au axa barbotinei situată vertical şi întregul mecanism de transmisie dispus sub puntea principală, iar vinciurile, spre deosebire de cabestane, au axa orizontală şi transmisia mecanică dispusă pe punte.

Lanţul se aşează pe barbotină care are la periferie locaşuri în care intră complet o verigă a lanţului, astfel ca la rotirea acesteia lanţul să fie tras la bord.

Tamburul de manevră este destinat pentru strângerea parâmelor de legare. El are o formă

concavă, pentru ca parâma care se strânge să nu cadă de pe el. Pe suprafaţa tamburului de

manevră există o serie de proeminenţe, numite nervuri, pentru ca parâma să se aşeze cât mai

strâns pe acesta.

Fig. 3.1. Dispunerea generală a instalaţiei de ancorare

În figura 3.2. este prezentată schema cinematică a cabestanului de ancoră.

Fig. 3.2. Schema cinematică a cabestanului de ancoră

1 - motor electric;

2 - transmisie melc - roată melcată;

3 - ax;

4 - barbotină;

5 - discuri de fricţiune;

6 - tambur de manevră;

7 - frână electromagnetică.

Barbotina şi tamburul de acostare sunt cuplate cu axul (3) al cabestanului prin discurile

de fricţiune (5). Forţele de frecare şi deci cuplurile transmise prin fricţiune axului

cabestanului se reglează cu ajutorul resorturilor, astfel încât să se evite aplicarea unor

suprasarcini extreme la axul electromotorului de acţionare a cabestanului.

Când forţa de apăsare pe discuri, creată prin tensionarea unor resorturi acţionate printr-

un sistem mecanic de o roată, este nulă, tamburul de manevră şi barbotina se mişcă liber faţă

de ax. Această manevră se execută la fundarisirea ancorei, când sub acţiunea greutăţii

proprii ancora se filează rotind barbotina şi tamburul în gol.

Pentru ridicarea ancorei se presează discurile (5) şi barbotina va fi cuplată prin fricţiune

cu axul (3). Electromotorul de execuţie (1) roteşte axul (3) şi împreună cu acesta se va roti

barbotina (4), virând lanţul ancorei la bordul navei.

În figura 3.3. este reprezentată schema cinematică a unui vinci de ancoră.

Cuplul motorului electric se transmite prin transmisia melc - roată melcată (5),

roţilor dinţate (4) şi axului (8). Axul (8) este cuplat printr-o legătură mecanică mobilă cu

barbotinele (2). Legătura mobilă se realizează cu manşoanele de cuplare cu came (3), care se

pot deplasa axial de-a lungul unor pene realizând cuplarea şi decuplarea barbotinelor (2) de

axul (8). Cu ajutorul vinciului de ancoră se pot vira în acelaşi timp una sau două ancore.

Fig. 3.3. Schema cinematică a

vinciului de ancoră

1 - tamburul de manevră;

2 - barbotina;

3 - manşon de cuplare;

4 - roată dinţată;

5 - transmisie melc - roată melcată;

6 - frână electromagnetică;

7 - motor electric;

8 - ax.

Frâna electromagnetică prevăzută în schemele cinematice execută frânarea mecanică a

axului electromotorului în absenţa alimentării cu energie electrică. Atunci când

electromagnetul frânei este alimentat se realizează deblocarea axului electromotorului.

Frânele electromagnetice pot fi cu bandă sau saboţi. În prezent cunoaşte o largă utilizare

frâna disc înglobată în construcţia electromotorului destinat pentru acţionarea vinciurilor sau

cabestanelor.

Aspectul general al unui vinci de ancoră este prezentat în figura 3.4.

Fig. 3.4. Aspectul general al vinciului de ancoră În figura 3.5. se prezintă elementele componente ale frânei disc.

Fig. 3.5. Frâna disc

Prin bucşa (1) se fixează pe axul electromotorului (2) discul (3) care se roteşte

împreună cu acesta. Sistemul de prindere al discului (3) îi permite să se deplaseze

axial. Pe ambele feţe ale discului este fixat cu nituri materialul de fricţiune (4).

Discul este închis într-o carcasă turnată (5) fixată pe scutul electromotorului şi care

face corp comun cu partea fixă a electromagnetului. Electromagnetul este format

din corpul turnat (6), bobina (7) şi armătura mobilă cu disc (8). În situaţia în care

bobina frânei nu este alimentată, armătura mobilă (8) sub acţiunea resortului (9)

presează discul mobil (4) între carcasa (5) şi discul (8), realizând frânarea

mecanică a axului electromotorului. La alimentarea electromotorului se alimentează

concomitent şi bobina frânei electromagnetice. Armătura mobilă (8) este atrasă

învingând acţiunea resortului (9) şi prin aceasta axul electromotorului este eliberat

de acţiunea frânei mecanice.

3.2 Cerinţele societăţilor de clasificarea şi construcţia navelor maritime

(ANR)

3.2.1. Instalaţia de ancorare

Orice navă trebuie să aibă un echipament de ancorare. Pentru navele cu

propulsie, cu excepţia navelor de pescuit, echipamentul de ancorare se alege din

tabelul 13.1., iar pentru navele de pescuit propulsate din tabelul 13.2. în funcţie de

caracteristica de dotare a navei.

Caracteristica de dotare, Na, pentru nave, se calculează în modul următor:

A1,0hB2Na 32

în care:

(3.1)

- deplasamentul volumetric al pescajului corespunzător liniei de încărcare de

vară [m3];

B - lăţimea navei [m];

A - suprafaţa velică în limitele lungimii navei considerată de la linia de încărcare

[m2]. La determinarea valorii A se va ţine seama numai de suprafaţa velică

a corpului, suprastructurilor şi rufurilor având lăţimea mai mare de 0,25B.

h - înălţimea de la linia de încărcare de vară până la faţa superioară a învelişului

punţii celui mai înalt ruf, care se calculează în modul următor:

mhah i (3.2)

în care:

a - distanţa măsurată pe verticală, la secţiunea maestră, de la linia de încărcare

până la faţa superioară a învelişului punţii superioare [m];

hi - înălţimea în plan diametral, a fiecărui nivel al suprastructurii sau rufului cu

o lăţime mai mare de 0,25B [m];

Dacă la navă sunt două sau mai multe suprastructuri, în calcul se va lua numai

cea mai înaltă.

Alegerea echipamentului de ancorare conform unor tabele ce corespund pentru

nave cu regiunea de navigaţie 1. Pentru alte nave cu regiunea de navigaţie 2 sau 3

la alegerea echipamentului de ancorare caracteristica de dotare se micşorează cu:

15% pentru nave cu regiunea de navigaţie 2;

25% pentru nave cu regiunea de navigaţie 3.

Regiunile de navigaţie pentru care se construiesc navele, se clasifică astfel:

0 - nave destinate navigaţiei maritime nelimitate;

1 - nave destinate navigaţiei în mări deschise, în larg, la distanţe faţă de locurile

de adăpost sub 200Mm sau pe parcursuri în care distanţele dintre aceste

locuri sunt sub 400 Mm;

2 - nave destinate navigaţiei în mări deschise, în larg, la distanţe faţă de locurile

de adăpost sub 50Mm, sau pe parcursuri în care distanţele dintre aceste

locuri sunt sub 100 Mm;

3 - nave destinate navigaţiei maritime costiere sau în golfuri.

În funcţie de caracteristicile mecanice ale oţelurilor din care se execută lanţurile

de ancoră acestea sunt de trei tipuri corespunzătoare a trei categorii de oţeluri:

tip 1 - oţel categorie 1 cu Rm = 305 490 N/mm2;

tip 2 - oţel categorie 2 cu Rm = 490 N/mm2;

tip 3 - oţel categorie 3 cu Rm = 690 N/mm2

în care Rm reprezintă rezistenţa la rupere a materialului.

Lanţurile de ancoră se alcătuiesc din chei de lanţ. Cheile sunt îmbinate între ele

cu ajutorul zalelor de împreunare (Kenter).

După poziţia pe care o ocupă în lanţ, cheile de lanţ se împart în:

- cheie de lanţ de ancoră, care se prinde de ancoră;

- chei de lanţ intermediare;

- cheie de lanţ de capăt, care se fixează la dispozitivul de declanşare a

lanţului.

Cheile de lanţ intermediare au lungimea cuprinsă între 25m şi 27,5m numărul

zalelor fiind întotdeauna impar.

Pentru fundarisirea şi virarea ancorelor principale, având masa mai mare de

35kg, precum şi pentru asigurarea ancorajului se instalează pe puntea navei, la

prova, mecanismul de ancorare. Puterea motorului de acţionare a mecanismului de

ancorare trebuie să asigure tragerea neîntreruptă timp de 30 minute a unui lanţ de

ancoră împreună cu ancora, cu o viteză de cel puţin 9m/min şi cu o forţă de

tracţiune la barbotină P1 cel puţin egală cu cea determinată cu formula:

Nda8,9P 2

1 (3.3)

unde:

a = 3,75 pentru lanţuri de categoria 1;

a = 4,25 pentru lanţuri de categoria 2;

a = 4,75 pentru lanţuri de categoria 3;

d - diametrul (calibrul) lanţului în [mm].

Pentru navele de aprovizionare forţa de tracţiune la barbotină P2 nu trebuie să

fie mai mică decât cea determinată cu formula:

NGhq1,11P2

în care:

q - masa unui metru liniar de lanţ de ancoră [kg/m];

h - adâncimea de ancorare [m], dar nu mai puţin de:

- 200m pentru nave cu caracteristica de dotare până la 720; - 250m pentru nave cu caracteristica de dotare mai mare de 720;

G - masa ancorei [kg].

Viteza de virare a lanţului de ancoră se măsoară pe lungimea a două chei de lanţ începând din momentul în care trei chei de lanţ sunt complet scufundate în apă.

La apropierea ancorei de navă, viteza de virare a lanţului trebuie să fie cel mult de 10m/min. Se recomandă ca viteza de intrare a ancorei în navă să fie 7m/min.

Pentru desprinderea ancorei de fund, mecanismul de acţionare al instalaţiei trebuie să asigure timp de 2 minute crearea în lanţ, pe o barbotină a unei ancore, a forţei de tracţiune de cel puţin 1,5 P1.

Mecanismul de ancorare trebuie să aibă un dispozitiv de frânare corespunzător unei forţe în lanţ la barbotină de cel puţin 1,3 P1 sau 1,3 P2.

Barbotinele trebuie să aibă cel puţin 5 locaşuri pentru zale. La barbotinele vinciurilor unghiul de înfăşurare a lanţului trebuie să fie de cel puţin 115°, iar la barbotinele cabestanelor de cel puţin 150°.

Dacă sistemul de acţionare poate dezvolta un moment ce crează o forţă în lanţ mai mare de 0,5 din sarcina de probă a lanţului de ancoră, trebuie să se prevadă o

(3.4.)

protecţie la depăşirea sarcinii arătate, montată între sistemul de acţionare şi mecanism.

Dacă se prevede comanda de la distanţă a operaţiei de filare a lanţului de ancoră, atunci când mecanismul este decuplat de barbotină, trebuie să se prevadă un dispozitiv care să asigure frânarea automată a frânei bandă, astfel încât viteza maximă de filare a lanţului să nu depăşească 180m/min, iar viteza minimă să nu fie mai mică de 80m/min.

Frânarea barbotinei mecanismului de ancorare trebuie să asigure oprirea lanţului de ancoră în cazul filării line în cel mult 5 secunde şi cel puţin 2 secunde din momentul apariţiei comenzii de frânare.

La postul de comandă de la distanţă trebuie să se prevadă un contor al lungimii lanţului de ancoră filat şi un indicator de viteză a filării lanţului cu marcarea vitezei limită admisibilă de 180m/min.

Mecanismele şi părţile componente pentru care se prevede comanda de la distanţă trebuie să aibă o comandă locală manuală.

Mecanismele de ancorare destinate şi pentru îndeplinirea operaţiilor de manevră, trebuie să satisfacă şi cerinţele pentru vinciuri şi cabestane de manevră..

3.2.2. Instalaţia de legare

Fiecare navă trebuie să aibă o instalaţie de legare, care să asigure apropierea navei de instalaţiile de legare de la uscat sau plutitoare şi legarea sigură a acestora între ele.

Numărul, lungimea şi forţa totală de rupere a parâmelor de legare, pentru toate navele cu excepţia navelor de pescuit, se determină după tabelul 13.1., iar pentru navele de pescuit după tabelul 13.2., în funcţie de caracteristica de dotare a navei. Parâmele de legare pot fi din oţel, vegetale sau din fibre sintetice. Parâmele vegetale şi din fibre sintetice nu trebuie să aibă diametrul mai mic de 20mm, indiferent de forţa de rupere prevăzută în tabelele 13.1. sau 13.2.

Numărul şi amplasarea babalelor de legare, a urechilor de ghidaj şi a altui echipament de legare se stabileşte în funcţie de specificul, de destinaţia şi de planul general al navei.

Pentru virarea parâmelor de legare pot fi utilizate atât mecanismele de

manevră special instalate în acest scop (cabestane de manevră, vinciuri de

manevră) cât şi alte mecanisme de punte (vinciul de ancoră, vinciul de încărcare)

având tambur de manevră.

Alegerea numărului şi tipului mecanismelor de manevră se face la

aprecierea armatorului şi proiectantului. Pentru calculul cabestanului sau vinciului

de manevră se va avea în vedere ca forţa nominală de tracţ iune a acestora să nu

depăşească 1/3 din forţa totală de rupere a parâmelor de legare:

(3.5)

în care Fr este forţa totală de rupere dată în tabelele 13.1. şi 13.2.

rFF3

1

Acţionarea mecanismului de manevră trebuie să asigure virarea fără

întrerupere a parâmei de manevră la efortul nominal de tracţiune, cu viteza

nominală, timp de cel puţin 30 minute.

Viteza de virare a parâmei de manevră, la primul strat de înfăşurare a parâmei

pe tambur, la efortul nominal de tracţiune trebuie să fie minimum:

0,25m/s la o forţă de tracţiune mai mică de 80kN;

0,20m/s la o forţă de tracţiune de 81 160kN;

0,16m/s la o forţă de tracţiune de 161 250kN;

0,13m/s la o forţă de tracţiune mai mare de 250kN. Viteza de virare a parâmei cu ajutorul tamburului de manevră, la efortul nominal

de tracţiune, nu trebuie să fie mai mare de 0,3m/s.

Sistemul de acţionare al mecanismului de manevră în regim nominal de

funcţionare trebuie să asigure timp de 2 minute obţinerea în cablu, în primul strat de

înfăşurare pe tambur, a unei forţe de tracţiune cel puţin egală cu 1,5 ori forţa

nominală (1,5F).

Dacă momentul maxim al sistemului de acţionare poate solicita elementele

dispozitivelor de manevră la forţe mai mari decât cele admise, mecanismele de

manevră trebuie să fie prevăzute cu un sistem de protecţie la suprasarcină.

Mecanismele de manevră trebuie să aibă o frână automată care să reţină

cablul de manevră solicitat la o forţă de tracţiune de cel puţin 1,5 ori forţa nominală

de tracţiune, în cazul dispariţiei energiei de acţionare sau la defectarea sistemului

de acţionare.

Vinciurile de manevră cu funcţionare automată trebuie să aibă o comandă

manuală care să asigure posibilitatea de lucru şi în regim neautomat.

În cazul vinciurilor cu funcţionare automată trebuie să se prevadă:

o semnalizare preventivă sonoră, care să anunţe desfăşurarea lungimii maxime admisibile a cablului;

un indicator al mărimii forţei de tracţiune în cablu.

3.2.3. Instalaţia de remorcare

Fiecare navă trebuie să aibă o instalaţie de remorcare. Lungimea şi forţa totală

de rupere a parâmei de remorcă se determină din tabelul 13.1., în funcţie de

caracteristica de dotare a navei.

Navele în al căror simbol de clasă se adaugă menţiunea “remorcher” sunt

dotate cu instalaţii speciale de remorcare din care fac parte vinciurile de remorcă.

Forţa totală de rupere a fiecărei parâme de remorcă trebuie să fie cel puţin de

trei ori forţa nominală de tracţiune (Fr = 3F), iar lungimea de cel puţin 150m.

Dotarea remorcherelor cu parâme se face în funcţie de tracţiunea nominală

la cârlig, determinată prin calcule. Dacă aceste calcule nu se efectuează, atunci

tracţiunea nominală F va fi cel puţin de:

kNPec133,0F

în care:

Pe - puterea totală la conul elicei [kW];

c = 1,25 pentru remorchere cu elice obişnuită;

c = 1,40 pentru remorchere cu propulsor Voith-Scheider;

c = 1,60 pentru remorchere cu elice cu pas reglabil;

c = 1,80 pentru remorchere cu elice obişnuită şi ajutaje;

c = 2,10 pentru remorchere cu elice cu pas reglabil şi ajutaje.

Pentru vinciul de remorcă trebuie să se asigure posibilitatea deservirii de la

locul vinciului; se recomandă să se prevadă posibilitatea comenzii vinciului de

remorcă şi din timonerie.

Când se utilizează dispozitive automate pentru reglarea întinderii cablului de

remorcă, trebuie să se asigure posibilitatea de control a mărimii efortului de

tracţiune care acţionează la un moment dat.

Se va prevedea o semnalizare acustică preventivă, care să intre în funcţiune la

atingerea lungimii maxime admisibile a cablului filat.

Vinciul de remorcă trebuie să aibă un dispozitiv de frânare automată care să

menţină cablul supus unui efort de tracţiune de cel puţin 1,25 sarcina nominală, în

cazul dispariţiei sau a decuplării energiei de acţionare a vinciului.

3.2.4. Acţionarea electrică a mecanismelor de ancorare şi manevră

Acţionările electrice ale mecanismelor de ancorare şi de manevră, atunci când se utilizează electromotoare de curent alternativ cu rotorul în scurtcircuit, după o funcţionare de 30 minute la sarcina nominală, trebuie să asigure posibilitatea de staţionare sub curent a electromotorului la tensiunea nominală timp de cel puţin 30 secunde pentru mecanismele de ancorare şi 15 secunde pentru mecanismele de manevră.

Pentru electromotoarele cu poli comutabili această cerinţă este valabilă pentru funcţionarea electromotoarelor cu înfăşurarea care dă cel mai mare moment de pornire.

Electromotoarele de curent continuu şi de curent alternativ cu rotorul bobinat trebuie să reziste la regimul indicat mai sus de staţionare sub curent, însă pentru un moment de 2 ori mai mare decât cel nominal, în care caz tensiunea poate fi mai mică decât cea nominală.

După regimul de staţionare sub curent creşterea temperaturii nu trebuie să fie mai mare de 130% faţă de cea admisibilă pentru izolaţia folosită. La vinciurile şi cabestanele de ancoră, de manevră şi acostare, pe treptele destinate pentru

(3.6.)

manevră, trebuie să se prevadă o protecţie corespunzătoare la suprasarcină a motoarelor electrice.

Vinciul sau cabestanul de ancoră intră în categoria instalaţiilor esenţiale de la bordul navei şi ca urmare se alimentează direct de la tabloul principal de distribuţie prin circuit separat.

3.3 Forţele care acţionează în lanţul de ancoră pe timpul staţionării navei la ancoră

În timpul staţionării navei la ancoră, asupra ei acţionează forţe exterioare ca: forţa vântului şi a curentului, a căror rezultantă este pe o direcţie orizontală. Nava stă la ancoră nemişcată atunci când rezultanta forţelor exterioare aplicată navei este echilibrată de forţele interioare, datorate greutăţii lanţului şi ancorei.

Lanţul de ancoră fiind suficient de flexibil ia forma lănţişorului, figura 3.6., fixat în două puncte, O şi O1.

Greutatea lanţului liber suspendat, 1G

, se descompune în două forţe de

tracţiune 1T

şi 2T

aplicate în punctele O şi O1. Echilibrul forţelor este prezentat de

triunghiul forţelor construit în punctul O1.

Fig. 3.6. Forţele de tracţiune în lanţul de ancoră l - lungimea liber suspendată; h - adâncimea; b - înălţimea navei deasupra

apei.

Forţele de tracţiune la capetele lanţului, 1T

şi 2T

sunt orientate după tangentele

la curba lănţişorului. În punctul O1 rezultanta forţelor 1T

şi 2T

este egală cu forţa

greutăţii lanţului, 1G

.

Acţiunea forţelor 1T

şi 2T

este echilibrată de forţele de reacţiune în lanţ, '

2

'

1 TiºT

egale şi de sensuri contrare.

Atunci când curba lănţişorului, l, se află în echilibru, suma algebrică a proiecţiilor acestor forţe pe axa orizontală este nulă, astfel:

0cosTcosT 2211

Relaţia (3.7.) este valabilă pentru oricare lungime l aflată în echilibru şi se poate scrie:

(3.7)

ii2211 cosTcosTcosT

Adică, componenta orizontală a forţei de tracţiune în lanţ este constantă în orice punct al lanţului.

Pentru staţionarea fără pericol a navei la ancoră este necesar ca asupra inelului ancorei să nu acţioneze nici un fel de forţă care să tindă să o desprindă de

pe fund. Această cerinţă este îndeplinită dacă 01 şi deci componenta verticală

OA a forţei 1T

este nulă şi se realizează în mod practic prin filarea unei lungimi

suficiente de lanţ, astfel încât o parte din acesta să se afle pe sol.

În figura 3.7. sunt reprezentate forţele care acţionează în lanţ în situaţia în care o parte din acesta, l1, se află pe sol.

Fig. 3.7. Forţele în lanţul de ancoră când porţiunea de lanţ l1 stă liberă pe sol

În acest caz forţa de tracţiune în lanţ la inelul ancorei va fi:

0pentruTcosT 1011

şi ca urmare:

0ii TcosT

În acest fel în orice punct al lanţului de ancoră componenta orizontală este

egală cu forţa de reţinere a ancorei.

Pentru calculul instalaţiei de ancorare este necesar să se determine acţiunea

forţelor exterioare care acţionează asupra navei pe timpul staţionării la ancoră: forţa

vântului, Fv, şi forţa curentului, Fc a căror rezultantă este:

cvext FFF

Pentru staţionarea sigură a navei la ancoră acţiunea forţelor exterioare trebuie

să fie echilibrată de forţa de reţinere a ancorei.

2

'

20ext cosTTF

(3.8)

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Forţa de rezistenţă a apei depinde în principal de forţa curentului asupra părţii

imersate a navei (suprafaţa udată) şi poate fi determinată cu următoarea expresie:

N2

vAkF

2

udffkc

unde: 423 mNs10025,1 - densitatea apei de mare;

33

f 1014,11084,3 - coeficient de frecare al apei;

kk - coeficient de corecţie pentru influenţa curburii corpului; 33

f 102,1107,0 - majorarea coeficientului de frecare datorită

asperităţilor corpului navei; valorile inferioare se adoptă pentru

bordaje sudate, iar valorile superioare pentru bordaje cu asperităţi

pronunţate;

tc vvv , în care:

sm3,01,0vt - viteza navei la tragerea lanţului;

sm31vc - viteza curentului apei.

Pentru determinarea suprafeţei udate a navei se utilizează formula:

2

ud mT7,1BLA

în care L, B, T sunt dimensiunile navei iar 85,075,0 un coeficient care ţine

seama de forma corpului navei.

În tabelul 3.3. sunt date valorile coeficientului kk în funcţie de raportul dintre

lungimea şi lăţimea navei.

Tabelul 3.3.

L/B 6,0 8,0 10 12

kk 1,04 1,03 1,02 1,01

Viteza curentului apei este dependentă de zona de navigaţie aşa cum

rezultă din tabelul 3.4.

Tabelul 3.4.

Oceane, mări şi

strâmtori

Viteza curentului în

Nd

Oceanul Atlantic 1,0

Marea Baltică 4,0

Bosfor 3,0

Oceanul Indian 2,08

Marea Caspică 0,78

Marea Roşie 1,7

(3.13)

(3.14)

Oceane, mări şi

strâmtori

Viteza curentului în

Nd

Marea Nordului şi

strâmtori 7,0

Strâmtoarea Gibraltar 4,0

Oceanul Pacific 1,0

Marea Neagră 0,7

Marea Japoniei 3,5

Notă: 1Nd = 0,514m/s

Pentru nava cu raion nelimitat de navigaţie se ia în calcul valoarea maximă a

curenţilor. De regulă, se alege pentru calcule viteza curentului până la 5Nd, având

în vedere că în situaţii mai grele, pentru ridicarea ancorei lucrează şi elicea navei.

Forţa de rezistenţă a vântului se determină cu formula:

NvAkF 2

vvv

unde: 4

2

vm

sN61,024,0k - coeficient de presiune al vântului;

A - suprafaţa velică în m2;

vv - viteza vântului în m/s.

Valorile pentru forţa şi viteza vântului întâlnite pe mări şi oceane sunt date în

tabelul 3.5.

Tabelul 3.5.

Grade

Beaufort

Viteza

vântului

[m/s]

Caracterul

vântului

Grade

Beaufort

Viteza

vântului

[m/s]

Caracterul

vântului

0 0 - 0,2 calm 7 13,9 - 17,1 puternic

1 0,3 - 1,5 liniştit 8 17,2 - 20,7 foarte puternic

2 1,6 - 3,3 uşor 9 20,8 - 24,4 furtună

3 3,4 - 5,4 slab 10 24,5 - 28,4 furtună intensă

4 5,5 - 7,9 moderat 11 28,5 - 32,6 furtună violentă

5 8,0 - 10,7 adiere 12 peste 32,7 uragan

6 10,8 - 13,8 intens

Viteza vântului pentru condiţii normale de ridicare a ancorei se consideră:

Beaufortgrade63sm124vv

(3.15)

(3.16)

În situaţia în care ridicarea ancorei se face când forţa vântului depăşeşte 12m/s

(gradul 6) este necesar să lucreze şi elicea navei pentru a uşura deplasarea către

locul de fundarisire a ancorei.

În urma rezolvării ecuaţiei curbei lănţişorului (fig.3.6.), se obţin pentru valorile

forţelor T1 şi T2 următoarele expresii:

bh2

bhlqTT

22

01

bh2

bhlqT

22

2

în care q este masa lanţului de ancoră pentru un metru liniar.

Greutatea pe metru liniar pentru un lanţ de calibru d(mm) se poate calcula cu

relaţia:

Nd215,08,9kgfd0215,0q 22

atunci când nu se cunoaşte din datele tehnice ale lanţului de ancoră.

De asemenea între masa ancorei şi greutatea lanţului pe metru liniar există

relaţia de aproximare:

q6,46Q

Din expresia (3.17.) se observă că forţa 01 TT

care echilibrează forţele

exterioare, extF

, şi menţine nava la ancoră, este direct proporţională cu masa

lanţului pe unitatea de lungime, q. Pentru lanţurile de ancoră această masă este de

5 - 6 ori mai mare decât pentru cablurile de oţel cu aceeaşi rezistenţă mecanică. De

aceea pentru instalaţiile de ancorare se întrebuinţează exclusiv lanţuri de ancoră.

A doua expresie (3.18.), exprimă valoarea forţei cu care trebuie să se acţioneze

în prima etapă pentru ridicarea ancorei.

După calcularea forţei exterioare rezultante, Fext şi din condiţia de staţionare

sigură la ancoră, 01ext TTF , înlocuind T1 cu Fext în relaţia (13.17.) se determină

lungimea l a lanţului de ancoră liber suspendat pentru adâncimea de ancorare h:

2h87,0q

hF2l

La obţinerea expresiei (3.21.) s-a neglijat înălţimea navei deasupra apei, b,

care are valoare mică în comparaţie cu adâncimea de ancorare h.

Pentru adâncimea de ancorare, h, practica maritimă recomandă următoarea relaţie dintre lungimea totală a lanţului de ancoră, L, şi adâncimea de ancorare.

h42L

(3.17)

(3.18)

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

Astfel, pentru lanţuri cu lungimea în limitele m340120L rezultă că

adâncimea de ancorare de calcul este m10040h . Calculele executate sunt acoperitoare întrucât în practică adâncimea de ancorare nu depăşeşte 50m şi în

situaţiile cele mai frecvente este de 15 30m .

Dacă L este lungimea totală a lanţului de ancoră, rezultă că partea care se aşează liber pe fund este:

lLl1

3.4 Forţele care acţionează în lanţul de ancoră, la barbotină pe timpul ridicării ancorei

În figura 3.8. sunt prezentate poziţiile succesive ale navei şi lanţului de ancoră pe timpul ridicării ancorei.

Pentru ridicarea ancorei, în mod normal se execută următoarele operaţiuni:

1. Tragerea navei pe lanţ cu forţă de tracţiune constantă

Pe durata acestei operaţiuni cabestanul (vinciul) trage lanţul de ancoră cu o forţă de tracţiune constantă până la ridicarea ultimei verigi aşezată liber pe fund. Nava se deplasează spre locul de fundarisire a ancorei, iar forma lănţişorului rămâne neschimbată. Forţa de tracţiune în lanţ la barbotină este dată de expresia (13.18). Neglijând valoarea b în comparaţie cu h şi ţinând seama de frecările în nară se obţine expresia forţei în lanţ la barbotină pentru prima etapă:

în care 8,07,0narã reprezintă randamentul narei de ancoră.

La sfârşitul operaţiunii lanţul ocupă poziţia 0 01' (fig. 3.8.).

2. Aducerea navei deasupra ancorei

Nava continuă să fie trasă spre locul de fundarisire a ancorei. Forma lănţişorului se schimbă continuu şi odată cu aceasta forţa de tracţiune în lanţ creşte continuu, iar electromotorul este solicitat să dezvolte cupluri din ce în ce mai mari.

La sfârşitul acestei etape lanţul ocupă poziţia 0 01'' .

Forţa de tracţiune creşte liniar faţă de forţa constantă din prima etapă, ajungând până la valoarea de smulgere a ancorei

3. Smulgerea ancorei de pe fund

Forţa necesară smulgerii ancorei de pe fund nu poate fi determinată teoretic, întrucât ea depinde de mai mulţi factori care nu pot fi introduşi în calcule. Se consideră practic că forţa de smulgere a ancorei este egală cu de 2 ori greutatea ancorei.

Q2Fdespr

în care Q este greutatea ancorei.

(3.23)

(3.24)

(3.25)

narã

Ih

hlT

2

22

Fig. 3.8. Poziţiile succesive ale navei şi lanţului de ancoră la ridicarea ancorei

La această alegere s-a avut în vedere faptul că în general desprinderea ancorei

se face cu ajutorul inerţiei navei sau în cazuri deosebite, operaţiunea este ajutată de mişcarea elicei.

Din cele prezentate rezultă că forţa totală de tracţiune în lanţ, în momentul desprinderii, pe care trebuie să o dezvolte motorul electric este:

narã

II

lhqQQ2T

în care:

87,07800

10257800

oþel

apãoþel

reprezintă coeficientul de micşorare a masei în apa de mare.

4. Ridicarea ancorei suspendată liber

Imediat după smulgere, forţa de tracţiune în lanţ la barbotină va fi:

narã

III

lhqQT

Pe timpul acestei etape forţa de tracţiune scade continuu pe măsură ce se virează lanţul de ancoră la bord, fiind egală la sfârşitul operaţiunii cu greutatea ancorei ajunsă la suprafaţa apei:

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

narã

IV

lQT

5. Tragerea ancorei în nară

Pe măsură ce ancora intră în nară forţa de tracţiune creşte ca urmare a măririi

coeficientului de frecare, fiind către sfârşitul operaţiunii egală cu IVT25,12,1 .

În figura 3.9. este reprezentată variaţia forţei de tracţiune în lanţ la barbotină în

funcţie de lungimea lanţului în cazul ridicării ancorei de la adâncimea normală de

ancorare.

Fig. 13.9. Graficul ilfT în regim normal

În afara regimului normal de ridicare a ancorei examinat mai sus, mai există şi

un aşa zis regim de avarie, adică regimul în care filarea ancorei a fost efectuată la o

adâncime care depăşeşte lungimea totală a lanţului de ancoră. Cu toate că în acest

regim lipseşte operaţiunea de smulgere a ancorei, el poate reprezenta, în cazul în

care lanţul de ancoră este foarte lung, o solicitare mai mare a electromotorului în

comparaţie cu regimul normal. Valoarea tracţiunii în lanţ la barbotină la începutul

regimului de avarie este:

narã

în

lqLQT

iar la sfârşitul regimului este:

IVfin TT

Graficul ilfT pentru regimul de avarie este prezentat în figura 3.10.

(3.30)

(3.31)

Electromotorului de acţionare i se cere să facă faţă ambelor regimuri posibile.

Forţele care acţionează în mecanism la coborârea ancorei nu influenţează

alegerea electromotorului. Ancora se lasă de obicei sub acţiunea propriei greutăţi şi

a lanţului. Iniţial electromotorul poate fi pornit în sens de “filare” a lanţului pentru a

ajuta la eliberarea mecanismului, după care se deconectează axul de conducere a

cabestanului şi coborârea ancorei se execută cu frânare mecanică.

3.5. Diagramele de sarcină pentru motorul electric de acţionare

Diagramele reprezentate în figurile 3.9. şi 3.10. reprezintă variaţia forţei de

tracţiune în lanţ la barbotină pentru regimurile normal şi de avarie, la ridicarea

ancorei.

Momentul de rotaţie la barbotină este:

2

DTM b

b

în care Db este diametrul barbotinei.

Barbotinele au de regulă pe circumferinţă 5 locaşuri pentru lanţ, iar pasul

lanţului sau lungimea unei verigi este de 8d. De aici rezultă că:

d7,13Db

în care d este calibrul lanţului.

Momentul la axul electromotorului se determină luând în considerare pierderile

din transmisie şi raportul de transmisie, rezultă:

i

MM

i

b

în care:

(3.32)

(3.33)

(3.34)

Fig. 3.10. Graficul ilfT în regim de avarie

82,042,0i randamentul transmisiei mecanice a acţionării. Valorile

inferioare corespund mecanismelor cu melc-roată melcată cu

autofrânare, iar limitele superioare pentru transmisii cu roţi cilindrice

fără autofrânare.

i = 100-200 raportul de transmisie. Valoarea se alege din considerente

de alegere optimă a turaţiei electromotoarelor de acţionare.

Din cele expuse rezultă că se pot calcula cuplurile la axul electromotorului

pentru fiecare etapă a regimurilor de ridicare a ancorei.

Pentru a obţine diagrama de sarcină la axul electromotorului, tfM , este

necesar să se determine duratele de funcţionare ale electromotorului pe etape,

astfel:

1. Tragerea navei pe lanţ:

1b

11

nD

ilt

2. Aducerea navei deasupra ancorei:

2

nnD

ih1t

21b

2

3. Smulgerea ancorei. Durata repausului sub curent:

15,0t3 minut

4. Ridicarea ancorei:

2

nnD

iht

43b

4

5. Ridicarea ancorei în regim de avarie:

2

nnD

iLt

finin

b

5

Pentru calculul timpilor, turaţiile n1, n2, n3, n4, nin, nfin se determină din

caracteristica mecanică a electromotorului şi corespund valorilor cuplurilor la axul

electromotorului pentru etapele corespunzătoare.

În figura 3.11. este reprezentată diagrama de sarcină a acţionării electrice

pentru mecanismele de ancorare.

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

Mecanismele de ancorare-legare, pentru categoria de nave întâlnite cel mai

frecvent în exploatare, se împart în 12 modele, funcţie de calibrul lanţului şi forţa de

tracţiune în parâmele de legare şi în 3 grupe corespunzător vitezei de ridicare a

lanţului sau tragere a parâmelor de legare. Semnificaţia grupelor este următoarea:

Fig. 3.11. Diagramele de sarcină a acţionării electrice pentru mecanismele de ancorare:

a - regim normal; b - regim de avarie

3.6 Tipuri şi parametri de bază ale mecanismelor de ancorare şi legare

grupa întâi corespunde mecanismelor cu viteză normală (vinciuri, cabestane de ancoră şi legare, macarale pentru ancorare şi legare);

grupa a doua corespunde mecanismelor cu viteză mare (cabestane de ancoră şi legare);

grupa a treia corespunde mecanismelor cu viteză redusă (vinciuri, cabestane de ancoră şi legare, macarale pentru ancoră şi legare).

În tabelul 3.6. se prezintă parametrii de bază pentru mecanismele de ancorare-legare destinate navelor de suprafaţă şi care pot avea comandă locală, de la distanţă sau automată, iar în tabelul 3.7. se prezintă parametrii de bază pentru cabestanele de manevră destinate pentru lucru în regim de tracţiune cu tensiune constantă în parâmă.

Tabelul 3.6.

Model

Adâncim

ea de

calcul

pt. anco-

rare

[m]

Calibrul lanţului,

d

[mm]

Viteza de

ridicare a

lanţului

[m/min]

Forţa

nominală

de

tracţiune

la

cabestan

[N]

Viteza de tragere a

parâmelor de manevră

[m/min]

obişnuit

de

rezistenţă

ridicată

normală nu mai

mică

normală

mică

mare

Mecanisme din grupa întâi

1 65 15/17 - 5000 nu nu

Model

Adâncim

ea de

calcul

pt. anco-

rare

[m]

Calibrul lanţului,

d

[mm]

Viteza de

ridicare a

lanţului

[m/min]

Forţa

nominală

de

tracţiune

la

cabestan

[N]

Viteza de tragere a

parâmelor de manevră

[m/min]

obişnuit

de

rezistenţă

ridicată

normală nu mai

mică

normală

mică

mare

2 80 19/22 - 10000 se se

3 80 25/28 - 15000 fixează fixează

4 100 31/34 - 20000

5 100 37/40 - 30000

6 100 43/46 37/40 10 10 50000

7 100 49/53 43/46 65000 18 9 24-10

8 100 57/62 49/53 80000

9 100 67/72 57/62 100000

10 100 77/82 67/72 140000

11 100 87 77/82 140000

12 100 92/100 87/92 - - - -

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Mecanisme din grupa a doua

1 65 15/17 - 10 10 5000 18 nu nu

2 80 19/22 - 10 10 10000 18 se se

3 80 25/28 - 10 10 15000 18 fixează fixează

4 100 31/34 - 24 10 30000 18 24-40

5 100 37/40 - 24 10 50000 18 9 24-40

6 100 43/46 37/40 24 10 65000 18 9 24-40

7 100 49/53 43/46 24 10 80000 18 9 24-40

8 100 57/62 49/53 24 10 100000 18 9 24-40

9 100 67/72 57/62 24 10 125000 18 9 24-40

10 100 77/82 67/72 24 10 125000 18 9 24-40

Mecanisme din grupa a treia

1 15/17 13/15 6000

2 40 19/22/2

5

22/25/28 7 7 12500 8 - -

3 28/31/3

4

31 20000

Tabelul 3.7

Model

cabestan

Forţa

nominală de

tracţiune la

cabestan

[N]

Viteza de tragere a

parâmelor de manevră

[m/min]

Dimensiunile de calcul pentru

parâme de manevră

mică nominală mare Diametrul

pt.oţel

[mm]

Circumferinţa [mm]

vegetale sintetice

1 5000 - 15-18 - 13,5 100 60

2 10000 - 15-18 - 15 125 75

3 20000 - 15-18 - 19 175 90

4 30000 - 12-16 24-25 22,5 200 110

5 50000 - 12-16 24-25 24,5; 30 225 150

6 80000 - 12-16 24-25 30; 33,5 300 175

7 100000 - 11-14 24-25 33,5; 41 350 200

Clasificarea mecanismelor de ancorare şi de manevră prezentată în tabelele

3.6. şi 3.7. corespunde standardelor ruseşti (GOST 5875-77 şi GOST 9891-76) şi

poate fi utilă pentru alegerea vitezelor de virare a lanţului de ancoră precum şi de

strângere a parâmelor de legare.

Pentru cabestanele şi vinciurile de ancorare-legare forţa de tracţiune

specifică (presiunea) la barbotină are valorile prezentate în tabelul 3.8.

Tabelul 3.8.

Grupa

mecanismul

ui

Model

mecanism

Forţa de tracţiune

specifică la barbotină pentru

tragerea lanţului de ancoră

k

m

cu viteză

nominală, a

[MPa]

cu viteză

mică,a’

[MPa]

pentru

lanţuri

obişnuite

pentru

lanţuri cu

rezistenţă

ridicată

prima 1-3 30 16 1,3 1,0 1,15

4-12 38 16 1,3

1-3 30 16 1,6

a doua 4-6 35 20 1,6 1,0 1,15

7-10 40 25 1,6

a treia 1-3 23 16 2,0

zale de

lanţ fără

punte 0,8

zale de

lanţ cu

punte 1,0

3.7 Motoare electrice pentru acţionarea cabestanelor (vinciurilor) de ancorare, legare şi remorcare

Din analiza regimurilor de lucru şi a diagramelor de sarcină (fig. 3.11.)

rezultă următoarele cerinţe pentru acţionarea electrică a mecanismelor de

ancorare:

* funcţionare pe punte în orice condiţii de anotimp sau stare a mării;

* funcţionare sigură la oscilaţii ale tensiunii reţelei de alimentare în limitele

admise de norme;

* posibilitatea pornirii în sarcină nominală;

* menţinerea forţei necesare de tracţiune la viteze mici de ridicare a lanţului

aşezat liber pe fund sau la tragerea parâmelor de legare şi posibilitatea

staţionării sub curent o anumită durată;

* forţa maximă de tracţiune dezvoltată de electromotorul de execuţie să fie mai

mică, în limitele prescrise, în raport cu rezistenţa la rupere a lanţului de

ancoră sau a parâmei de manevră;

* să permită obţinerea vitezei nominale de ridicare a ancorei după smulgerea

de pe fund şi viteză redusă la tragerea ancorei în nară;

* să aibă posibilitatea menţinerii greutăţii ancorei şi a lanţului în cazul

întreruperii tensiunii de alimentare a electromotorului;

* să asigure fundarisirea ancorei la adâncimea dată, fără pericol;

* masa, gabaritele şi preţul de cost să fie minime;

* simplitate în deservire şi siguranţă în exploatare.

Acestor cerinţe le corespund electromotoarele cu caracteristica de tip moale

având cuplul electromagnetic M, variabil în limite mari cu turaţia, n şi care asigură

pentru diferite regimuri de lucru menţinerea, aproximativ, constantă a puterii. Acest

aspect este foarte important având în vedere că acţionarea electrică a

mecanismului de ancorare necesită o putere mare şi centrala electrică de bord are

o putere limitată.

Electromotoarele folosite pentru acţionarea electrică a mecanismelor de

ancorare, legare şi remorcare sunt construite special în acest scop, având în

vedere condiţiile deosebite în care lucrează.

Din punct de vedere al caracteristicilor mecanice, )M(fn , cel mai bine

corespunde electromotorul de curent continuu cu excitaţie serie sau mixtă. La

motoarele cu excitaţie mixtă preponderentă este excitaţia serie. Raportul între

amperspirele excitaţiei derivaţie, AWp, şi amperspirele excitaţie serie, AWs, este în

cazuri practice:

5,00AWAW

AW

ps

p

În figura 3.12. sunt prezentate caracteristicile mecanice naturală şi artificiale

pentru motorul de curent continuu cu excitaţie serie.

(3.40)

Fig. 3.12 Caracteristicile mecanice ale electromotorului serie de c.c.

Motoarele electrice de curent continuu se folosesc pe nave electrificate în

curent continuu. Deşi astfel de nave nu se mai construiesc, ele se află încă în

exploatare atât în marina militară cât şi în marina comercială.

Datorită calităţilor sale deosebite în ceea ce privesc caracteristicile mecanice,

motorul de curent continuu se foloseşte pe nave moderne electrificate în curent

alternativ în situaţia când instalaţia de ancorare are putere foarte mare. În astfel de

cazuri motorul de curent continuu este alimentat de la surse separate, cum ar fi:

sistemul generator-motor sau redresoare comandate cu tiristoare.

Navele electrificate în curent alternativ folosesc pentru acţionarea

mecanismelor de ancorare motoarele asincrone.

Obţinerea caracteristicilor mecanice de tip moale este dificilă în cazul

motoarelor electrice de curent alternativ având în vedere că motorul asincron prin

construcţie are o caracteristică mecanică rigidă.

Această problemă a fost rezolvată foarte bine de firma “Siemens” (SSW) prin utilizarea unui motor asincron cu rotor bobinat şi cu comutaţia numărului de poli.bnc Caracteristicile mecanice obţinute sunt prezentate în figura 3.13.

Fig.3.13.Caracteristicile

mecanice ale acţionării în

curent alternativ obţinute de

firma “Siemens” (SSW)

Pe treapta superioară de viteză, caracteristica mecanică 7, motorul are 4 poli ceea ce corespunde turaţiei sincrone de 1500rot/min şi rotorul este în scurtcircuit. Pe această treaptă superioară motorul asigură un cuplu de valoare 0,2Mn.

Pe treptele următoare se comută numărul de poli de la 4 la 8, turaţia sincronă corespunzătoare este 750rot/min şi motorul asincron funcţionează cu rotorul bobinat. Caracteristica mecanică 6 corespunde caracteristicii mecanice naturale a motorului asincron cu rotor bobinat.

În continuare, prin introducerea unor rezistenţe în circuitul rotorului se obţin caracteristicile artificiale 5, 4, 3, 2 şi 1.

Motorul asincron astfel realizat asigură pentru acţionarea electrică viteza normală (caracteristica mecanică 6) pentru tragerea navei pe lanţ cu limitarea momentului de repaus sub curent până la 2,5Mn şi sub această limită prin utilizarea caracteristicilor artificiale în etapa de smulgere a ancorei.

În continuare se asigură viteze mari de ridicare a ancorei după smulgere (caracteristica mecanică 7) şi viteze mici la intrarea ancorei în nară (caracteristica mecanică 1).

O asemenea soluţie rezolvă problema obţinerii caracteristicilor mecanice optime pentru acţionare, în schimb complică construcţia motorului asincron. Rotorul acestui motor este de construcţie specială, tip SK.

Motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit cu mai multe viteze cunosc o largă răspândire în acţionarea mecanismelor de ancoră deoarece sunt simple, rezistente şi uşor de exploatat. Astfel de motoare se folosesc în prezent pentru puteri până la 85kW şi au de regulă trei viteze corespunzător numărului de poli 2p = 4/8/16. Viteza medie, 2p = 8, corespunde caracteristicii mecanice naturale şi realizează învingerea cuplurilor de sarcină mari pe timpul tragerii navei pe lanţ şi smulgerii ancorei sau pentru tragerea parâmelor de legare când sarcina are valori mari. Viteza mică, 2p = 16, este utilizată, de regulă, pentru tragerea ancorei în nară.

Pentru puteri mici ale instalaţiei de ancorare sau manevră se folosesc şi motoare asincrone în scurtcircuit cu două viteze. De regulă, se recomandă să se folosească motoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit cu 2 viteze, pentru puteri ale instalaţiei în limitele 2 - 10kW şi motoare asincrone cu rotor în scurtcircuit cu trei viteze pentru puteri în limitele 10 - 60kW şi în unele cazuri până la 85kW.

Se utilizează motoare asincrone trifazate cu rotorul în scurtcircuit cu dublă sau triplă comutaţie de poli, cu frână electromagnetică, destinate acţionării instalaţiilor navale de ancorare şi legare din seria ASFN realizată în economia naţională.

Cerinţele regimurilor de funcţionare şi diagramei de sarcină pentru instalaţiile

de ancorare şi legare sunt îndeplinite în cea mai mare măsură de sistemul de

acţionare cu grup generator-motor.

Sistemul generator-motor este simplu, sigur în exploatare şi necesită o cantitate

minimă de aparataj electric. Dezavantajul lui constă în faptul că se măreşte mult

puterea instalată, fiind necesare trei maşini electrice pentru acţionarea

mecanismului.

Utilizarea lui se justifică pentru puteri mari, peste 70kW, când în schemele de

comandă cu contactoare şi relee creşte mult cantitatea de aparataj electric şi ca

urmare cresc preţul de cost şi nesiguranţa în funcţionare.

În sistemul generator-motor, generatorul de curent continuu este cu excitaţia

anticompound iar motorul de execuţie, motor de curent continuu cu excitaţie

independentă. Caracteristicile mecanice obţinute într-o astfel de acţionare sunt

prezentate în figura 3.14

Reglarea vitezei de rotaţie a electromotorului de acţionare se realizează prin

schimbarea rezistenţelor în circuitul înfăşurări de excitaţie derivaţie a generatorului.

Influenţa înfăşurării de excitaţie serie anticompound a generatorului limitează automat

momentul şi curentul maxim al electromotorului de execuţie. De aceea schema

prezintă protecţie şi siguranţă.

Fig. 13.14. Caracteristicile mecanice pentru sistemul generator-

motor

În practica construcţiilor navale din Suedia utilizarea sistemului generator-motor pentru acţionarea instalaţiilor de ancorare şi legare cunoaşte o largă răspândire. În situaţii în care siguranţa în funcţionare constituie criteriul principal, este de preferat sistemul generator-motor şi pentru puteri sub limita de 70kW.

3.8 Scheme de comandă pentru acţionarea electrică a mecanismelor de

ancorare, legare şi remorcare

3.8.1. Clasificare. Tipuri de protecţie electrică

Schemele electrice de comandă a acţionării mecanismelor de ancorare, legare

şi remorcare se clasifică astfel:

scheme de comandă cu controler;

scheme de comandă cu relee şi contactoare;

scheme de comandă pentru sistemul generator-motor;

scheme de comandă cu tiristoare.

În cele ce urmează se va face o analiză succintă a acestor scheme.

a. Scheme de comandă cu controler

Se utilizează, de regulă, pentru puteri mici, până la 20kW şi prezintă avantajul că sunt simple, precise, au gabarite şi greutăţi reduse. Se folosesc în situaţiile în care frecvenţa pornirii instalaţiilor este mică, ceea ce este caracteristic pentru funcţionarea instalaţiei de ancorare. Pornirea şi reglarea vitezei necesită atenţie şi pregătire corespunzătoare din partea operatorului. Aceste scheme nu pot asigura regimul de limitare automată a momentului pe timpul creşterii sarcinii în perioada de smulgere a ancorei, pentru această limitare se cere intervenţia operatorului.

Controlerul de comandă se dispune în apropierea electromotorului şi mecanismului acţionat. Conectarea tensiunii de alimentare se face printr-un contactor de linie a cărui bobină este alimentată atunci când controlerul se află pe poziţia zero. Acest contactor are rolul de releu de tensiune minimă şi în acelaşi timp tot prin întreruperea bobinei contactorului acţionează şi protecţia la suprasarcină.

b. Scheme de comandă cu relee şi contactoare

Aceste scheme sunt cele mai răspândite pe navele aflate în exploatare.

Schemele de comandă cu relee şi contactoare asigură automat procesul de pornire, reglarea turaţiei şi protecţia electrică necesară electromotoarelor.

Pentru comandă se folosesc contactoare şi relee dispuse într-un dulap numit staţie magnetică.

Cel mai frecvent se foloseşte pornirea automată a electromotoarelor în funcţie de timp. Pornirea electromotoarelor în funcţie de curent sau în funcţie de tensiunea contraelectromotoare este mai dificilă de aplicat din mai multe motive, dintre care enumerăm: temperatura variabilă a mediului, fluctuaţia sarcinii, fluctuaţia căderilor de tensiune ale reţelei.

Comanda acţionării electrice se realizează cu controler de comandă, de dimensiuni reduse având în vedere că în circuitele de forţă comutările necesare sunt realizate prin contactele contactoarelor, rolul controlerului fiind de a comanda închiderea sau deschiderea circuitelor de alimentare a bobinelor contactoarelor. Regula este ca rotirea manetei controlerului în sensul acelor de ceasornic (mişcarea spre dreapta) să corespundă ridicării ancorei sau strângerii parâmei şi în sens invers coborârii ancorei sau filării parâmei.

Scheme de comandă pentru sistemul generator-motor

Se folosesc pentru puteri mari ale instalaţiilor de ancorare, corespunzătoare unor calibre ale lanţului de ancoră care depăşesc 49mm.

Acest sistem asigură cele mai bune caracteristici mecanice: reglarea vitezei în limite largi, siguranţă deplină în funcţionare, motiv pentru care sunt preferate pentru utilizări pe nave de pasageri.

Pentru reducerea neajunsului privind mărirea puterii instalate s-a ajuns la soluţia realizării unui singur convertizor motor-generator care poate fi cuplat pe rând cu mai multe agregate cu funcţionări asemănătoare şi care nu lucrează simultan.

d. Scheme de comandă cu tiristoare

Comanda cu tiristoare a electromotorului de curent continuu reprezintă una din direcţiile moderne de dezvoltare a acţionărilor electrice navale. Acest sistem concurează sistemul generator-motor din punct de vedere al realizării caracteristicilor mecanice. Problema care trebuie rezolvată constă în ridicarea fiabilităţii acestui sistem pentru condiţiile de exploatare de la bordul navelor.

Sistemul permite utilizarea motorului de curent continuu pe nave electrificate în curent alternativ, cu toate avantajele sale privind caracteristicile mecanice.

În ceea ce priveşte protecţia electromotoarelor de acţionare a mecanismelor de ancorare, legare şi remorcare, conform regulilor de clasificare şi construcţie a navelor maritime aceasta trebuie să asigure:

protecţia maximală de curent;

protecţia termică de suprasarcină;

protecţie pentru limitarea sarcinii;

protecţie minimală de tensiune.

În continuare se prezintă rolul şi modul în care se realizează aceste protecţii în schemele electrice.

a. Protecţia maximală de curent

Protecţia maximală de curent acţionează la curenţii de scurtcircuit. Valorile acestor curenţi depăşesc de la câteva ori până la zeci de ori valoarea nominală a curentului. Pentru a nu pune în pericol electromotorul, protecţia în acest caz trebuie să acţioneze instantaneu şi să deconecteze alimentarea electromotorului.

Protecţia maximală de curent se realizează cu relee electromagnetice al căror timp de acţionare este foarte mic, 0,05 - 0,08 secunde. Reglarea curentului de anclanşare se face în limitele 2,25 - 3,5In (In - valoarea nominală a curentului).

Pentru motoare asincrone cu rotorul în scurtcircuit releele electromagnetice pentru protecţia maximală de curent nu pot fi întrebuinţate întrucât ar putea acţiona la curenţii de pornire care depăşesc de 4 - 6 ori valoarea curentului nominal. În cazul motoarelor asincrone cu rotor bobinat se pot utiliza relee maximale de curent montate pe fazele rotorului.

b. Protecţia termică la suprasarcină

Această protecţie acţionează la suprasarcină, adică la depăşiri mici ale sarcinii nominale, în limitele 1,1 - 1,25In. Întrucât suprasarcina poate fi suportată de motorul electric un anumit timp fără pericol, protecţia trebuie să acţioneze temporizat astfel încât suprasarcinile de scurtă durată, accidentale sau normale, cum ar fi perioada de pornire, să nu conducă la acţionarea protecţiei.

Protecţia la suprasarcină se realizează cu relee termice sau în ultimul timp se folosesc termoelemente sau termorezistenţe montate pe înfăşurările motorului electric, în interiorul acestuia.

Dacă suprasarcina este de durată şi deci pune în pericol integritatea motorului electric, în această situaţie releele termice acţionează şi deconectează motorul electric de la reţea.

Schemele de comandă prevăd posibilitatea ca în situaţii deosebite, de avarii, prin apăsarea pe un buton să se anuleze acţiunea releelor termice şi deci motorul electric să-şi continue funcţionarea în suprasarcină pentru a face faţă situaţiei.

c. Protecţia pentru limitarea sarcinii

Se realizează cu relee electromagnetice de curent reglate pentru a acţiona în limitele 1,5 - 2In.

În acest caz la apariţia unei suprasarcini pe treptele de viteză superioară, prin acţiunea acestui releu se comută automat funcţionarea electromotorului pe altă caracteristică mecanică corespunzătoare unei viteze mai mici. Acest lucru la motoarele asincrone în scurtcircuit se obţine prin comutarea înfăşurării statorice pentru un număr de poli mai mare iar la motoarele de curent continuu şi motoarele asincrone cu rotor bobinat prin introducerea unor trepte de rezistenţă în circuitul rotorului.

Prin acest procedeu se face faţă suprasarcinii fără a deconecta electromotorul de la reţea.

Pentru ca releele electromagnetice de sarcină să nu acţioneze la curenţii de pornire, acestea se construiesc cu temporizare la acţionare.

d. Protecţia la tensiune minimă

Protecţia la tensiune minimă acţionează la scăderea tensiunii sub 0,5Un sau la dispariţia tensiunii de alimentare şi se realizează cu relee electromagnetice. Prin acţiunea acestor relee se scoate din funcţiune instalaţia. La revenirea tensiunii de alimentare instalaţia nu funcţionează. Este necesară intervenţia operatorului care readuce manual controlerul de comandă pe poziţia zero şi astfel schema este pregătită pentru o nouă funcţionare.

3.8.2. Scheme electrice de comandă cu controler a acţionării cabestanelor (vinciurilor) de ancoră

În figura 3.15. este reprezentată schema electrică de comandă prin controler a acţionării cabestanului de ancoră cu motor de curent continuu.

Elementele componente ale schemei electrice din figura 3.15. sunt:

m - motor electric de curent continuu cu excitaţie mixtă la care excitaţia serie este preponderentă;

ED, ES - înfăşurările de excitaţie, derivaţie şi serie; C1 - contactor de linie; C2 - contactor de sarcină; d1 - releu pentru protecţia maximală de curent; d2 - releu de protecţie la suprasarcină; FE - înfăşurarea frânei electromagnetice; R1-R6 - rezistenţe pentru pornirea şi reglarea vitezei motorului electric;

R7-R9 - rezistenţe pentru limitarea curentului prin excitaţia derivaţie şi înfăşurarea frânei electromagnetice;

R8 - rezistenţă de descărcare; b(1-1’)-b(12-12’) - contactele controlerului de comandă; f - siguranţe fuzibile pentru protecţia schemei de comandă.

Situaţia elementelor schemei la aplicarea tensiunii de la reţea.

Controlerul de comandă fiind pe poziţia zero sunt închise contactele b(1-1’), b(2-2’) şi b(4-4’). Este alimentată bobina contactorului de linie C1 care închide contactele C1(2-4) din circuitul motorului şi C1(6-8) din circuitul frânei electromagnetice pregătind aceste circuite pentru cuplare. Se închide contactul C1(10-12) care şuntează contactul controlerului b(2-2’). De asemenea pe această poziţie a controlerului este alimentată şi bobina contactorului C2 care închide contactele C2(2-4) şi C2(6-8) din circuitul releului de sarcina d2. Excitaţia derivaţiei, ED este alimentată permanent prin rezistenţa de limitare R7. Motorul electric se află în repaus având întrerupt circuitul indusului.

Funcţionarea. Prin mutarea controlerului pe poziţia 1 “VIRA” se deschide contactul b(2-2’) şi se închid contactele b(3-3’), b(6-6’) şi b(7-7’). Se stabileşte circuitul de alimentare al frânei electromagnetice şi se decuplează frâna de pe axul motorului. În acelaşi timp, prin închiderea contactelor b(6-6’) şi b(7-7’) este conectat indusul motorului la reţea. Electromotorul porneşte în sensul de virare al lanţului de ancoră cu viteza minimă, având indusul şuntat de rezistenţele R1, R2 conectate în paralel şi fiind în serie cu rezistenţele R3, R4, R5 şi R6.

În figura 3.16. sunt reprezentate caracteristicile mecanice ale motorului corespunzătoare procesului de virare a lanţului de ancoră.

Schemei de conectare corespunzătoare poziţiei 1 “VIRA”, a controlerului, îi

corespunde funcţionarea motorului după caracteristica mecanică artificială 1. Pe

această caracteristică se obţin viteze de 2 - 3 ori mai mici decât viteza nominală

ceea ce asigură o pornire fără şocuri, iar la sfârşitul operaţiunii de virare revenind

pe această poziţie se asigură o viteză redusă de tragere a ancorei în nară fără

pericol.

Pe poziţia 2 “VIRA” se deschide contactul b(4-4’) şi se întrerupe şuntarea

indusului. Punctul de funcţionare se mută pe caracteristica artificială 2 obţinându-se

mărirea vitezei de ridicare a ancorei.

Trecând controlerul succesiv pe poziţiile 3, 4, 5, 6 se închid în ordine

contactele b(9-9’), b(10-10’), b(11-11’), b(12-12’) şi sunt scoase pe rând din circuitul

indusului rezistenţele R3, R4, R5, R6. Punctul de funcţionare trece pe

caracteristicile mecanice superioare, mărindu-se în trepte viteza de virare. Pe

poziţia 6 sunt scoase toate rezistenţele din circuitul indusului, punctul de

funcţionare se va situa pe caracteristica mecanică naturală 6, iar viteza de rotaţie

va avea valoarea maximă.

La revenirea controlerului pe poziţia zero prin deschiderea contactelor b(6-

6’), b(7-7’) şi închiderea contactului b(4-4’) circuitul indusului este deconectat de la

reţea şi închis pe rezistenţa de frânare dinamică R1. Excitaţia derivaţie fiind

permanent alimentată, motorul care se roteşte sub acţiunea forţelor de inerţie intră

în regim de frânare dinamică şi dezvoltă un cuplu de frânare. În acelaşi timp prin

deschiderea contactului b(3-3’) se întrerupe alimentarea frânei electromagnetice şi

asupra axului motorului electric acţionează frâna mecanică. În acest caz, frânarea

dinamică se adaugă frânării mecanice pentru a mări siguranţa în exploatare, cât şi

pentru ca frâna mecanică să nu acţioneze cu şocuri mari care i-ar grăbi uzura

mecanică.

Funcţionarea schemei pe poziţia “FILA” este asemănătoare. Pe poziţia 1

“FILA” a controlerului, în locul contactelor b(6-6’), b(7-7’) se închid contactele

b(5-5’), b(8-8’) realizându-se inversarea sensului curentului prin indus şi ca urmare,

inversarea sensului de rotaţie. Spre deosebire de situaţia precedentă pe poziţiile de

la 2 la 6 se menţine şuntarea indusului cu rezistenţele R1, R2 conectate în serie.

Prin menţinerea şuntării indusului pe toate poziţiile de filare, motorul electric este

capabil să dezvolte un cuplu de frânare corespunzător în situaţiile în care creşte

cuplul dat de greutatea ancorei şi a lanţului ca urmare a filării la adâncimi mari.

Fig. 3.16. Caracteristicile mecanice ale acţionării pentru schema de comandă cu

controller

Fig. 3.15. Schema electrică de comandă prin controler a acţionării cabestanului de ancoră cu motor de curent

continuu

Protecţia. Schema este prevăzută cu protecţie maximală de curent asigurată

de releul d1. Curentul de acţionare al releului se reglează în limite care nu

depăşesc, de regulă, 250-300% din valoarea nominală. La funcţionarea releului d1

deschiderea contactului d1(3-5) întrerupe alimentarea contactorului C1 şi motorul

este deconectat de la reţea.

Releul d2 asigură protecţia la suprasarcină a motorului electric. Dacă

funcţionând la viteza nominală (controlerul pe poziţia 6) sarcina motorului creşte

peste 1,2 - 2 ori, acţionează cu temporizare releul d2 şi prin deschiderea contactului

d2(3-5) întrerupe circuitul de alimentare al contactorului C2. Se deschid contactele

C2(2-4), C2(6-8) şi în circuitul indusului se introduc rezistenţele R4, R5. Automat

punctul de funcţionare trece de pe caracteristica naturală 6 pe caracteristica

mecanică artificială 4 şi viteza de rotaţie se micşorează corespunzător. Pe durata

virării ancorei această situaţie poate avea loc în momentul smulgerii ancorei.

Prin acţiunea contactorului C2 se întrerupe circuitul releului de sarcină şi

contactul acestuia d2(3-5) se închide dar alimentarea contactorului C2 nu se mai

realizează întrucât pe poziţia 6 a controlerului este deschis contactul b(1-1’). Pentru

a pune în concordanţă poziţia controlerului cu turaţia motorului se aduce controlerul

pe poziţia 3. Pe această poziţie se închide b(1-1’) şi se realizează alimentarea

bobinei contactorului C2. În continuare, revenind pe treptele superioare schema

funcţionează normal obţinându-se creşterea în trepte a vitezei.

Protecţia minimală de tensiune este asigurată de contactorul de linie C1. Atunci

când tensiunea reţelei scade sub 0,5Un contactorul de linie declanşează şi

întrerupe funcţionarea schemei.

Contactul b(2-2’) închis numai pe poziţia zero a controlerului, are rolul de a nu

permite cuplarea motorului la reţea decât în cazul în care toate rezistenţele de

pornire sunt conectate în circuitul indusului. Dacă în timpul funcţionării, cu

controlerul pe una din poziţiile de la 1 la 6, se întrerupe din anumite motive

tensiunea de alimentare, motorul sub acţiunea frânei mecanice se opreşte. La

reapariţia tensiunii de alimentare motorul nu porneşte deoarece contactul b(2-2’)

fiind deschis este întrerupt circuitul contactorului de linie C1. Pentru pornire este

necesar să se aducă mai întâi controlerul pe poziţia zero, pentru a da posibilitatea

contactorului de linie C1 să acţioneze şi după aceea se poate efectua pornirea

normală a instalaţiei.

În figura 3.17. este reprezentată schema electrică de comandă prin controler

a acţionării cabestanului de ancoră cu motor asincron în scurtcircuit.

Elementele componente ale schemei reprezentate în figura 3.17. sunt:

m - motor asincron în scurtcircuit având pe stator trei înfăşurări construite

pentru numărul de poli 2p = 4, 8, 16;

C1 - contactor de linie;

C2, C3 - contactoare pentru cuplarea înfăşurării de viteză maximă;

m2 - transformator pentru alimentarea schemei de comandă;

n1, n2 - diode redresoare;

FE - frâna electromagnetică;

b(1-1’) - b(12-12’) - contactele controlerului de comandă;

b1 - buton de avarie;

e1 e4 - relee termice pentru protecţie la suprasarcină;

f - siguranţe fuzibile pentru protecţia schemei de comandă.

Situaţia elementelor schemei la aplicarea tensiunii de la reţea. La aplicarea

tensiunii de la reţea, controlerul de comandă fiind pe poziţia zero, este închis

contactul b(1-1’) şi va fi pus sub tensiune contactorul de linie C1 care îşi închide

contactele pregătind schema pentru funcţionare.

Funcţionarea. Pe prima poziţie “VIRA” se deschide contactul b(1-1’) şi se

închid

contactele b(3-3’), b(5-5’), b(7-7’), b(10-10’), b(11-11’) şi b(12-12’). Motorul se

cuplează la reţea pentru succesiunea normală a fazelor, cu înfăşurarea

corespunzătoare numărului de poli 2p=16 şi porneşte cu viteza minimă.

Pe poziţia 2 “VIRA” se deschid contactele b(10-10’), b(11-11’), b(12-12’) şi se

închid contactele b(8-8’) şi b(9-9’). Se întrerupe alimentarea înfăşurării 2p=16 şi se

alimentează înfăşurarea corespunzătoare pentru 2p=8. Viteza de rotaţie va fi viteza

medie.

Pe poziţia 3 “VIRA” se închide în plus contactul b(2-2’) care stabileşte circuitul

de alimentare a contactoarelor C2 şi C3. Prin contactele principale ale acestor

contactoare se deconectează înfăşurarea de viteză medie şi se conectează

înfăşurarea de viteză maximă (2p=4). În paralel cu contactul b(2-2’) se închide

contactul C2(6-8) de automenţinere.

Pe poziţia 4 se menţine viteza maximă, dar spre deosebire de poziţia 3 pe

această poziţie funcţionează protecţia de suprasarcină.

Funcţionarea pe poziţiile “FILA” este aceeaşi, schema fiind simetrică.

Deosebirea constă numai în faptul că în locul contactelor b(3-3’), b(5-5’) se închid

contactele b(4-4’), b(6-6’) prin care se inversează două faze ale tensiunii de

alimentare şi se obţine în acest fel schimbarea sensului de rotaţie.

Protecţia. Releele termice e1, e2, e3, e4 asigură protecţia la curenţi maximali.

Protecţia acţionează prin contactele normal închise aflate în circuitul de alimentare a

contactorului de linie. La deschiderea unui contact al releelor termice se asigură

deconectarea motorului de la reţea prin contactorul de linie. Butonul b1 are rolul de a

bloca acţiunea protecţiei în anumite situaţii când este necesară menţinerea în

funcţiune a acţionării pentru o durată scurtă de timp, cu riscul care există în ceea ce

priveşte distrugerea motorului dacă se prelungeşte peste o anumită limită timpul de

anulare a protecţiei.

Protecţia la sarcină este realizată de releul d montat în circuitul înfăşurării de

viteză maximă

(2p = 4). În situaţia în care funcţionând cu viteza maximă, controlerul pe poziţia 4,

apare o suprasarcină care se menţine o anumită durată, acţionează releul d şi prin

deschiderea contactului d(3-5) se întrerupe alimentarea contactoarelor C2, C3. Ca

urmare se deconectează automat înfăşurarea de viteză maximă şi se conectează

înfăşurarea de viteză medie. După trecerea perioadei de suprasarcină pentru a

restabili concordanţa dintre poziţia controlerului şi viteza motorului se revine pe

poziţia 2 sau 3 după cum se doreşte menţinerea vitezei medii sau trecerea din nou

la viteza maximă.

Protecţia la tensiune minimă este asigurată de contactorul de linie C1.

În cazul acţionării cabestanului de ancoră cu motor asincron cu trei viteze, de

regulă, viteza medie este viteza de bază. Viteza minimă se foloseşte la aşezarea

ancorei în nară iar viteza maximă pentru ridicarea ancorei după smulgere.

Schemele de comandă cu controler prezentate în figurile 3.15. şi 3.17. se utilizează pentru puteri reduse cuprinse în limitele 6 - 12kW. Pentru astfel de puteri comanda cu controler prezintă o serie de avantaje: simplitate, siguranţă în funcţionare, greutăţi şi gabarite reduse.

În ambele scheme prezentate, pe timpul filării ancorei cu ajutorul dispozitivului electric de acţionare, electromotorul poate lucra în regim de funcţionare ca motor sau generator cu frânare dinamică în cazul motorului de curent continuu sau generator cu recuperare în cazul motorului asincron.

Regimul de funcţionare ca motor poate ava loc în momentul iniţial al filării când cuplul dat de greutatea ancorei este mai mic decât cuplul forţelor de frecare din mecanismul de transmisie şi pentru coborârea ancorei maşina electrică dezvoltă un cuplu motor de învingere a frecărilor transmisiei mecanice. De la o anumită adâncime, greutatea ancorei şi a lanţului creează un cuplu mai mare decât cel dat de forţele de frecare şi maşina electrică trece în regim de generator, dezvoltând un cuplu de frânare care limitează viteza de coborâre a ancorei.

Fig. 3.17. Schema electrică de comandă prin controler a acţionării cabestanului de

ancoră cu motor de curent alternativ

3.8.3. Scheme electrice de comandă cu contactoare şi relee ale acţionării cabestanelor (vinciurilor) de ancoră

Schema de comandă cu contactoare şi relee în curent alternativ a acţionării cabestanului de ancoră cu motor asincron în scurtcircuit este prezentat în figura 3.20.

Pentru realizarea celor trei trepte de viteză în crestăturile statorului sunt

dispuse două înfăşurări separate dintre care una este comutabilă. Înfăşurarea

comutabilă pentru conexiunea triunghi are numărul de poli 2p = 16 iar pentru

conexiunea dublă stea are numărul de poli 2p = 8, ceea ce corespunde vitezelor

sincrone de 375 rot/min şi 750 rot/min. Înfăşurarea necomutabilă este realizată cu

numărul de poli 2p = 4, corespunzător vitezei sincrone de 1500 rot/min.

Elementele componente ale schemei electrice din figura 3.20. sunt:

m - motor electric asincron cu rotorul în scurtcircuit, cu trei trepte de

viteză;

C1, C2 - contactoare de cuplare la reţea pentru sensurile de rotaţie dreapta

sau stânga;

C3 - contactor pentru conectarea înfăşurării comutabile, în triunghi;

C4, C6 - contactoare pentru cuplarea înfăşurării comutabile în dublă stea;

C5 - contactor pentru cuplarea înfăşurării necomutabile;

C7 - contactor pentru cuplarea bobinei frânei electromagnetice;

d1 - releu de tensiune minimă;

d2 - releu pentru comutare automată de la viteză mare la viteză medie;

d3 - releu pentru blocarea acţiunii protecţiei;

d4 - releu de sarcină;

e1, e2, e3 - relee termice de protecţie maximală de curent;

FE - bobina frânei electromagnetice;

b(1-1’) b(8-8’) - contactele controlerului de comandă;

b1 - buton pentru anularea protecţiei;

h -lampă de semnalizare. Este aprinsă când poziţia controlerului

corespunde cu viteza motorului şi se stinge când acţionează protecţia

de sarcină;

f - siguranţe fuzibile pentru protecţia schemei de comandă;

a - separator cu pârghie.

Situaţia elementelor schemei la aplicarea tensiunii de la reţea.

Se închide separatorul pentru aplicarea tensiunii schemei de comandă. Controlerul fiind pe poziţia zero sunt închise contactele b(1-1’) şi b(8-8’). Sunt alimentate releele d1 şi d2 care închid contactele d1(2-4), d2(2-4), d2(6-8), d2(10-12) şi deschid contactul d2(3-5). Se aprinde lampa de semnalizare h şi schema este pregătită pentru funcţionare.

Funcţionarea.

Pe poziţia 1 “VIRA” sunt închise contactele b(1-1’), b(2-2’), b(3-3’) şi se deschide contactul b(8-8’).

Tensiunea de alimentare a schemei de comandă se menţine prin contactul releului de tensiune minimă d1(2-4). Sunt închise circuitele de alimentare pentru contactoarele C1 şi C3. Contactele principale ale acestor contactoare conectează înfăşurarea comutabilă cu conexiunea triunghi (2p=16) la reţeaua de alimentare. Motorul porneşte cu viteza minimă în sensul virare a ancorei la bord.

În figura 3.21. sunt prezentate caracteristicile mecanice ale acţionării.

În poziţia 1 a controlerului corespunzătoare turaţiei minime punctul de

funcţionare se situează pe caracteristica mecanică 1.

În poziţia 2 “VIRA” se deschide contactul b(2-2’) şi se închid contactele b(4-4’)

şi b(6-6’). Este întreruptă alimentarea contactorului C3 şi se stabileşte alimentarea

pentru contactoarele C4, C6 în ordinea C6, C4. Ca urmare se schimbă conexiunea

înfăşurării comutabile din triunghi în dublă stea şi corespunzător se modifică

numărul de poli de la 2p = 16 la 2p = 8. Turaţia motorului electric va creşte de la

valoarea minimă la valoarea medie.

În poziţia 1 a controlerului corespunzătoare turaţiei minime punctul de

funcţionare se situează pe caracteristica mecanică 1.

În poziţia 2 “VIRA” se deschide contactul b(2-2’) şi se închid contactele b(4-

4’) şi b(6-6’). Este întreruptă alimentarea contactorului C3 şi se stabileşte

alimentarea pentru contactoarele C4, C6 în ordinea C6, C4. Ca urmare se schimbă

conexiunea înfăşurării comutabile din triunghi în dublă stea şi corespunzător se

modifică numărul de poli de la 2p = 16 la 2p = 8. Turaţia motorului electric va creşte

de la valoarea minimă la valoarea medie.

La mutarea controlerului pe poziţia 3 se deschid contactele b(1-1’), b(4-4’) şi se închide contactul b(7-7’). Fiind deschis şi contactul d2(3-5) se întrerupe alimentarea contactoarelor C4, C6 şi este alimentat contactorul C5. Prin aceasta înfăşurarea comutabilă este scoasă de sub tensiune şi se cuplează la reţea cea de-a doua înfăşurare, care asigură viteza mare de funcţionare a motorului electric. Punctul de funcţionare se mută pe caracteristica mecanică 3. Pe poziţia 3 a controlerului alimentarea releului d2 este menţinută prin propriul contact d2(10-12).

Schema fiind simetrică, funcţionarea pe poziţiile “FILA” ale controlerului este identică.

Aşa cum se observă din reprezentarea caracteristicilor mecanice în figura 13.21., comutarea triunghi - dublă stea utilizată pentru înfăşurarea comutabilă asigură schimbarea turaţiei de la simplu la dublu şi reducerea la jumătate a cuplului, menţinându-se constantă puterea motorului electric. Această soluţie este optimă pentru acţionările de la bordul navei întrucât prin comutare nu se produc şocuri de curent în reţea. Comutarea stea - dublă stea care asigură menţinerea aproximativ constantă a cuplului şi dublarea puterii nu este de preferat în condiţiile în care motorul electric de acţionare a cabestanului este un consumator mare de putere, iar centrala electrică de la bordul navei are putere limitată.

Din acelaşi motiv înfăşurarea necomutabilă pentru viteza mare se realizează pentru aceeaşi putere astfel încât la comutarea treptelor de viteză puterea

absorbită de motorul electric din reţea rămâne constantă pentru o anumită valoare a cuplului de sarcină.

Caracteristica mecanică 2 corespunzătoare vitezei medii reprezintă caracteristica de bază pentru funcţionarea motorului electric de acţionare a cabestanului de ancoră. Viteza mică se foloseşte pentru poziţionarea ancorei în nară, iar viteza mare pentru ridicarea ancorei după smulgere.

Protecţia. La funcţionarea motorului electric cu viteză mare în cazul apariţiei unei suprasarcini care se menţine o anumită durată, releul de sarcină d4 asigură scăderea automată a vitezei. Controlerul de comandă fiind pe poziţia 3, dacă apare o suprasarcină de durată, acţionează releul d4 şi se deschide contactul d4(3-5) prin care se întrerupe alimentarea releului d2. Prin deschiderea contactului d2(6-8) se întrerupe alimentarea contactorului C5 şi prin închiderea contactului d2(3-5) se conectează alimentarea contactoarelor C4 şi C6. Înfăşurarea corespunzătoare vitezei mari este scoasă de sub tensiune şi se pune sub tensiune înfăşurarea comutabilă cu conexiunea dublă stea.

Motorul electric îşi va reduce automat viteza de la valoarea mare la valoarea

medie. Contactul d2(2-4) se deschide şi lampa de semnalizare h se stinge indicând

funcţionarea protecţiei de sarcină cât şi faptul că poziţia controlerului nu mai este în

concordanţă cu viteza reală a motorului electric.

După trecerea a câteva zeci de secunde releul d4 îşi închide din nou contactul d4(3-5) însă circuitul releului d2 nu se restabileşte întrucât pe poziţia 3 a controlerului este deschis contactul b(1-1’). Pentru conectarea din nou a înfăşurării de viteză mare este necesar să se revină cu controlerul pe poziţia 2 şi după aceea să se treacă pe poziţia 3. La revenirea pe poziţia 2 se închide circuitul de alimentare al releului d2 şi se aprinde lampa h indicând faptul că poziţia controlerului este în concordanţă cu viteza motorului.

Protecţia maximală de curent este asigurată de releele termice e1, e2, e3. La depăşirea de durată peste o anumită limită a curentului nominal contactele releelor termice întrerup funcţionarea motorului electric prin deschiderea circuitului de alimentare a releului de tensiune minimă.

Protecţia la tensiune minimă este asigurată de releul d1.

În situaţiile în care condiţiile de exploatare impun ca necesară funcţionarea instalaţiei chiar cu riscul de a se deteriora, schema este prevăzută cu posibilitatea de anulare a protecţiei. Prin apăsarea pe butonul b1 este alimentat releul d3 care prin contactele d3(2-4) şi d3(6-8) anulează protecţia de sarcină şi protecţia maximală. Anularea protecţiei durează cât timp se ţine apăsat butonul b1. Operatorul trebuie să cunoască că prelungirea timpului de apăsare peste o anumită limită duce la arderea motorul electric.

2p =

16/8

2p

= 4

Fig. 13.20. Schema electrică de comandă a acţionării cabestanului de ancoră

cu relee şi contactoare pentru motor asincron în scurtcircuit cu trei viteze

Fig. 3.21. Caracteristicile mecanice ale acţionării cu motor asincron cu trei trepte de

viteză

Schemele de comandă a acţionării cabestanului de ancoră cu motoare asincrone în scurtcircuit se întrebuinţează pentru puteri până la 60kW. Pentru puteri mai mari, până la 100kW, se utilizează motorul asincron cu rotor bobinat. La puteri mari schema de acţionare necesită o cantitate sporită de aparataj electric şi devine

comparabilă din punct de vedere al preţului de cost cu sistemul generator-motor. În această situaţie este de preferat sistemul generator-motor care asigură cel mai bine caracteristicile mecanice necesare pentru acţionarea cabestanului de ancoră, prezintă siguranţă în funcţionare şi simplitate în exploatare.

4. Comanda instalaţiilor de încărcare-descărcare

4.1. Destinaţie, regimuri de lucru şi tipurile mecanismelor navale de încărcare

Vinciurile de încărcare şi macaralele navale sunt destinate, în principal, pentru lucrările

de încărcare-descărcare executate la bordul navelor.

În construcţia navelor moderne se urmăreşte creşterea rentabilităţii exploatării navei

care se obţine în principal prin reducerea duratei de staţionare în porturi pentru operaţii

de încărcare-descărcare şi micşorarea duratei de deplasare între două porturi prin

sporirea vitezei de marş. 1/3 până la 2/3 din perioada de exploatare reprezintă timpul

lucrărilor de încărcare-descărcare.

Mecanismele de încărcare-descărcare se caracterizează prin existenţa unui număr

mare de regimuri de lucru şi funcţionează cu sarcini şi viteze care se repetă ciclic.

Durata unui ciclu constă din perioadele în care mecanismul funcţionează şi din pauze.

Durata pauzelor depinde de rapiditatea prinderii şi desprinderii încărcăturii şi variază în

limite foarte largi. Gama de viteze a acestor mecanisme trebuie să fie foarte mare întrucât,

pe de o parte, vitezele mari scurtează durata ciclului, iar vitezele mici permit aşezarea

fără şocuri a încărcăturii.

Pe baza datelor referitoare la regimurile de funcţionare ale mecanismelor de încărcare-

descărcare se pot determina caracteristicile optime de viteză şi parametrii regimurilor

cărora trebuie să le corespundă acţionarea electrică.

Mecanismele navei cu acţionare electrică pentru manevrarea greutăţilor pot fi clasificate

după: destinaţie, tipul mecanismului de transmisie, sistemul de comandă şi după felul

curentului.

În funcţie de destinaţie, după caracterul operaţiei îndeplinite, se împart în:

vinciuri de încărcare şi macarale pentru mărfurile generale, adică mărfuri

transportate în pachete sau paleţi (baloţi), rulouri, cutii, saci, butoaie şi de asemenea

cherestea, laminate şi mărfuri sub formă de pulberi (cărbune, minereu ş.a.);

vinciurile de încărcare şi macaralele pentru operaţii speciale: ridicare şalupe sau

bărci de salvare, ridicare scară de bord, remorcare, ridicare traulere, ascensoare etc..

După tipul mecanismului de transmisie se împart în vinciuri de încărcare şi macarale

cu transmisie mecanică şi cu transmisie hidraulică.

După sistemul de comandă mecanismele navale de încărcare se împart astfel:

comandă directă prin controler;

comandă prin relee şi contactoare;

sistem generator-motor;

sisteme cu tiristoare sau amplificatoare magnetice.

În funcţie de felul curentului se disting mecanisme de încărcare cu acţionări

electrice de curent continuu şi de curent alternativ.

Cele mai răspândite mecanisme navale de încărcare sunt vinciurile şi macaralele.

Vinciurile de încărcare.

O instalaţie cu vinciuri constă din următoarele elemente principale: bigile 1, coloana 2,

gurile de magazie 3, parâma şi cârligul de sarcină, vinciurile de încărcare 4 şi macaralele 5.

Vinciul de încărcare este cuplat şi cu un vinci de ridicare a bigii fără sarcină necesar

stabilirii poziţiei iniţiale a bigii. Cele două vinciuri sunt blocate electric, astfel încât nu pot

funcţiona simultan.

Fig. 4.1. Amplasarea instalaţiei de încărcare

Vinciurile navale moderne se caracterizează prin dimensiuni relativ reduse, forme simple şi construcţii etanşe la apă.

Unele vinciuri, în afara tamburului principal de sarcină, au tambure auxiliare care pot fi folosite pentru alte manevre, de exemplu pentru ridicarea şi coborârea bigilor.

Stoparea rapidă a vinciului şi fixarea poziţiei sarcinii atunci când electromotorul de acţionare este oprit, se realizează prin acţionarea automată a frânei electromagnetice realizată în cele mai multe cazuri sub forma de frână disc montată pe axul electromotorului.

Vinciul de încărcare cu bigi reprezintă o soluţie simplă utilizată frecvent pe navele comerciale datorită avantajelor sale comparativ cu alte instalaţii de ridicare, privind: posibilitatea de supraîncărcare mărită, deservirea unei suprafeţe mai mari, posibilitatea de a funcţiona şi în condiţii de oscilaţii reduse ale navei. Ca dezavantaj se poate menţiona durata de timp necesară pentru aducerea bigilor în poziţia de lucru având în vedere că pe timpul marşului bigile se aşează de regulă în poziţie orizontală în axul navei.

Macaralele de încărcare.

Macaralele sunt prevăzute cu mecanisme de ridicare a sarcinii, mecanisme de rotire şi mecanisme de ridicare a braţului macaralei pentru modificarea razei de acţiune. Toate aceste mecanisme se pot amplasa atât pe punte cât şi sub punte, iar motoarele electrice de acţionare se amplasează pe platforma rotitoare a macaralei primind alimentarea prin căi de curent speciale. Tot echipamentul electric este amplasat pe macara şi cele trei mecanisme pot funcţiona separat sau simultan.

Macaralele prezintă avantajul că, spre deosebire de vinciurile de încărcare cu bigi, sunt permanent gata de funcţionare. Ele realizează cicluri de funcţionare mai scurte şi deci productivitate mărită. Sunt de asemenea construcţii compacte realizate etanş la pătrunderea apei. În acelaşi timp prezintă şi unele neajunsuri comparativ cu vinciurile de încărcare, cum ar fi: posibilitate limitată de supraîncărcare, suprafaţa deservită este mai mică, limitarea lucrului pentru înclinări ale braţului mai mici de 5° sau în condiţii de oscilaţii ale navei.

Regimurile de funcţionare ale vinciurilor de încărcare sunt în funcţie de caracterul operaţiunilor de încărcare şi de felul sarcinii. Operaţiunile de încărcare se pot efectua cu o bigă sau cu două bigi.Dacă în timpul operaţiunilor lucrează o singură bigă, ridicarea şi coborârea sarcinii se efectuează cu ajutorul vinciului iar deplasarea pe orizontală se face manual sau cu ajutorul unui alt vinci. În acest caz, se ridică mai întâi sarcina, apoi se

deplasează pe orizontală, după care se coboară. După eliberarea sarcinii cârligul gol se deplasează în sens invers.

La efectuarea operaţiunilor de încărcare-descărcare cu ajutorul a două bigi, una din ele se aduce deasupra gurii de magazie iar cealaltă deasupra locului de pe mal în care se depune sarcina. Ambele capete ale parâmelor celor două vinciuri se leagă la acelaşi cârlig. În figura 4.2 este prezentată amplasarea bigilor 1 şi 2 în timpul încărcării navei prin acest sistem şi traiectoria sarcinii.

Operaţiunea de încărcare se efectuează în următoarea succesiune. Vinciul 1 ridică sarcina în timp ce vinciul 2 eliberează parâma de manevră. După ce sarcina a fost ridicată, vinciul 2 trage parâma de manevră deplasând sarcina pe orizontală în timp ce vinciul 1 eliberează uşor parâma. După deplasarea sarcinii pe orizontală până în dreptul gurii de magazie, vinciul 2 coboară sarcina în magazie în timp ce vinciul 1 filează parâma.

Fig. 4.2. Amplasarea bigilor şi traiectoria de mişcare a sarcinii pe timpul lucrului cu două bigi.

a - amplasarea bigilor, b - traiectoria încărcăturii

Mecanismelor navale destinate pentru operaţiunile de încărcare-descărcare li se cere să

asigure: productivitate mare, siguranţă în funcţionare, simplitatea deservirii şi a conducerii,

economicitate, greutate şi gabarite mici, simplitatea montării.

Productivitatea vinciului de încărcare se apreciază după cantitatea de marfă încărcată

în timp de o oră.

Prin siguranţa în funcţionare se înţelege o funcţionare fără întrerupere a vinciului de

încărcat. Pentru aceasta este necesar ca instalaţia să funcţioneze sigur atât din punct de

vedere al dispozitivelor electrice cât şi mecanice.

Deservirea simplă presupune accesul comod la piesele care trebuie observate, reglate,

curăţite, unse, reparaţii şi înlocuiri simple precum şi o schemă electrică simplă.

Prin simplitatea conducerii se înţelege punerea uşoară în funcţiune şi posibilitatea

deservirii de către personal fără o calificare deosebită.

Economicitate înseamnă preţ de cost redus, reparaţii cu costuri mici şi funcţionarea

instalaţiei de încărcare cu randament ridicat.

Simplitatea montării se asigură prin dispunerea întregii instalaţii pe o placă comună,

astfel încât să fie montată uşor la bordul navei.

În figura 4.3. este prezentată schema cinematică a vinciului cu transmisie mecanică.

Fig. 4.3. Schema cinematică a vinciului cu transmisie mecanică.

Vinciul de acest tip se compune din tamburul de sarcină 1 fixat pe axul 2 împreună cu

tamburii de manevră 3. Axul este cuplat prin reductorul cu roţi cilindrice 4, cu electromotorul

6 şi frâna electromagnetică 5.

Reductorul cu roţi dinţate cilindrice are randament ridicat, circa 0,8 - 0,85 şi moment de

inerţie redus, comparativ cu alte tipuri de reductoare. Pentru reducerea zgomotului roţile

sunt cu dinţii înclinaţi sau în V.

Vinciurile de acest tip se construiesc cu raport de transmisie constant sau reglabil în

două trepte cu ajutorul unui schimbător manual de viteză. Executarea transmisiei mecanice

cu două trepte de reglare duce la dublarea numărului treptelor de reglare oferită de schema

electrică de comandă, ceea ce face să crească productivitatea vinciului de încărcare.

În figura 4.4. este prezentat aspectul general al vinciului de încărcare. El se compune

din: flanşa electromotorului 1, reductor 2, tambur de sarcină 3, tambur de manevră 4, staţie

magnetică 5. Toate elementele vinciului, inclusiv postul de comandă, sunt montate pe o

placă comună pentru a uşura montarea la bordul navei.

Fig. 4.4. Aspectul general al vinciului de încărcare.

Sunt folosite de unele firme constructoare şi transmisii mecanice cu şurub melc-roată

melcată. Acest tip de transmisie oferă posibilitatea reducerii greutăţii şi gabaritelor

transmisiei, în schimb însă, randamentul acestor transmisii este mai mic comparativ cu

randamentul transmisiei cu roţi cilindrice.

4.2. Principalele cerinţe ale acţionării electrice a instalaţiilor navale de

încărcare

Alegerea tipului electromotorului şi caracteristicile mecanice ale acţionării se determină

pe baza următorilor factori: caracteristicile de lucru ale mecanismului de încărcare,

productivitatea, reglarea vitezei, caracterul proceselor tranzitorii, felul curentului pe navă. În

continuare se prezintă o analiză a acestor cerinţe.

Asigurarea unei înalte productivităţi este factorul de bază care determină

caracteristicile acţionării electrice. Unul din factorii importanţi care conduce la creşterea

productivităţii constă în mărirea vitezei de ridicare a încărcăturii nominale. Ceilalţi factori

care conduc la scurtarea ciclului de încărcare şi pe această cale la creşterea productivităţii,

depind de felul încărcăturii şi organizarea lucrărilor în magazii şi la mal şi nu pot fi

influenţaţi de caracteristicile acţionării electrice.

Creşterea vitezei de ridicare conduce la mărirea puterii acţionării electrice a cărei

valoare este direct proporţională cu viteza de ridicare conform relaţiei de calcul:

M

nn vGP

în care: Gn - sarcina nominală, vn - viteza nominală, M - randamentul transmisiei.

(4.1)

În acelaşi timp productivitatea vinciului nu va creşte proporţional cu creşterea vitezei de

ridicare. La viteze mari se măreşte porţiunea de cursă efectuată pe timpul accelerării şi frânării

şi, întrucât înălţimea de ridicare a sarcinii nu este mare, viteza medie va creşte cu puţin. În cele

ce urmează se prezintă modalitatea de alegere a vitezei de funcţionare a mecanismelor navale

de încărcat.

Considerând că viteza v creşte liniar în timpul accelerării, se poate determina distanţa

parcursă în timpul accelerării Sa:

2

tvS a

a

Dacă presupunem că timpul de frânare este de două ori mai mic decât cel de accelerare, distanţa parcursă în timpul regimului tranzitoriu de accelerare şi frânare este:

a

a

afat tv75,02

tt

2

vSSS

Timpul de accelerare depinde de acceleraţia maxim admisă pentru deplasarea sarcinii în siguranţă, ga, care de obicei variază în limitele:

2

a s/m35,02,0g

Considerând mişcarea uniform accelerată se calculează durata accelerării,

a

ag

vt

şi distanţa parcursă pe durata regimului tranzitoriu.

a

2

a

tg

v75,0

g

vv75,0S

Pentru valoarea medie a acceleraţiei ga = 0,25 m/s2, rezultă

2

t v3S

Pe de altă parte, timpul total de ridicare a sarcinii cu viteza v la înălţimea H este:

fa

t ttv

SHT

Utilizând expresiile anterioare se obţine:

v

v3H

v

SH

v

S2

v

SHt5,1

v

SHt5,0t

v

SHT

2t

tt

a

t

aa

t

În figura 4.5 sunt prezentate curbele T = f(v) construite pe baza expresiei (4.9) pentru

înălţimile de ridicare cele mai posibile, de 10 m şi 7 m. Din figură se observă că pentru

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

viteze de 1,2 - 2 m/s (în funcţie de înălţimea de ridicare) timpul de ridicare rămâne practic

constant.

Fig. 14.5. Curbele T = f(v) pentru h = 10 m şi H = 7 m.

Rezultă că la creşterea vitezei peste 1 - 1,2 m/s nu se obţine reducerea timpului de

ridicare în schimb se măreşte foarte mult puterea acţionării electrice, care, aşa cum am

menţionat, este direct proporţională cu viteza. De remarcat că practica confirmă aceste

concluzii.

Ca urmare, pentru înălţimi medii, până la 10 m, viteza nominală de ridicare a sarcinii

nominale adoptată de cele mai multe firme constructoare este de 0,75 ÷ 0,92 m/s (45 ÷ 55

m/min.), iar pentru înălţimi mai mari viteze de 1,25 m/s (85 m/min.). În practică se întâlnesc

uneori şi viteze de 2 m/s (120 m/min.).

Reglarea în limite largi a vitezei. Întrucât puterea motorului electric este determinată

în funcţie de viteza nominală de ridicare, vn, a sarcinii nominale, Gn, pentru utilizarea cât

mai completă a puterii motorului şi pentru scurtarea duratei ciclului de încărcare-descărcare

se recomandă ridicarea cârligului gol sau cu sarcină redusă, cu o viteză mai mare decât

cea corespunzătoare sarcinii nominale. Se pot admite în aceste cazuri şi acceleraţii mai

mari decât la funcţionarea nominală.

Pentru a asigura creşterea automată a vitezei la funcţionarea în gol sau cu sarcină mică şi în acelaşi timp pentru a simplifica schema de comandă este necesar să se utilizeze motoare electrice a căror turaţie să crească automat la reducerea sarcinii.

În practica lucrului cu instalaţiile de încărcat, viteza de ridicare şi coborâre a cârligului gol nu poate fi mărită peste o anumită limită, existând riscul slăbirii parâmei de tracţiune pe toba vinciului şi încurcarea acesteia. În practică, viteza de ridicare şi coborâre a cârligului gol este mai mare de 3 - 4 ori decât viteza nominală de ridicare a sarcinii.

Câteva firme engleze (de exemplu firma Clarke Chapmann) admit mărirea acestei viteze până la de 5 - 6 ori în raport cu viteza nominală.

Reglarea vitezei vinciului este solicitată şi pentru coborârea încărcăturilor. Pentru o serie de mărfuri (laminate, mărfuri în saci) viteza mare de coborâre nu este dăunătoare. Sunt însă şi alte mărfuri (aparate, obiecte din sticlă sau ceramică) care necesită limitarea vitezei de coborâre. De asemenea pentru aşezarea fără şocuri, îndeosebi atunci când marea este

agitată, este necesară micşorarea vitezei de coborâre. În practica exploatării s-a constatat că viteza de depozitare a sarcinii pentru o aşezare normală a acesteia este cuprinsă în limitele 0,1 ÷ 0,25 m/s.

Vitezele relative ale acţionării vinciului pe durata operaţiunilor de încărcare-descărcare în funcţie de valoarea vitezei nominale se înscriu de regulă în limitele:

viteza de ridicare a sarcinii normale vn

viteza de ridicare a jumătăţii de sarcină nominală (1,5 ÷ 1,7) vn

viteza de ridicare a cârligului gol (3 ÷ 3,5) vn

viteza de coborâre a sarcinii nominale, sarcinii parţiale şi cârligul gol

(2 ÷ 2,5) vn

viteza de depozitare a sarcinii (1/5 – 1/3) vn

Reducerea duratei regimului tranzitoriu. Deoarece înălţimile de ridicare şi coborâre a

încărcăturilor sunt relativ mici, durata regimului tranzitoriu de accelerare şi frânare

constituie o mare parte din timpul de lucru al vinciului. Regimul de lucru fiind un regim

intermitent de scurtă durată este însoţit de numeroase porniri şi opriri, până la 500 de

conectări pe oră şi chiar mai multe în unele cazuri.

Influenţa regimului tranzitoriu al acţionării se analizează din două puncte de vedere:

influenţa curenţilor de pornire şi frânare asupra reţelei electrice de la bordul navei;

durata accelerării şi frânării sistemului.

Pentru micşorarea duratei proceselor tranzitorii şi scurtarea pe această cale a ciclului de

lucru al vinciului este necesar:

să se mărească cuplul de pornire al motorului;

să se micşoreze momentul de volant, GD2, al electromotorului.

Puterea surselor de energie electrică la bordul navei având o valoare relativ redusă se

impune ca valoarea curentului de pornire pentru electromotorul de acţionare să nu

depăşească anumite limite. Deasemenea pentru motoarele de curent continuu valoarea

curentului de pornire este limitată şi de comutaţie astfel încât pentru protecţia colectorului

curentul de pornire se limitează la:

np I5,22I

Valoarea cuplului de pornire pentru motoarele asincrone corespunde datelor din

catalogul firmelor constructoare.

Motoarele electrice cu viteză mare au gabarite, greutăţi şi momente de volant mai mici

dar necesită pentru acţionarea vinciului mecanisme cu raport de transmisie mare, ceea ce

conduce la creşterea greutăţii şi a momentelor de inerţie pe partea de transmisie mecanică.

Deasemenea, creşterea raportului de transmisie are ca urmare reducerea randamentului

transmisiei.

Motoarele electrice cu viteză mică necesită rapoarte de transmisii mai mici în schimb au

gabarite, greutăţi şi momente de volant mai mari.

(4.10)

Din considerentele expuse mai sus se recomandă ca soluţii optime folosirea

motoarelor de curent alternativ cu turaţia 1500 rot./min. iar în cazul curentului

continuu cu turaţia până la 1700 rot./min.

4.3. Aprecierea calităţii acţionărilor electrice în curent continuu

Din cele prezentate în capitolul anterior rezultă că pentru acţionarea vinciurilor de

încărcare este necesar ca electromotorul să lucreze cu turaţia nominală la ridicarea

greutăţilor apropiate de sarcina nominală a vinciului, iar în cazul greutăţilor reduse sau al

deplasării cârligului gol, turaţia electromotorului să sporească automat pentru a reduce cât

mai mult durata ciclului de încărcare.

Din acest punct de vedere, motorul serie de curent continuu corespunde cel mai bine. Caracteristica mecanică naturală de tip moale a acestui motor îi permite mărirea automată a vitezei de rotaţie pentru sarcini mici, vmax = (2 ÷ 3,5) vn. Motorul serie de curent continuu este capabil să suporte suprasarcini mari şi să limiteze în acelaşi timp creşterea curentului

de sarcină. Având, aproximativ, cuplul proporţional cu pătratul curentului M kI2, pentru valori relativ reduse ale curentului de pornire, Ip = (2 - 2,5) In, dezvoltă cupluri de pornire de valori mari care conduc la obţinerea unor acceleraţii mari şi scurtarea duratei de stabilire a vitezei nominale.

Cu toate aceste avantaje, acţionările în c.c.nu se mai folosesc din cauza faptului că nu se mai construiesc nave dotate cu centrale electrice în curent continuu.

4.4. Sisteme moderne şi direcţii de dezvoltare a acţionărilor electrice pentru instalaţiile navale de ridicat

4.4.1. Prezentarea generală

Construcţia navelor moderne electrificate în curent alternativ a impulsionat dezvoltarea instalaţiilor navale de ridicat. Aceste instalaţii sunt alimentate în curent alternativ şi asigură productivitate înaltă prin rapiditatea operaţiilor de încărcare-descărcare şi micşorarea pe această cale a duratei de staţionare a navei în porturi.

Există două tendinţe de dezvoltare a acţionărilor electrice pentru instalaţiile de încărcare. Una din ele priveşte folosirea nemijlocită a motoarelor de curent alternativ care asigură simplitate, siguranţă şi condiţii uşoare de exploatare dar necesită în schimb luarea unor măsuri speciale pentru obţinerea caracteristicilor optime de funcţionare.

A doua direcţie constă în păstrarea în calitate de motor de execuţie a motorului de curent continuu cu posibilităţile lui înalte de reglare şi caracteristici perfect adaptate pentru condiţiile de lucru ale instalaţiilor de încărcare. În acest scop se creează un sistem separat de alimentare de la reţeaua navei.

Fiecare din aceste direcţii oferă la rândul lor multe posibilităţi practice de rezolvare care sunt aplicate în diferite ţări de către firmele constructoare.

În continuare se prezintă principalele tipuri de acţionări întâlnite mai frecvent la bordul navelor.

4.4.2. Sisteme cu motor de execuţie de curent alternativ

Acţionarea electrică cu motor asincron în scurtcircuit

Pentru acţionarea instalaţiilor de încărcare se folosesc motoare asincrone în scurtcircuit cu mai multe viteze, având înfăşurări cu comutarea numărului de poli sau înfăşurări independente cu numere de poli diferite. Se preferă motoarele asincrone în scurtcircuit cu alunecare mărită.

Motoarele asincrone în scurtcircuit cu pornire prin conectare directă la reţea, au curentul de pornire mare, Ip = (3,5 - 5) In şi având în vedere puterea mare a acestor motoare, în cazul acţionării instalaţiilor de încărcare, se impun măsuri speciale pentru generatoarele sincrone din centrala electrică a navei care să ofere posibilitatea funcţionării stabile la şocuri mari de curenţi în reţea şi restabilirea rapidă a tensiunii nominale.

Primele succese în folosirea motoarelor asincrone în scurtcircuit pentru acţionarea instalaţiilor navale de încărcare au fost obţinute de firma Siemens care a realizat seria de vinciuri de 3 - 5 tone echipate cu motor asincron în scurtcircuit având trei trepte de viteze, corespunzătoare pentru numerele de poli 2 p = 4/8/32.

În prezent motoarele asincrone cu mai multe viteze cunosc o largă răspândire pentru acţionarea electrică a vinciurilor şi macaralelor. Se preferă în cele mai multe cazuri motorul cu trei trepte de viteză pentru acţionarea mecanismului de ridicare a greutăţilor. Pentru acţionarea mecanismelor de ridicare a braţului şi de rotire se folosesc motoare asincrone în scurtcircuit cu două trepte de viteză.

Motoarele asincrone cu trei viteze realizate de unele firme sunt construite cu două

înfăşurări în stator, una cu număr de poli comutabil, şi rotor în colivie. Există de asemenea

şi variante cu trei înfăşurări independente montate pe acelaşi stator.

În cazurile frecvente, motoarele asincrone asigură funcţionarea pentru sarcina nominală

pe cele trei trepte, la cuplu constant. În funcţie de turaţie, puterea are variaţii mari pentru

acest regim de funcţionare, cu consecinţe asupra reţelei electrice de bord.

Unele firme din ţări ca Japonia, Germania practică folosirea motoarelor cu putere

constantă pe treptele de reglare a turaţiei. În acest caz ridicarea sarcinii nominale se face

numai cu viteza medie. Viteză superioară se foloseşte pentru sarcini mai mici decât 1/2 din

sarcina nominală. Pentru astfel de acţionări se reduc şocurile de curenţi în reţea şi se

asigură o funcţionare în condiţii optime a centralei electrice de la bord.

Sistemul de acţionare electrică a vinciurilor de încărcat şi macaralelor cu motor asincron în

scurtcircuit este larg răspândit şi folosit în prezent de toate firmele constructoare, îndeosebi

pentru sarcini mici şi medii, până la 5 tone.

Acţionări electrice cu tiristoare. Sistemul foloseşte motorul asincron cu o singură viteză

cu comandă în frecvenţă sau parametrică, adică cu schimbarea frecvenţei şi tensiunii

aplicate. Reglarea tensiunii se realizează prin modificarea unghiului, , de deschidere a

tiristorilor. În cazul acestor scheme deformarea formei sinusoidale a tensiunii duce la apariţia

de armonici superioare şi în cazul utilizării unor puteri mari pentru reglarea concomitentă a

acţionării câtorva instalaţii de ridicat se înrăutăţeşte funcţionarea acţionărilor electrice şi se

complică funcţionarea întregului sistem energetic al navei. În prezent se acordă atenţie mare

cercetărilor în domeniul acţionărilor cu tranzistoare combinate IGBT (insulated gate- bipolar

transistor).

Acţionarea electrohidraulică cunoaşte, de asemenea, o largă dezvoltare şi

răspândire. Pentru acest tip de acţionare se foloseşte motorul asincron în scurtcircuit cu o

singură viteză. Comanda reglării se face pe partea de transmisie hidraulică. Acest sistem

se compune din electropompă şi motorul hidraulic cu dispozitivele de reglare necesare.

Caracteristicile mecanice sunt rigide, dar datorită reglării cu uşurinţă pot fi obţinute în

număr foarte mare pentru diferite nivele de viteză.

Pentru obţinerea automată a unei caracteristici moi a acţionării se foloseşte de către

unele firme legătura inversă ceea ce permite trecerea automată de pe o caracteristică pe

alta în funcţie de sarcină. De exemplu, vinciul hidraulic realizat de firma Kampnagel

(Germania) asigură 5 trepte de viteză la modificarea sarcinii de ridicare de la valoarea

nominală până la 20% din sarcina nominală.

Sunt realizate şi se află în exploatare la nave, instalaţii de acţionări electrohidraulice pentru

uzul general de 3,2 - 8 tone care asigură viteze de ridicare de 55 - 28 m/min precum şi instalaţii

de puteri mari, 12 tone sau 25 tone, cu posibilităţi de comandă de la distanţă din oricare punct

de pe puntea navei.

Acţionări electrice cu motoare asincrone cu rotor bobinat. Sunt de asemenea

suficient de răspândite. Ele asigură posibilităţi sporite de reglare a turaţiei şi permit

obţinerea unor caracteristici mecanice diversificate. Reglarea turaţiei, ca şi în cazul

motorului serie de curent continuu, prin introducerea unor rezistenţe în circuitul rotorului

conduce la pierderi mari de energie şi scăderea randamentului instalaţiei. La aceste

motoare este oportună soluţia oferită de firma Siemens şi prezentată în capitolul 4.7.

Combinarea a două înfăşurări cu numere de poli diferite permite obţinerea vitezelor mari de

ridicare a cârligului gol, atunci când este cuplată înfăşurarea suplimentară cu număr mic de

poli şi rotorul este conectat în scurtcircuit.

4.4.3. Sisteme cu motor de execuţie de curent continuu

Acţionări electrice cu alimentare centralizată de la surse separate, constituite din

redresoare cu semiconductori. Comanda şi reglarea vitezei motoarelor de curent continuu

se face după procedee cunoscute. Se asigură funcţionarea vinciurilor de încărcat şi

macaralelor prin utilizarea avantajelor acţionării cu motor serie de curent continuu .

Asemenea sisteme se aplică îndeosebi la nave cu propulsie electrică, unde pe timpul staţionării şi executării lucrărilor de încărcare, se poate folosi alimentarea instalaţiilor de ridicat de la agregatul de alimentare a propulsiei electrice.

Acţionări cu semiconductoare de putere. Dezvoltarea dispozitivelor semiconductoare şi îndeosebi a tiristoarelor oferă posibilitatea obţinerii redresoarelor cu tensiune reglabilă pentru alimentarea motoarelor de curent continuu. Reglarea turaţiei prin modificarea tensiunii de alimentare oferă o gamă largă de reglaj şi permite obţinerea unor caracteristici mecanice artificiale perfect adaptate pentru acţionarea vinciurilor de încărcat sau macaralelor. Pentru asigurarea regimurilor de frânare aceste redresoare trebuie să lucreze şi în regim de invertor debitând energie în reţea.

Firma Brissonneaev et Lotz (Franţa) a realizat şi instalat la nave un număr mare de asemenea vinciuri.

Un dezavantaj, care limitează răspândirea acestui sistem, îl constituie faptul că deformează forma sinusoidală a tensiunii în reţeaua navei. Atunci când lucrează în acelaşi timp câteva asemenea vinciuri, efectele de deformare a tensiunii conduc la perturbarea funcţionării celorlalţi consumatori şi a propriului sistem de comandă cu tiristoare.

Acţionarea electrică cu sistem generator-motor este un sistem care asigură o înaltă productivitate şi realizează în condiţii foarte bune tehnologia lucrărilor de încărcare a navei. În cadrul acestui sistem generatorul şi motorul de execuţie sunt de curent continuu.

Prezintă interes tendinţa generală de a creşte economicitatea sistemului generator-motor pe seama posibilităţii de micşorare a numărului şi puterii maşinilor electrice instalate. Aceasta se realizează înainte de toate prin unirea a două grupuri generator-motor şi folosirea unui singur motor de antrenare. La această soluţie s-a ajuns pornind de la faptul că vinciurile în cele mai frecvente cazuri lucrează cuplate, sarcina fiind transmisă de la unul

la celălalt, ceea ce dă posibilitatea reducerii puterii motorului de antrenare în raport cu suma puterilor nominale a celor două generatoare.

De asemenea, în acelaşi scop, sunt folosite în unele instalaţii, generatoare cu două circuite care realizează concomitent alimentarea şi comanda a două acţionări de vinciuri. Folosirea a două generatoare cu câte două circuite şi a unui singur motor de antrenare face posibilă deservirea a patru vinciuri. Prin această soluţie, puterea motorului de antrenare este cu mult mai mică decât puterea însumată a celor patru vinciuri.

4.5. Diagramele de sarcină ale acţionării

Regimurile de lucru ale motorului electric de acţionare sunt determinate de condiţiile de lucru ale vinciului de încărcare, care la rândul lor sunt dependente de caracterul prelucrării sarcinii şi procedeele folosite pentru încărcare.

Funcţionarea cu un singur vinci. Pentru primirea încărcăturii de la mal sau de la o altă navă acostată în bord, aceasta, după ce a fost legată la cârligul vinciului, este ridicată, transferată deasupra chepengului, coborâtă în cală, după care se desfac legăturile de prindere şi cârligul gol execută cursa inversă. Graficul momentelor la axul electromotorului, pe durata unui ciclu de manevrare a încărcăturii este prezentat în figura 4.10.

M1, M2, M3, M4 reprezintă momentele statice aplicate la axul electromotorului, corespunzătoare pentru ridicarea încărcăturii, coborârea încărcăturii, ridicarea cârligului gol şi coborârea cârligului gol. T - reprezintă durata totală a ciclului; t1, t2, t3, t4 - timpii de lucru cu momentele respective M1, M2, M3, M4; t01 - timpul de rotire al vinciului pentru deplasarea sarcinii pe orizontală de la locul de ridicare până deasupra chepengului; t02 - timpul necesar pentru eliberarea de legături a încărcăturii; t03 - timpul de rotire al vinciului pentru deplasarea pe orizontală a cârligului gol din dreptul chepengului, în afara bordului, până la locul în care se află încărcătura; t 04 - timpul necesar pentru legarea încărcăturii.

Pentru reducerea timpului de încărcare a navei se poate lucra consecutiv cu două vinciuri la acelaşi chepeng. În figura 4.11 se prezintă graficul lucrului consecutiv a două vinciuri.

În acest regim de lucru, pentru fiecare din cele două vinciuri, momentele statice şi timpii de lucru şi de pauză sunt aceleaşi ca în cazul precedent.

Fig. 4.10. Graficul de lucru cu un singur vinci

Fig. 4.11. Graficul lucrului consecutiv a două vinciuri.

Funcţionarea cu două vinciuri cuplate la un singur cârlig.

Graficul de lucru pentru funcţionarea împreună a celor două vinciuri este prezentat în figura 4.12. Notaţiile folosite în figura reprezintă: t1 - timpul de ridicare a încărcăturii de către primul vinci (al doilea lucrează în gol şi îşi recuperează din parâma de tracţiune); t2 - timpul de transferare a sarcinii din bord până deasupra locului chepengului efectuată de al doilea vinci care trage (primul vinci filează parâma, încărcătura trece treptat de la primul vinci la al doilea vinci); t3 - timpul coborârii încărcăturii în cală de către al doilea vinci (primul vinci lucrează în gol); t03 - timpul eliberării legăturilor încărcăturii; t4 – timpul ridicării cârligului gol de către vinciul doi (primul vinci recuperează fără efort propria parâmă); t5 - timpul transferării cârligului gol de la navă la mal de către vinciul 1 (vinciul 2 filează parâma); t6 - timpul de coborâre al cârligului gol către primul vinci (al doilea vinci filează parâma proprie); t06 - timpul de legare a încărcăturii.

Fig. 4.12 Graficul funcţionării împreună a două vinciuri.

Analiza graficelor de lucru a vinciurilor de încărcare arată că regimurilor de lucru le

corespund un număr mare de porniri şi opriri şi de asemenea că în cea mai mare parte din

durata unui ciclu electromotorul lucrează în regim de mers în gol.

Calculul vinciului de încărcare se face pentru regimul cel mai greu, în care lucrează

un singur vinci. Atunci când lucrează două vinciuri cuplate la acelaşi cârlig, regimul de lucru

al unui vinci este mai uşor întrucât sarcina pe durata unui ciclu se mută de la un vinci la

celălalt.

Pentru funcţionarea cu un singur vinci durata relativă de funcţionare este:

%100T

t%DA

în care: t = t1 + t2 + t3 + t4, reprezintă timpul de lucru în cadrul ciclului cu durata totală T.

Regimurile de funcţionare ale vinciurilor de încărcare şi macaralelor sunt asigurate de

electromotoare cu regim intermitent de funcţionare DA=25% pentru regim uşor de lucru sau

DA=40% pentru regim greu de lucru.

Pentru unele vinciuri, la care ciclurile nu se repetă, de exemplu vinciurile pentru ridicarea

şalupelor, bărcilor de salvare sau scara de bord, electromotorul de acţionare se alege din

categoria celor cu funcţionare de scurtă durată.

În perioada de funcţionare a vinciului, de exemplu la ridicarea încărcăturii, timpul t1 se

compune din:

t1 = t1a + t1s + t1f

în care: t1a - este timpul de accelerare; t1s - timpul de funcţionare în regim stabil cu viteză

constantă; t1f - timpul de frânare.

În acelaşi mod se calculează şi celelalte durate de funcţionare: t2, t3 şi t4.

(4.13)

(4.14)

În figura 4.13 se prezintă graficul de variaţie a vitezei în funcţie de timp la ridicarea

încărcăturii.

Fig. 4.13 - Graficul v = f(t) la ridicarea încărcăturii.

Pentru construcţia graficului 4.13 s-a aproximat că în perioadele tranzitorii de accelerare

şi de frânare variaţia vitezei este liniară. Suprafaţa trapezului din figură reprezintă înălţimea

de ridicare H1. Din grafic rezultă:

f1s1a11 t2

vtvt

2

vH

Înălţimea parcursă pe duratele accelerării şi frânării este:

f1a1

'

1 tt2

vH

Din relaţiile (4.15) şi (4.16) rezultă timpul de funcţionare în regim stabil:

v

HHt

'

11s1

Durata regimurilor tranzitorii de accelerare t1a şi de frânare t1f se deduc din ecuaţia de

mişcare. Din relaţia dt

dn

375

GD

dt

dJMMM

2

ds

(4.11)

în care: M - cuplul dezvoltat de motor

Ms - cuplul de sarcină

Md - cuplul dinamic

GD2 - momentul de volant al acţionării

J - momentul de inerţie al acţionării

rezultă că acceleraţia sistemului de acţionare este direct proporţională cu valoarea cuplului

dinamic:

2

d

GD

M375

dt

dn

şi

(4.15)

(4.16)

(4.17)

(4.12)

(4.18)

sMM

dJdt

Considerând constante cuplurile M şi Ms în perioada regimului de accelerare şi

integrând ecuaţia în limitele de la starea iniţială t = 0, ni = 0 ( i =0) la starea finală

considerată la terminarea perioadei de accelerare, t = t1a, nf = n ( f = ), rezultă pentru

timpul de accelerare expresia:

ss

a1MM

JMM

0Jt

Procedând în acelaşi mod se determină şi timpul de frânare, pentru frânare

schimbându-se datele iniţiale.

Timpii deplasării pe orizontală a încărcăturii, t01, şi a cârligului gol, t03, se pot determina

luând în considerare viteza unghiulară de rotire sau viteza lineară de deplasare pe

orizontală.

În primul caz rotirea se execută de obicei cu viteza unghiulară = 6 - 18 [rad/s.],pentru

unghiuri maxime = 120 - 180 . Mărimea unghiului de rotire depinde de locul de

dispunere al vinciului sau macaralei pe punte faţă de chepenguri.

În al doilea caz, pe baza datelor de exploatare se adoptă pentru viteza lineară de deplasare

pe orizontală valorile: 0,6 [m/s] pentru deplasarea cu încărcătură şi 1 [m/s] pentru deplasarea

cârligului gol. Distanţa de deplasare pe orizontală se consideră, în funcţie de dimensiunile

navei, l = 0,75B [m], în care B [m] reprezintă lăţimea navei. Cu aceste valori şi luând în

considerare şi duratele de accelerare şi frânare, pentru timpii de deplasare pe orizontală,

rezultă:

* deplasarea cu încărcătură, t01 = (1,25B + 5) [s];

* deplasarea cârligului gol, t03 = (0,75B + 2) [s].

Timpul de dezlegare a sarcinii, t02 şi timpul de legare a sarcinii, t04, nu pot fi determinaţi

din datele acţionării vinciurilor sau macaralelor. Aceşti timpi depind de organizarea lucrului,

mijloacele de mică mecanizare şi numărul persoanelor care participă la aceste operaţiuni,

precum şi de felul mărfurilor. Timpii acestor operaţiuni se determină practic prin

cronometrare pentru mai multe situaţii concrete.

Pentru mărfurile generale, suma timpilor de legare şi dezlegare a încărcăturii,

determinată experimental, reprezintă: t02 + t04 = 80 - 110 s.

4.6. Scheme electrice de comandă a acţionării instalaţiilor de încărcat

4.6.1. Scheme electrice de comandă cu controler a acţionării vinciurilor de

încărcat

Schemele de comandă cu controler se folosesc pentru sarcini şi puteri mici ale

electromotorului de acţionare corespunzătoare unor vinciuri de încărcare cu productivitate

mică. Pentru deservirea lor este necesar personal calificat. La manevrarea controlerului de

comandă operatorul depune eforturi fizice relativ mari care îl obosesc. Un alt dezavantaj al

lor îl constituie uzura într-un timp relativ scurt a pieselor de contact ale controlerului, care

sunt supuse pe timpul exploatării unor solicitări mecanice şi electrice mari.

(4.19)

În figura 4.14 se prezintă schema de comandă a vinciului de încărcat acţionat cu motor

de curent continuu pentru sarcina nominală 1,5 t.

Elementele componente ale schemei sunt:

m - electromotor de curent continuu cu excitaţie mixtă;

ED, ES - înfăşurările de excitaţie derivaţie şi serie;

C - contactor de linie;

d1 - releu maximal de curent;

d2 - releu de tensiune nulă; FE - bobina frânei electromagnetice;

R1 R5 - rezistenţe de reglaj în circuitul indusului;

R6 R10 - rezistenţe de reglaj în circuitul excitaţiei derivaţie;

b(1-1’) b(16-16’) - contactele controlerului de comandă; f - siguranţe fuzibile; a - întrerupător.

Funcţionarea schemei poate fi înţeleasă cu uşurinţă urmărind tabelul cu închiderea contactelor controlerului de comandă.

Pe poziţia 1 “Ridicare” indusul motorului este conectat la reţea având în serie rezistenţele R1, R2, R3 şi în paralel rezistenţele R4 şi R5, iar în circuitul excitaţiei derivaţie sunt introduse rezistenţele R6 şi R7. Viteza motorului corespunzătoare acestei poziţii va fi minimă, punctul de funcţionare situându-se pe caracteristica mecanică artificială 1 (figura 4.15).

Pe poziţia 2 “Ridicare” se deschide contactul b(9-9’) şi se întrerupe circuitul de şuntare a indusului, punctul de funcţionare se mută pe caracteristica mecanică artificială 2 şi se obţine sporirea vitezei motorului electric.

În poziţiile următoare, 3, 4, 5, sunt scurtcircuitate pe rând rezistenţele R3, R2, R1, punctul de funcţionare mutându-se succesiv pe caracteristicile mecanice 3,4,5, poziţia 5 corespunzând caracteristicii mecanice naturale a motorului electric. Se obţine în acest mod creşterea treptată a vitezei motorului până la valoarea vitezei nominale. Pe ultima poziţie a controlerului, poziţia 6 “Ridicare”, se deschide contactul b(3-3’) şi în circuitul excitaţiei derivaţie este introdusă rezistenţa R10. Fluxul dat de această înfăşurare se reduce, punctul de funcţionare se mută pe caracteristica artificială 6 care permite realizarea unor viteze mari de ridicare a greutăţilor mici sau cârligului gol.

Fig. 4.14. Schema electrică de comandă cu controler a vinciului de încărcat acţionat cu

motor de curent continuu.

Pe poziţia 1 “Coborâre”, prin contactele închise b(12-12’) şi b(13-13’) indusul este conectat în derivaţie cu excitaţia serie. În circuitul excitaţiei derivaţie rezistenţa introdusă are valoarea minimă. În această situaţie maşina electrică antrenată de greutatea sarcinii care coboară, lucrează în regim de generator şi dezvoltă cuplul maxim de frânare. Corespunzător acestui cuplu de frânare viteza de coborâre este minimă, punctul de funcţionare situându-se pe caracteristica mecanică artificială 1, la coborâre.

Pe poziţia 2 “Coborâre” se deschide contactul b(13-13’) şi în circuitul indusului se

introduce rezistenţa R5. Ca urmare se reduce curentul şi cuplul de frânare dezvoltat de

maşina care funcţionează ca generator, punctul de funcţionare se mută pe caracteristica

mecanică artificială 2 şi viteza de coborâre creşte.

În poziţia 3 “Coborâre” se deschide şi contactul b(11-11’) şi în circuitul indusului se

introduce şi rezistenţa R4 având ca rezultat reducerea în continuare a cuplului de frânare şi

creşterea vitezei de coborâre. Punctul de funcţionare se va situa pe caracteristica artificială

3.

Începând cu poziţia 4 electromotorul este conectat la reţea cu sensul curentului prin

indus inversat faţă de situaţia în care lucra pe poziţiile de ridicare, obţinându-se astfel

inversarea sensului de rotaţie. Pe poziţia 4 a manetei controlerului de comandă se

deschide contactul b(9-9’) şi se închide contactul b(8-8’).

Se întrerupe circuitul de frânare dinamică (rezistenţele R4 şi R5) şi prin contactele

închise b(8-8’), b(12-12’), C(2-4), b(16-16’), indusul motorului este conectat la reţea în serie

cu rezistenţele R1 şi R2, iar excitaţia serie este conectată în paralel cu indusul şi alimentată

de la reţea ca o înfăşurare de excitaţie independentă.

În această situaţie maşina electrică va funcţiona ca motor pentru coborârea sarcinilor

mici sau a cârligului gol, învingând frecările din mecanismul de transmisie, şi ca generator

cu recuperare dezvoltând un cuplu de frânare la coborârea greutăţilor mari.

Pe poziţiile următoare 5, 6, 7, pentru sporirea vitezei de coborâre se scot treptat

rezistenţele R1, R2 din circuitul indusului şi se introduc treptele de rezistenţe R7, R8, R9 în

circuitul excitaţiei derivaţie. Punctul de funcţionare se va muta de pe caracteristica

mecanică artificială 4, pe caracteristicile 5, 6, 7 şi viteza de coborâre creşte corespunzător.

Schema de comandă este prevăzută cu protecţie la tensiune minimă sau nulă realizată de

releul d2 şi cu protecţie maximală de curent prin releul d1 care acţionează atunci când curentul

prin indusul motorului depăşeşte 2,5 In.

În figura 4.15 sunt reprezentate caracteristicile artificiale obţinute pentru motorul de curent continuu din schema de comandă cu controler a vinciului de încărcare.

Fig. 4.15. Caracteristicile mecanice ale acţionării vinciului de încărcare

cu motor de curent continuu comandat prin controler.

Schemă electrică de comandă cu controler a vinciului de încărcare acţionat

cu motor asincron în scurtcircuit cu două trepte de viteză.

Funcţionarea schemei electrice de comandă se înţelege urmărindu-se tabelul cu închiderea

contactelor controlerului de comandă şi nu necesită explicaţii suplimentare.

Fig. 14.16. Schema electrică de comandă cu controler a vinciului de încărcat acţionat cu

motor asincron cu două viteze

Pentru protecţia la suprasarcină în schemă se prevăd releele termice et, iar pentru

limitarea deplasării sunt folosite contactele limitatoarelor de cursă LC1 şi LC2. Protecţia la

tensiune minimă sau nulă este realizată de bobina contactorului C.

4.6.2. Scheme electrice de comandă cu relee şi contactoare pentru acţionarea

vinciurilor şi macaralelor de încărcat

Schemele electrice de comandă cu relee şi contactoare cunosc o largă răspândire şi

sunt folosite frecvent la navele de mărfuri de diferite tonaje.

Folosirea schemelor electrice cu relee şi contactoare permite realizarea controlului

automat al acceleraţiei la pornire şi frânare, folosirea integrală a puterii motorului la pornire

şi frânare, preîntâmpinarea suprasarcinilor prin comutare automată pe treptele inferioare de

viteză.

Aceste scheme oferă posibilitatea conducerii de la distanţă şi a dispunerii cât mai

potrivită a controlerului de comandă pentru urmărirea şi conducerea operaţiunilor de

încărcare.

Schemele cu relee şi contactoare prezintă siguranţă mare în exploatare şi pentru

deservirea lor nu este necesar personal cu calificare deosebită. Nu necesită revizii şi

reparaţii dese şi sunt rare cazurile de avarie.

Acţionarea electrică cu motor asincron cu două viteze

În figura 4.19. se prezintă schema electrică de comandă cu relee şi contactoare a vinciului de încărcat acţionat cu motor asincron în scurtcircuit cu două viteze.

Schema electrică se compune din următoarele elemente: m - motor asincron cu rotor în scurtcircuit. Pe stator sunt dispuse două înfăşurări cu

numere de poli diferite corespunzătoare pentru viteza mică şi viteza mare; C1, C2 - contactoare de direcţie, respectiv pentru ridicare sau coborâre; C3 - contactor de linie; d1, d2 - relee de control a accelerării. Menţin armătura atrasă 2,5 secunde după

întreruperea tensiunii de alimentare a bobinei releului; d3 - releu de frânare. Îşi eliberează armătura cu întârziere de 2,5 secunde de la

întreruperea alimentării; et1 - et3 - relee termice pentru protecţie la suprasarcină. Pentru o depăşire a sarcinii

100% In acţionează după 100 secunde, iar pentru o depăşire de 500% In acţionează după 15 secunde;

LC1, LC2 - limitatori de cursă; b(3-3’)-b(12-12’) - contactele controlerului decomandă.

Cu controlerul pe poziţia zero, la aplicarea tensiunii de la reţea sunt alimentate releele d1 şi d2 care îşi acţionează fără temporizare contactele. Prin închiderea contactelor d1 (2-4), d2 (2-4) este şuntat contactul b(3-3’) şi pe celelalte poziţii ale controlerului alimentarea schemei de comandă se menţine prin aceste contacte.

Schema are o funcţionare simetrică pe cele două poziţii, aşa încât este suficientă

prezentarea funcţionării, de exemplu pe poziţiile de ridicare.

Pe poziţia 1 “Ridicare” se deschide contactul b(3-3’) şi sunt închise contactele b(5-5’), b(7-7’), b(12-12’). Este alimentat comutatorul C1 şi prin contactul C1 (2-4) este alimentat şi contactorul C3. Prin deschiderea contactului C1 (7-9) se întrerupe alimentarea releului de timp d1. Electromotorul porneşte cu viteza mică rotindu-se în sensul de ridicare a greutăţii. După scurgerea timpului de întârziere al releului d1, se închide contactul d1 (3-5) permiţând trecerea pe treapta următoare de viteză.

Pe poziţia 2 “Ridicare” se închide contactul controlerului b(9-9’) şi este alimentat contactorul C4. Prin acţiunea contactelor C4 se deconectează înfăşurarea de viteză mică şi se conectează înfăşurarea de viteză mare.

Funcţionarea pe poziţiile de coborâre este identică cu deosebirea că în locul

contactorului C1 şi releului d1, acţionează contactorul C2 pentru inversarea sensului de

rotaţie şi releul d2.

Releele de accelerare d1, d2, asigură o pornire uşoară şi o acceleraţie moderată prin

menţinerea automată, o anumită durată, pe treapta de viteză mică.

Releul de frânare d3 este alimentat în poziţia 2 a controlerului, atunci când motorul funcţionează cu viteză mare şi deschide contactul d3 (3-5). La revenirea controlerului pe poziţia zero se întrerupe alimentarea releului d3, însă contactul acestuia se închide cu întârziere. Pe durata întârzierii la închidere a contactului d3 (3-5) este interzisă o nouă pornire. Această întârziere este necesară pentru ca motorul sub acţiunea frânei electromagnetice să se oprească. În absenţa releului d3 ar fi posibilă contraconectarea motorului însoţită de şocuri mari de curenţi în reţea şi şocuri mecanice asupra încărcăturii.

Protecţia la suprasarcină este asigurată de releele termice et1 - et3 iar protecţia la tensiune minimă este realizată de bobina contactorului C3.

Schema prezentată în figura 4.19. se foloseşte pentru vinciuri de încărcare cu sarcina

nominală mică, iar la macarale de puteri medii este utilizată pentru acţionarea

mecanismelor de rotire şi de înclinarea braţului.

Fig. 4.19. Schema electrică de comandă cu relee şi contactoare a vinciului de

încărcat acţionat cu motor asincron în scurtcircuit cu două trepte de viteză.

4.6.2. Scheme electrice de comandă cu relee şi contactoare pentru acţionarea

vinciurilor şi macaralelor de încărcat

Acţionarea electrică cu motor asincron cu trei viteze

O astfel de schemă de acţionare este prezentată în figura 4.21.

Schema se foloseşte pentru acţionarea electrică a vinciurilor de încărcare de 3-5 t.

Electromotorul asincron în scurtcircuit cu trei viteze are următoarele caracteristici tehnice:

numărul de poli 2p = 4/8/32, puterea nominală corespunzătoare celor trei înfăşurări

independente 45/22/4,5 kW, durata relativă de funcţionare, DA = 20/10/10%, turaţia

nominală nn = 160/700/1430 rot/min. Ventilaţia electromotorului este independentă şi

asigurată de un electroventilator care menţine constant fluxul aerului de răcire indiferent de

turaţia electromotorului cât şi pe durata pauzelor din cadrul ciclului de încărcare.

Caracteristicile mecanice ale acţionării sunt prezentate în figura 4.20.

Celor trei trepte de turaţii ale electromotorului le corespund următoarele viteze pentru

ridicarea încărcăturii nominale a vinciului: viteza mare 1,3 m/s, medie 0,65 m/s şi viteza

mică 0,15 m/s.

Elementele componente ale schemei sunt:

m1 - motor asincron cu trei viteze;

m2 - electromotor pentru ventilaţie independentă;

C1, C2 - contactoare de direcţie;

C3, C4, C5 - contactoare pentru cuplarea înfăşurărilor pe cele trei trepte de turaţie;

C6 - contactor pentru cuplarea electroventilatorului;

C7 - contactor de frânare;

d1 - releu de tensiune minimă;

d2, d3 - relee de accelerare;

d4, d5 - relee de frânare;

et1 et4 - relee termice pentru protecţie la suprasarcini

m3, m4 - transformatoare;

n1, n2 - punţi redresoare;

b(1-1’) b(12-12’) - contactele controlerului de comandă.

Schema este simetrică, de aceea funcţionarea se descrie numai pentru regimul de

ridicare a încărcăturii.

În poziţia zero a minicontrolerului, la aplicarea tensiunii de la reţea este alimentat

contactorul C6 care porneşte electroventilatorul şi prin contactele normal închise ale

controlerului este alimentat releul de tensiune minimă d1. Se închide contactul d1 (6-8), se

aplică tensiunea schemei de comandă şi sunt alimentate releele de accelerare d2, d3.

Electromotorul vinciului se află în repaus, pregătit pentru funcţionare.

Pe poziţia 1 “Ridicare” situaţia contactelor controlerului de comandă este conform

tabelului. Prin contactele C7 (3-5), b(4-4’) este alimentat contactorul C1. Se închide

contactul C1 (2-4) care pregăteşte circuitul de alimentare al contactorului C1 prin contactul

b(2-2’). Prin contactele C1 (6-8), b(5-5’) este alimentat contactorul C3 şi prin contactele

b(8-8’), C3 (2-4) este alimentat contactorul C7. Deschiderea contactului C7 (3-5) întrerupe

circuitul de alimentare a contactorului C1 prin b(4-4’), acesta continuând să fie alimentat

prin circuitul C7 (6-8), b(2-2’), C1 (2-4).

Fig. 4.21. Schema electrică de comandă cu relee şi contactoare a vinciului de

încărcat acţionat cu motor asincron în scurtcircuit cu trei viteze.

Contactorul C7 închide circuitul de alimentare al bobinei frânei electromagnetice şi axul

electromotorului este eliberat de frâna mecanică.

Prin acţionarea contactelor principale ale contactoarelor C1 şi C3 electromotorul este

alimentat de la reţea şi funcţionează cu turaţia mică în sensul de ridicare a încărcăturii.

Pe această poziţie se întrerupe alimentarea releului d2 prin deschiderea contactului C3

(3-5) şi contactul acestuia d2 (3-5) se va închide cu temporizare pregătind treapta

următoare de funcţionare.

Pe poziţia 2 “Ridicare” se deschid contactele b(5-5’), b(10-10’) şi se închide contactul b(6-6’). Prin contactul b(6-6’) după expirarea timpului de întârziere la închidere a contactului d2 (3-5) este alimentat contactorul C4 care întrerupe funcţionarea contactorului C3 prin deschiderea contactului C4 (3-5) şi prin închiderea contactelor principale conectează înfăşurarea de turaţie medie. Electromotorul se accelerează până la valoarea turaţiei medie.

În acelaşi timp cu alimentarea contactorului C4 este alimentat şi releul de frânare d4 prin dioda n3. Închiderea contactului d4 (2-4) blochează deschiderea contactului C3 (2-4) şi menţine alimentarea contactorului C7. Deasemenea prin închiderea contactului d4 (6-8) se blochează contactul C7 (6-8).

La întreruperea alimentării releului d2, cu temporizare se deschide contactul d2 (2-4) şi în circuitul bobinei frânei electromagnetice se introduce o rezistenţă pentru consum economic şi limitarea încălzirii bobinei.

Prin deschiderea contactului C4 (7-9) se întrerupe alimentarea releului d3, care cu temporizare închide contactul d3 (3-5) pregătind pentru funcţionare treapta următoare.

Pe poziţia 3 “Ridicare” se închide contactul b(7-7’) şi după trecerea timpului de reţinere al contactului d3 (3-5) se stabileşte alimentarea contactorului C5. Contactorul C5 întrerupe alimentarea contactorului C4 prin deschiderea contactului C5 (7-9) şi prin contactele principale conectează înfăşurarea de turaţie mare. Electromotorul de acţionare se accelerează până la obţinerea valorii mari a turaţiei.

Împreună cu contactorul C5 se alimentează şi al doilea releu de frânare d5 şi se menţine alimentarea releului d4 prin dioda n4. Se închide contactul d5 (2-4) care şuntează contactele b(6-6’) şi d2 (3-5).

Acţiunea releelor de accelerare d2, d3, de fixare automată a unei durate minime de funcţionare pe treptele de viteză mică şi medie, asigură o acceleraţie moderată a electromotorului, fără şocuri, la ridicarea încărcăturilor.

De asemenea la mutarea rapidă a manetei controlerului de pe poziţia 3 pe poziţia zero frânarea este moderată cu ajutorul releelor de frânare d4, d5. După deconectarea contactorului C5, primeşte alimentare contactorul C4 prin contactul d5 (2-5). Alimentarea contactorului C4 durează un timp egal cu temporizarea la deschidere a contactului d5 (2-5). Pe parcursul acestui timp electromotorul trece automat de la turaţia mare la turaţia medie. După întreruperea alimentării contactorului C4 este întreruptă şi alimentarea releului d4. În perioada de întârziere la deschidere a contactului d4 (6-8), continuă să fie alimentate contactoarele C1 şi C3, electromotorul trecând pe această durată la viteza minimă.

Întârzierile la deschidere a releelor d4, d5 sunt, aproximativ, de 0,3 secunde, realizându-se o durată totală pe treptele de frânare de circa 0,6 secunde. Alimentarea bobinei frânei electromagnetice este întreruptă imediat după trecerea controlerului în poziţia zero prin deschiderea contactului C7 (2-4) însă ca urmare a inerţiei proprii frâna mecanică acţionează asupra axului după circa 0,4-0,5 secunde, adică atunci când electromotorul aflat în regim de frânare cu recuperare are turaţie mică. În acest fel acţiunea frânei mecanice este uşurată şi se asigură o frânare fără şocuri a electromotorului şi a încărcăturii.

Protecţia electromotorului la suprasarcini este realizată de releele termice et1 et3. După acţionarea releelor et2 şi et3 electromotorul poate lucra în continuare cu viteza mică. Dacă, ca urmare a suprasarcinii, acţionează şi releul et1, atunci electromotorul este decuplat de la reţea şi îşi întrerupe funcţionarea.

4.7. Calculul puterii electromotorului de acţionare a vinciului de încărcat

Calculul puterii electromotorului vinciului de încărcat se efectuează în funcţie de datele

stabilite iniţial. Se consideră că sunt cunoscute încărcătura nominală, viteza nominală de

ridicare şi a fost ales mecanismul de transmisie. În situaţia în care se dă numai încărcătura

nominală, celelalte date se aleg pe baza considerentelor expuse în capitolele 4.1 şi 4.2

pentru vinciuri cu productivitate sporită.

Date pentru calcul:

* încărcătura nominală de ridicat Q[t] (pentru calcule se exprimă în [N] F = 9810Q[N]);

* greutatea cârligului gol şi a cablului de tracţiune, m [kgf] (pentru calcul se exprimă în

[N], Fo = 9,81m[N]);

* viteza de ridicare a sarcinii nominale, vn [m/s];

* viteza de ridicare şi coborâre a cârligului gol, vo [m/s];

* înălţimea de ridicare a sarcinii, H1 [m];

* înălţimea de coborâre a sarcinii, H2 [m];

* raportul de transmisie al mecanismului de transmisie, i;

* randamentul mecanismului de transmisie, M;

* raza tamburului vinciului, Rt [m];

* felul curentului şi tensiunea reţelei navei.

Calculul conţine două etape. În prima aproximare se determină puterea

electromotorului necesară pentru ridicarea încărcăturii nominale cu viteza nominală. Pe

baza acestei aproximări se alege motorul electric din catalog. În a două aproximare se

verifică electromotorul ales la încălzire calculându-se cuplul echivalent diagramei de

sarcină. Electromotorul se consideră că a fost bine ales dacă valoarea cuplului echivalent

este mai mică decât valoarea cuplului nominal al motorului.

5. COMANDA INSTALAŢIILOR DE GUVERNARE

5.1 Caracterizare generală, cerinţe şi clasificări

Cârma ca element principal al instalaţiei de guvernare, este destinată pentru menţinerea navei pe drumul impus şi de asemenea pentru rotirea navei atunci când este necesară schimbarea direcţiei de mişcare.

Acţionarea electrică a cârmei este una din cele mai importante acţionări electrice la bordul navei.

Calităţile de manevrabilitate ale navei, date în principal de instalaţia de guvernare, sunt puse în evidenţă în mod deosebit atunci când se navigă în porturi, strâmtori, canale sau zone aglomerate. Pierderea posibilităţii de conducere a navei, ca urmare a ieşirii din funcţiune a instalaţiei de guvernare, constituie totdeauna o avarie deosebit de gravă care în condiţii grele de navigaţie, în multe situaţii cunoscute, a constituit cauza scufundării navei.

Având în vedere importanţa instalaţiei de guvernare pentru siguranţa navigaţiei, regulile registrului de clasificare (R.N.R.) impun următoarele cerinţe pentru aceste instalaţii:

1. Fiecare navă trebuie să aibă o instalaţie de guvernare robustă şi sigură care să asigure manevrabilitatea şi stabilitatea de drum.

2. Instalaţia de guvernare trebuie să asigure manevra de trecere a cârmei de la 35° dintr-un bord la 35° în celălalt bord, cu nava la pescajul maxim şi la viteza maximă de serviciu.

3. Instalaţia de guvernare trebuie prevăzută cu un sistem de limitare mecanică a

mişcării cârmei. Unghiul de limitare acelaşi în ambele borduri are valoarea:

5,11 00

în care 0 este unghiul maxim al cârmei la care este reglată instalaţia de comandă a acţionării electrice şi are valoarea de 35°.

4. Comanda acţionării instalaţiei de guvernare se poate face dintr-un post de comandă de la distanţă (timonerie) şi din compartimentul cârmei. În unele cazuri poate exista şi un al treilea post de comandă de la distanţă, de rezervă, situat în alt compartiment al navei.

5. Lângă fiecare post de comandă de la distanţă trebuie să existe indicator pentru poziţia cârmei (axiometru). Indicarea poziţiei cârmei trebuie să fie independentă de postul de comandă a acţionării instalaţiei de guvernare.

6. Fiecare acţionare principală, electrică sau electrohidraulică, a instalaţiei de guvernare trebuie să primească alimentare prin 2 circuite separate, conectate direct la tabloul principal de distribuţie. Unul din circuite poate primi alimentarea prin tabloul de distribuţie de avarie.

7. Dispozitivul de acţionare electrică trebuie să asigure:

trecerea continuă a cârmei dintr-un bord în altul în timp de 30 secunde, cu cârma complet imersată şi viteza maximă de marş înainte corespunzătoare;

funcţionarea continuă timp de 1 oră la viteza de exploatare maximă înainte şi punerea penei cârmei bandă cu un unghi care să asigure 350 de manevre ale cârmei pe oră;

posibilitatea opririi motorului electric sub curent timp de 1 minut, din starea de încălzit (numai pentru cârme cu transmisie mecanică directă);

rezistenţă mecanică corespunzătoare la efortul care apare la viteza maximă înapoi; se recomandă să se asigure posibilitatea schimbării poziţiei cârmei la o viteză medie de mers înapoi.

8. Sensul de rotaţie al timonei sau al manetei dispozitivului de comandă să corespundă cu sensul de mişcare a cârmei. În sistemul de comandă prin butoane, butoanele trebuie să fie amplasate în aşa fel încât butonul ce se află aşezat în partea dreaptă să corespundă cu mişcarea cârmei în tribord, iar butonul ce se află la stânga să corespundă cu mişcarea penei cârmei la babord.

9. Se admite spre instalare un pilot automat sau un pilot autoadaptat care să acţioneze maşina cârmei cu ajutorul unui sistem de transmisii proprii sau folosind pentru aceasta sistemul existent manual de acţionare a cârmei.

Elementele principale ale instalaţiei cârmei sunt:

cârma;

motorul de execuţie;

sistemul de comandă;

sistemul de control.

În figura 5.1. este reprezentată schema bloc a sistemului de acţionare a cârmei.

Fig. 5.1. Schema bloc a acţionării cârmei

Semnificaţia simbolurilor folosite în figura 15.1. este:

PC - post de comandă;

SU - sistem de urmărire;

A - amplificator;

ME - motor de execuţie;

MT - mecanism de transmisie;

C - cârmă;

N - navă;

K - compas;

SI - sistem indicator al poziţiei cârmei.

Cârma, ca element principal al instalaţiei de guvernare, reprezintă o placă (denumită

pana cârmei) imersată în apă la pupa navei. Cârma se poate roti în jurul unui ax vertical

dispus în planul diametral al navei. Prin rotirea (deplasarea) cârmei cu un unghi oarecare

faţă de planul diametral într-un bord, pe suprafaţa cârmei acţionează presiunea curentului de

apă creat de mişcarea navei. Întrucât cârma este fixată prin ax de navă, presiunea pe

suprafaţa cârmei se transmite navei producând un moment care roteşte nava.

Pentru deplasarea cârmei cu un unghi oarecare este necesară o forţă de o anumită

valoare. În acest scop, se foloseşte motorul de execuţie care pe nave, de regulă, este un

motor electric. Electromotorul este cuplat cu cârma printr-un mecanism de transmisie care

poate fi mecanic sau hidraulic.

Acţionarea electrică a cârmei se comandă de la distanţă, postul de comandă fiind dispus

de regulă în timonerie.

Comanda acţionării electrice realizează: deplasarea cârmei cu unghiul dat, oprirea ei,

inversarea sensului de deplasare al cârmei, reglarea vitezei de deplasare ş.a. Pentru

îndeplinirea acestor cerinţe este realizată practic o gamă diversificată de sisteme de

comandă.

Verificarea executării comenzii date de la postul de comandă constă în indicarea

poziţiei penei cârmei faţă de planul diametral şi a rezultatului acţiunii cârmei asupra rotirii

navei şi se realizează cu sistemul de control.

Sistemul de control este alcătuit din indicatorul poziţiei penei cârmei faţă de planul

diametral, denumit axiometru şi repetitorul girocompas sau compasul magnetic care indică

schimbarea drumului navei sub acţiunea deplasării cârmei.

Sistemele de acţionări electrice pentru instalaţiile de guvernare cunosc o largă

diversificare. Clasificarea instalaţiilor de guvernare poate fi făcută după mai multe criterii:

1. După particularităţile constructive ale cârmei. Cârma este elementul care determină caracteristica momentului la axul cârmei şi regimurile posibile de lucru ale acţionării electrice. Se realizează cârme obişnuite şi cârme active. Cele mai răspândite sunt cârmele obişnuite care se împart în:

după forma penei cârmei;

după gradul de compensare:

simple;

compensate;

semicompensate;

după profilul penei cârmei:

plane;

cu profil aerodinamic.

Compensarea penei cârmei se foloseşte pentru micşorarea momentului la axul cârmei şi ca urmare reducerea puterii electromotorului de acţionare. Profilul aerodinamic al cârmei îmbunătăţeşte caracteristicile sistemului corp navă - elice - cârmă şi micşorează rezistenţa la înaintare a navei precum şi momentul la axul cârmei.

2. După felul trasmisiei sunt sisteme cu legătură fixă între axul electromotorului şi axul cârmei, din această categorie făcând parte cârmele cu acţionare electromecanică şi cu legătură elastică, la care legătura între axul electromotorului şi axul cârmei poate să lipsească. Acestea pot fi hidraulice, pneumatice sau prin fricţiune, cea mai mare răspândire având-o acţionarea electrohidraulică.

3. După caracterul funcţionării electromotorului sistemele de acţionare pot fi:

cu funcţionare intermitentă;

cu funcţionare continuă.

Funcţionarea intermitentă a electromotorului se aplică în cazul transmisiei mecanice iar cea continuă pentru transmisia hidraulică. În regimul de funcţionare continuă sunt eliminate regimurile grele de conectări repetate şi de încălzire dată de valorile mari ale curenţilor de pornire, astfel încât transmisia prezintă, din acest punct de vedere, o îmbunătăţire a condiţiilor în care lucrează electromotorul în instalaţiile de guvernare.

4. După nivelul de automatizare sau după sistemul de urmărire a comenzii acţionării electrice. Funcţionarea sistemelor de acţionare a cârmei poate fi: simplă, sincronizată şi automată.

Funcţionarea simplă. În acest caz poziţia timonei postului de comandă determină bordul în care se deplasează cârma şi viteza de deplasare. Poziţia penei cârmei nu este determinată de poziţia timonei postului de comandă. În acest regim de funcţionare pornirea electromotorului de acţionare a cârmei se face manual prin rotirea timonei într-unul din borduri şi funcţionează atâta timp cât se menţine deplasarea timonei, iar oprirea electro-motorului se face de asemenea manual prin aducerea timonei în poziţia zero.

Pentru a urmări deplasarea cârmei faţă de planul diametral se foloseşte aparatul indicator numit axiometru.

Funcţionarea sincronizată. La aceste dispozitive, în starea de repaus a instalaţiei, poziţia penei cârmei este determinată de poziţia timonei postului de comandă. Electromotorul cârmei este pus în funcţiune manual prin rotirea timonei cu un unghi oarecare în unul din borduri şi se opreşte automat atunci când pana cârmei s-a rotit cu acelaşi unghi ca şi timona. Axiometrul, în acest caz, este numai un mijloc suplimentar de control.

Funcţionarea automată. Dispozitivele electrice de acţionare a cârmelor cu funcţionare automată asigură menţinerea automată a navei pe drumul dat şi schimbări automate ale drumului conform unui program dinainte stabilit. În acest caz electromotorul de acţionare al cârmei intră în funcţiune automat atunci când nava se abate de la drumul impus şi se opreşte automat când nava a revenit la drumul dat. Aceste dispozitive cu funcţionare automată se mai numesc şi girotimone deoarece sunt totdeauna cuplate prin selsine cu girocompasul navei.

Pe navele moderne cu raioane extinse de navigaţie, instalaţia de guvernare permite trecerea succesivă în cele trei regiuni. Regimul de funcţionare automată se utilizează când se navigă timp îndelungat pe drum constant, regimul de funcţionare sincronizată comandat de timonă se aplică pentru navigaţia în porturi, strâmtori, canale, adică în situaţii în care schimbările de direcţie ale navei se succed la intervale scurte de timp, iar regimul de funcţionare simplă, comandat de regulă prin butoane, se menţine ca un sistem de rezervă.

5. După criterii electrice: felul curentului (curent continuu sau curent alternativ), sisteme de alimentare (direct de la reţeaua navei sau prin sistemul generator-motor), sisteme de comandă.

5.2 Caracteristica momentului de sarcină la axul cârmei

Tipuri de cârme. Tipurile de cârme se deosebesc după profilul secţiunii cârmei şi după

locul de dispunere al axului cârmei. Pentru a asigura manevra navei, pana cârmei trebuie să

aibă o suprafaţă A, care se calculează în funcţie de dimensiunile navei cu formula:

2mTLA

unde: L - lungimea navei între perpendiculare, [m];

T - pescajul navei, [m];

- coeficient dependent de tipul navei.

(5.1)

Valoarea coeficientului pentru nave de mărfuri cu raioane extinse de navigaţie este =

0,0142 0,02;

Pentru alte tipuri de nave, valoarea lui este:

nave de transport rapide = 0,0166 0,025;

nave costiere = 0,02 0,025;

remorchere maritime = 0,025 0,0335.

Pe navele moderne se utilizează cârmele cu profil aerodinamic întrucât acest profil asigură reducerea rezistenţei la înaintare a navei şi a momentului necesar pentru rotirea penei cârmei.

În figura 5.2. se prezintă o cârmă cu profil aerodinamic. Profilul penei cârmei este caracterizat de grosimea relativă:

bt

unde:

- reprezintă cea mai mare grosime a secţiunii penei cârmei, [m]; b - lăţimea (coarda) penei cârmei, [m].

Pentru cârme obişnuite valoarea coeficientului t se înscrie în limitele t = 0,1 0,3.

O altă caracteristică importantă a cârmei este dimensiunea relativă, care reprezintă raportul:

A

h

b

h 2

în care h este înălţimea penei cârmei, [m].

De obicei, pentru cârmele navelor comerciale valoarea coeficientului este în limitele

= 0,5 3, cel mai frecvent având valorea = 2.

Pentru determinarea înălţimii penei cârmei, h la nave maritime de deplasament mediu, se utilizează frecvent relaţia:

m1...5,0Th

La cârmele compensate axul de rotire împarte suprafaţa penei cârmei în două părţi: partea din prova, care constituie partea compensată şi partea din pupa. Gradul de compensare este exprimat de coeficientul:

A

Ak 1

unde: A1 - suprafaţa părţii compensate, [m2];

A - suprafaţa penei cârmei, [m2].

(5.2)

(5.3)

(5.4)

(5.5)

Fig. 5.2. Pana cârmei cu profil aerodinamic

Pentru cârme de formă dreptunghiulară rezultă:

b

b

hb

hbk 11

în care b1 este lăţimea părţii compensate.

Valorile coeficientului de compensare, k se înscriu de obicei în limitele k = 0 0,35. Cârmele semicompensate se deosebesc de cele compensate prin aceea că partea

compensată nu ocupă înălţimea penei cârmei. O altă mărime care caracterizează profilul aerodinamic este poziţia relativă a grosimii

maxime a profilului , exprimată printr-un coeficient , care reprezintă raportul dintre distanţa de la secţiunea maximă a profilului până la partea din faţă a cârmei şi lăţimea totală a cârmei, b (aproximativ egală cu coarda profilului).

Forţele care acţionează pe pana cârmei.

Prin rotirea penei cârmei cu unghiul faţă de planul diametral al navei, curentul de apă produs la înaintarea navei cu viteza v ,acţionează neuniform pe cele două feţe ale cârmei şi ca urmare apare o forţă rezultantă de presiune a apei pe pana cârmei.

Teoretic, curentul de apă care se deplasează cu viteza v produce pe suprafaţa unei plăci

înclinată cu unghiul o forţă rezultantă normală pe suprafaţa plăcii, R

. Din figura 15.3. se observă că impulsul creat de cantitatea de apă în mişcare prin ciocnirea cu suprafaţa plană este egal cu impulsul forţei rezultante:

dtRsinvsinAdtv

unde: v dt.A sin - volumul care acţionează asupra plăcii în timpul dt;

- densitatea apei (1000kg/m3);

v - viteza curentului de apă, [m/s];

- unghiul de înclinare al plăcii în grade.

(5.6)

(5.7)

Fig. 5.3. Forţa creată de curentul de apă care acţionează pe o suprafaţă plană înclinată

Din relaţia (5.7) rezultă că, teoretic, forţa rezultantă pe suprafaţa plăcii se determină cu relaţia:

NsinvAR 22

Expresia forţei rezultante dată de relaţia (5.8), determinată prin aplicarea simplă a legii lui Newton nu se foloseşte practic întrucât nu ia în considerare fenomene suplimentare care însoţesc în realitate aripa aerodinamică în curentul de apă şi care pot fi luate în considerare cu ajutorul unor coeficienţi stabiliţi experimental. Formula teoretică dată de relaţia (15.8) permite totuşi evidenţierea factorilor principali de care depinde mărimea forţei rezultante.

O soluţie pentru cârme plate este oferită de formula empirică stabilită de inginerul francez Josseli:

NvAC

sinkR 2

r

'

unde: A - suprafaţa penei cârmei, [m2];

v - viteza navei, [m/s];

- unghiul de rotire al cârmei, în grade; k’ - coeficient de reducere; Cr - coeficient.

Coeficientul de reducere k’ ia în considerare influenţa profilului şi densităţii apei de

mare. Valorile acestui coeficient sunt:

k’ = 196 kg/m3 pentru mersul înainte al navei;

k’ = 407 kg/m3 pentru mersul înapoi al navei.

Coeficientul Cr se determină cu relaţia:

sin305,0195,0Cr

Formula (5.9) oferă rezultate bune în cazul cârmelor plane. Astfel de cârme se întâlnesc

în cazuri rare şi în mod deosebit la fluviu. Pentru cârmele cu profil aerodinamic, utilizate

frecvent la navele maritime şi fluviale, această formulă nu oferă rezultate mulţumitoare.

Cercetările efectuate în domeniul teoriei aripilor aerodinamice, la care o contribuţie

importantă a adus-o Jukovski, au condus la găsirea unei relaţii de calcul mai precisă pentru

(5.8)

(5.9)

(5.10)

determinarea forţei care apare pe aripa aerodinamică, în aer sau apă, pentru oricare formă de

profil aerodinamic.

În figura 5.4. este reprezentată cârma cu profil aerodinamic înclinată faţă de planul

diametral cu un unghi . Forţa rezultantă a presiunii apei pe cârmă, Rt aplicată în punctul A

se poate descompune după două sisteme de axe, astfel:

primul sistem, în care x corespunde cu direcţia de mers a navei şi a curentului de

apă, iar axa y este perpendiculară pe direcţia de mişcare, permite descompunerea

forţei rezultante în componentele: Rx - orientată în sens contrar sensului de

mişcare a navei şi Ry - perpendiculară pe prima. Componenenta Rx se numeşte

forţa de rezistenţă la înaintare iar componenta transversală Ry se numeşte forţa de

ascensiune sau forţa portantă. După această descompunere rezultă: 2

y

2

xt RRR

al doilea sistem, în care una din direcţii coincide cu planul cârmei, iar cea de-a

doua este normală la planul cârmei, permite descompunerea forţei rezultante în

componentele: R - normală la planul cârmei, care permite calculul momentului la

axul cârmei şi T - tangenţială la planul cârmei care asigură deplasarea curentului

de apă de-a lungul cârmei. Din această descompunere rezultă:

22

t TRR

Fig. 5.4. Forţa de presiune pe cârma cu profil aerodinamic.

Din figura 5.4. rezultă următoarele relaţii între componentele după cele două sisteme de

axe:

sinRcosRR xy

sinRcosRT yx (5.14)

Teoria aripei aerodinamice permite determinarea forţelor care apar asupra profilelor

aerodinamice de forme diferite, în aer sau în apă. Conform acestei teorii forţa rezultantă normală

pe suprafaţa cârmei se determină cu relaţia:

(5.11)

(5.12)

(5.13)

(5.15)

N2

vAsinCcosCR

2

xy

unde: Cy - coeficient adimensional al forţei portante (Ry);

Cx - coeficient adimensional al forţei de rezistenţă (Rx);

v - viteza navei, [m/s];

A - suprafaţa cârmei, [m2];

- densitatea apei de mare, = 1025kg/m3;

- unghiul dintre planul cârmei şi direcţia de mişcare a navei.

Mărimile coeficienţilor Cy şi Cx depind de dimensiunea relativă, a profilului, de

grosimea relativă, t, de unghiul de rotire a cârmei, şi altele.

În urma efectuării măsurătorilor experimentale s-au întocmit atlase cu graficele

coeficienţilor Cx si Cy pentru cârme de profile diferite şi pentru o diversitate mare de forme

aerodinamice.

Influenţa forţei care apare la deplasarea cârmei asupra mişcării navei.

Pentru a schimba direcţia de mişcare a navei într-un bord sau altul este necesar ca în

acea parte să se rotească cârma. În figura 5.5. este reprezentată cârma rotită într-un bord, cu

unghiul şi forţa rezultantă normală care apare pe suprafaţa cârmei.

Fig. 5.5. Influenţa forţei de presiune pe cârmă asupra mişcării navei

În centrul de greutate al navei, G se consideră două forţe egale şi de sens contrar, R

şi

R

de mărime şi direcţie egale cu R

. La rândul ei forţa R

se descompune în două

componente rF

şi dF

după axele navei. În acest fel la mutarea cârmei cu un unghi oarecare

forţele R

şi R

creează un cuplu care roteşte nava, forţa dF

provoacă deplasarea laterală,

iar forţa rF

frânează mişcarea de înaintare a navei. Acţiunea forţei Fd poate fi neglijată

deoarece rezistenţa la deplasarea laterală a navei este foarte mare.

Momentul creat de cuplul de forţe R

, R

este:

cos2

LRcosOGRGBRM

unde L este lungimea navei între perpendiculare.

Înlocuind R cu expresia din relaţia aproximativă (5.9), se obţine:

(5.16)

2sinvALC

kcossinvA

2

L

C

kM 2

r

'2

r

'

Relaţia (5.17) reprezintă dependenţa M = f( ). Anulând derivata cuplului în raport cu unghiul

se obţine valoarea unghiului pentru care cuplul este maxim. Rezultă că valoarea cuplului maxim se

obţine pentru = 37 ,5. De aceea unghiul maxim de deplasare al penei cârmei este în limitele 35° -

40°. Autoritatea Navaăl Română fixează valoarea acestui unghi la 35°.

Momentul de rotire la axul cârmei.

Pentru calculul acţionării electrice a cârmei este necesar să cunoaştem momentul necesar pentru

rotirea cârmei. În figura 5.7. se prezintă braţul forţei rezultante de presiune pentru cârme obişnuite şi

compensate, la mersul înainte şi mersul înapoi al navei.

Pentru cârma cu forma dreptunghiulară obişnuită momentul la axul cârmei este:

pa XRM

unde Xp este distanţa de la centrul de presiune A, în care se aplică forţa rezultantă

normală R până la axul cârmei.

Fig. 1.7. Braţul forţei rezultante de presiune pe cârmă la mersul înainte şi înapoi al

navei;

I - cârmă obişnuită, II - cârmă compensată

Poziţia centrului de presiune A, în care se aplică forţa rezultantă normală pe planul

cârmei, se schimbă în funcţie de valoarea unghiului de înclinare a cârmei. Se defineşte un

coeficient adimensional al centrului de presiune Cp:

b

XC

p

p

Valorile coeficientului centrului de presiune Cp sunt determinate experimental, pentru

diferite profile de cârmă, în funcţie de unghiul de înclinare, Cp = f( ) şi sunt date în atlase.

Pentru profilele de cârmă din figura 5.6. sunt date şi graficele pentru coeficienţii Cp.

Din relaţiile (5.18) şi (5.19) rezultă:

bCRM pa

(5.17)

(5.18)

(5.19)

(5.20)

La cârmele compensate axul cârmei este la distanţa b1 faţă de partea din faţă a cârmei

(figura 5.7.) şi momentul la axul cârmei se calculează cu relaţia:

1pa bbCRM

Dacă în relaţia (5.20) se introduce valoarea forţei rezultantă normală, dată de relaţia

(5.15), rezultă:

bC2

vAsinCcosCM p

2

xya

Introducând un coeficient adimensional,

2

a

xypm

vA2

MsinCcosCCC

relaţia (5.22) devine:

2

vAbCM

2

ma

unde Cm este coeficientul momentului şi are în vedere schimbarea valorii momentului la

axul cârmei în funcţie de unghiul de rotire. Acest coeficient se determină de asemenea prin

încercări experimentale pe diferite tipuri de profile şi se dă în atlase.

Pentru profilele date în figura 5.6. se prezintă şi caracteristicile Cm = f( ). Între

coeficienţii adimensionali care caracterizează un anumit profil aerodinamic există relaţia de

calcul (5.23).

Relaţia (5.24) permite calculul momentului pentru cârma simplă. Pentru cârma

compensată momentul, în funcţie de coeficientul Cm se calculează cu relaţia:

kfC2

vAbM m

2

a

unde: sinCcosCf xy ;

k - gradul de compensare, relaţia (5.6).

La mersul înapoi al navei se schimbă poziţia centrului de presiune A, aşa cum se

prezintă în figura 5.7. şi momentele la axul cârmei se calculează cu relaţiile:

a. pentru cârma simplă la mers înapoi:

m

2

a Ck2

vAbxbRM

b. pentru cârma compensată la mers înapoi:

m

2

1a Cf1k2

vAbbxbRM

Uneori forma penei cârmei este diferită de forma dreptunghiulară. În acest caz suprafaţa

cârmei se împarte în mai multe părţi care se aproximează cu forma dreptunghiulară.

(5.21)

(5.22)

(5.23)

(5.24)

(5.25)

(5.26)

(5.27)

Suprafaţa cârmei, prezentată în figura 5.8. se împarte în n părţi care sunt aproximate cu dreptunghiuri şi permit aplicarea formulelor stabilite pentru calculul forţei şi a momentului la axul cârmei.

Suprafeţele elementare cu înălţimea h şi lăţimea bj au aria jj bhA .

Mărimea forţei care acţionează pe suprafaţa elementară j este:

2

vAsinCcosCR

2

j

xyj

iar momentul corespunzător la axul cârmei,

j1jpjaj bbCRM

După determinarea forţelor şi momentelor elementare se calculează forţa şi momentul

total:

n21 RRRR

n21a MMMM

Rezultatele calculelor efectuate se prezintă sub formă grafică.

În figura 5.9. se prezintă dependenţa momentului la axul cârmei de unghiul ,

fM a , la deplasarea cârmei dintr-un bord în celălalt bord pentru cârma simplă (a) şi

compensată (b) la mersul navei înainte (1) şi la mersul navei înapoi (2) cu respectarea

următoarelor reguli de semne:

* unghiurile de rotire ale cârmei pentru deplasarea din planul diametral spre bord se

consideră pozitive;

* unghiurile de rotire ale cârmei pentru deplasarea din bord spre planul diametral se

consideră negative;

* momentele de la axul cârmei care se opun deplasării acesteia sunt pozitive, iar cele

care sunt în sensul deplasării se consideră negative.

Fig. 5.8. Pana cârmei de formă oarecare

(5.28)

(5.29)

(5.30)

(5.31)

Fig. 5.9. Curbele dependenţei fM a pentru cârmele simple (a) şi compensate

(b);

1 - pentru mersul înainte, 2 - pentru mersul înapoi

Din curbele care reprezintă dependenţa momentului la axul cârmei de unghiul de rotire

al cârmei, reprezentate în figura 5.9., rezultă că momentul maxim la axul cârmei pentru

mersul înapoi este mai mare decât momentul maxim la mersul înainte al navei. Explicaţia

constă în aceea că braţul forţei rezultante de presiune este mai mare la mersul înapoi, aşa

cum rezultă din figura 5.7. Cu toate acestea, în mod obişnuit, pentru calculul acţionărilor

electrice se ia în considerare numai momentul maxim la mersul înainte al navei, întrucât

regulile de registru solicită ca acţionările electrice ale cârmelor să asigure deplasarea cârmei

la mersul înapoi al navei numai pentru o viteză medie, care de obicei este în limitele 50 -

70% din viteza maximă la mersul înainte al navei. Pentru această viteză medie, momentul

maxim la mersul înapoi este mai mic decât momentul maxim la mersul înainte calculat

pentru viteza maximă a navei.

Pentru cârme compensate, funcţie de gradul de compensare, valorile maxime ale

unghiului 1 nu depăşesc, în mod normal, 1071 .

Metoda de calcul aerodinamic prezentată nu ia în considerare influenţa formei pupa a navei

şi a elicei pentru regimul de funcţionare al cârmei. Aceste influenţe pot fi stabilite numai prin

încercări pe modelele realizate la scară.

5.3 Mecanisme de transmisie

În instalaţiile de guvernare a navelor mecanismele de transmisie asigură transmiterea

momentului de la motorul electric de execuţie la axul cârmei. Mecanismele de transmisie

utilizate în acest scop se împart în două grupe: din prima grupă fac parte transmisiile

mecanice, care pot fi cu şurub, cu sector de roată dinţată şi cu cablu, iar a doua grupă o

constituie transmisiile electrohidraulice, care la rândul lor pot fi cu pompă cu debit variabil

şi cu pompă cu debit constant.

5.3.1 Transmisii mecanice pentru cârme

Transmisia cu şurub este prezentată în figura 5.10.

Transmisia cu şurub se compune din echea cârmei E, legată prin tijele 1 şi 2 cu piuliţele

4 angrenate cu şurubul 3. Şurubul 3 are filete pe stânga şi pe dreapta astfel încât la rotirea lui

piuliţele 4 se deplasează în sensuri contrare realizând, prin tijele 1 şi 2, rotirea echei şi ca

urmare deplasarea penei cârmei cu un unghi oarecare.

Şurubul 3, prin angrenajul de roţi dinţate z1, z2, este cuplat cu axul diferenţialului 5

constituit din patru roţi conice z3, z4, z5, z6 libere pe axe.

Roţile dinţate z5 şi z6 ale diferenţialului sunt cuplate prin angrenaje melc- roată melcată

M1 şi M2 cu axele electromotoarelor I şi II. Pentru realizarea regimului de lucru este

necesară funcţionarea unui singur motor electric, cel de al doilea constituind rezerva

instalaţiei.

Mecanismul mai este prevăzut cu un sistem de frână manuală 6 şi cu un indicator al

poziţiei cârmei 7.

Acest tip de transmisie se utilizează pentru puteri maxime 70 - 80kW şi are randamentul

în limitele 0 2 0 4, , . O particularitate a acestei transmisii este lungimea mare în raport cu

lăţimea, raportul între lungime şi lăţime fiind circa 2 75 2 95, , .

Întrucât prezintă mare siguranţă în funcţionare şi permit introducerea directă a

motorului electric de rezervă, aceste mecanisme s-au folosit pe nave militare şi mai pot fi

întâlnite la construcţiile mai vechi.

Fig. 5.10. Vederea generală a transmisiei cu şurub

Transmisia cu sector este mijlocul folosit frecvent pentru acţionările

electromecanice ale cârmei la nave.

Mecanismul de transmisie cu sector, prezentat în figura 5.11. se compune din sectorul

dinţat 1 şi transmisia cu şurub 2. Sectorul este cuplat cu echea 3 prin resoartele 4 care au

rolul de amortizare a şocurilor. Echea este fixată pe axul cârmei 5, în timp ce sectorul se

aşează liber, angrenarea sa cu echea făcându-se prin resoartele 4. Sectorul care au rolul de

amortizare a şocurilor. Echea este fixată pe axul cârmei 5, în timp ce sectorul se aşează

liber, angrenarea sa cu echea făcându-se prin resoartele 4. Sectorul dinţat este în angrenaj cu

roata dinţată 6 aşezată fix pe axul transmisiei cu şurub. Mecanismul mai dispune de frâna

mecanică 7 şi de indicatorul poziţiei cârmei 8.

Transmisia cu sector prezintă o soluţie simplă şi sigură în funcţionare. Dezavantajele

acestui sistem de transmisie îl constituie greutatea mare şi dezvoltarea construcţiei pe lăţime,

astfel că poate fi instalat numai la nave cu lăţimea mare în pupa navei.

Randamentul transmisiei cu sector este de obicei în limitele 0 4 0 5, , . Acest tip de

transmisie se foloseşte pentru puteri ale motoarelor electrice până la 70kW.

Pentru acţionarea sectorului dinţat se poate folosi un diferenţial, ca şi în cazul

mecanismului de transmisie cu şurub, cu toate avantajele care rezultă.

Transmisia cu sector prezintă o soluţie simplă şi sigură în funcţionare. Dezavantajele

acestui sistem de transmisie îl constituie greutatea mare şi dezvoltarea construcţiei pe lăţime,

astfel că poate fi instalat numai la nave cu lăţimea mare în pupa navei.

Fig. 5.11. Vederea generală a transmisiei cu sector

Transmisia cu cablu se utilizează mai mult la navele fluviale.

Transmisia cu cablu prezentată în figura 5.12. se compune din electromotorul m cuplat elastic prin mufa M cu reductorul cu roţi cilindrice R. Axul de ieşire al reductorului este cuplat prin angrenajul de roţi dinţate z1, z2 cu mecanismul roată de lanţ - lanţ cu role RL, la capetele căruia sunt legate cablurile Td şi Ts. Celelalte capete ale acestor cabluri sunt

conduse prin rolele r, instalate pe bordul drept şi pe bordul stâng al navei şi legate la sectorul S, cuplat rigid cu axul cârmei C. Axul cârmei constituie centrul de rotaţie şi realizează deplasarea cârmei sub acţiunea forţelor create de tracţiunea cablurilor Td şi Ts.

Randamentul transmisiei cu sector este de obicei în limitele 0 4 0 5, , . Acest tip de

transmisie se foloseşte pentru puteri ale motoarelor electrice până la 70kW.

Pentru acţionarea sectorului dinţat se poate folosi un diferenţial, ca şi în cazul

mecanismului de transmisie cu şurub, cu toate avantajele care rezultă.

Fig. 5.12. Schema cinematică a transmisiei cu cablu

5.3.2. Transmisii hidraulice pentru cârme Pentru nave cu deplasament mare şi viteze mari sunt necesare momente mari pentru

deplasarea cârmei şi ca urmare puteri mari pentru instalaţia de guvernare. Pentru realizarea unor momente mari la axul cârmei folosind transmisii mecanice sunt necesare mecanisme de gabarite şi greutăţi mari a căror dispunere pe navă este dificilă. De asemenea, având în vedere randamentul mic al transmisiilor mecanice, puterea electromotoarelor de execuţie ar rezulta de valori mari.

Utilizarea transmisiilor hidraulice permite reducerea gabaritelor şi greutăţilor acţionării electrice, precum şi creşterea randamentului transmisiei. Totodată transmisia hidraulică poate funcţiona impecabil şi în cazul în care compartimentul cârmei este inundat.

Maşinile hidraulice de cârmă se deosebesc după modul în care se realizează presa, după tipul pompelor şi după sistemul de comandă. Presiunea fluidului de lucru este asigurată de o pompă acţionată electric.

După modul în care se realizează presa, transmisiile hidraulice pot fi: cu palete şi cu pistoane.

Maşina de cârmă de tip cu palete este prezentată în figura 5.13.

În interiorul cilindrului presei, 1, jumătate din palete, 2, sunt prinse de corpul cilindrului

şi constituie partea fixă, iar cealaltă jumătate, 3, sunt prinse pe axul cârmei 4 şi se rotesc

împreună cu axul cârmei. Între paletele fixe şi mobile se formează cavităţile A şi B.

Pentru sensul de pompare al fluidului de lucru reprezentat în figura 5.13 acesta, prin

conductele haşurate pătrunde sub presiune în cavităţile B şi este recuperat din cavităţile A

prin conductele nehaşurate. Pe suprafeţele paletelor mobile presiunile fiind inegale apare o

forţă rezultantă care însumată produce un cuplu de rotire în sensul indicat în figură. La

schimbarea sensului de transmitere a fluidului de lucru, presiunile în cavităţile A vor fi mai

mari decât presiunile din cavităţile B şi ca rezultat se inversează sensul de rotire a axului

cârmei.

Fig. 5.13. Transmisie hidraulică cu palete a acţionării electrohidraulice a cârmei.

Maşina de cârmă rotativă cu palete reprezintă o construcţie compactă, se montează

direct pe axul cârmei şi ocupă un volum minim în compartimentul cârmei.

Firma engleză FRIDENBÖ realizează o gamă largă de astfel de maşini hidraulice. În

figura 15.14 şi în tabelul 15.1 se prezintă caracteristicile tehnice ale motoarelor hidraulice de

tip FRIDENBÖ.

Maşina de cârmă de tip cu pistoane este tipul de bază al tansmisiilor hidraulice pentru

cârme utilizate în flotele comerciale. În figura 5.15 se prezintă principiul de realizare a

transmisiei cu pistoane pentru acţionarea cârmei.

În acest caz presa este realizată din cilindrii 5 şi pistoanele mobile 6. Pistoanele se

mişcă pe aceeaşi direcţie şi sunt sudate de o ramă comună 7. În interiorul ramei este dispusă

mufa de legătură 9, susţinută de ramă în două lagăre alunecătoare: superior şi inferior.

Echeea cârmei 8, de secţiune circulară, alunecă în interiorul mufei de legătură. În acest mod,

la deplasarea spre stânga sau spre dreapta a pistoanelor se asigură gradele de libertate în

mişcare a echei 8.

Electromotorul 4, antrenează pompa 3 şi prin tubulatura 1 fluidul de lucru este transmis

sub presiune într-un cilindru şi recuperat fără presiune din celălalt. Presiunile inegale din cei

doi cilindri fac ca axul cu cele două pistoane să se deplaseze într-un anumit sens. Mişcarea

de deplasare axială a pistoanelor este transformată în mişcare de rotire a axului cârmei 2

prin sistemul mecanic: mufă de legătură - echea cârmei. Inversarea sensului de rotire la axul

cârmei se obţine prin inversarea sensului de mişcare a fluidului de lucru debitat de pompă.

Fig. 5.15. Transmisia hidraulică cu pistoane a acţionării cârmei

În funcţie de valoarea momentului maxim la axul cârmei, care trebuie realizat se poate

folosi o pereche de prese aşa cum este prezentat în figura 4.15, două perechi de prese şi

chiar patru perechi dispuse câte două pe un nivel. Cea mai mare răspândire o are sistemul de

două perechi de prese cu care se pot realiza momente de valori în limitele 0,6 - 10 tf.m. Cu

patru perechi de prese se pot realiza momente de la 16 la 200 tf.m, necesare în cazul

supertancurilor petroliere. Ca exemplu, de putere maximă realizată cu transmisii hidraulice,

se poate prezenta maşina de cârmă realizată de firma japoneză “Kavasaki” pentru

supertancuri având momentul maxim 1050 tf.m cu diametrul pistoanelor 425 mm şi patru

pompe.

Pompele folosite în transmisiile hidraulice sunt de tipul cu debit variabil sau cu debit

constant. Cele mai utilizate sunt pompele cu debit variabil care permit simplificarea schemei

hidraulice prin eliminarea unor elemente suplimentare: valvule electromagnetice, sertare

distribuitoare ş.a. Pompele cu debit constant se folosesc, de regulă, pentru maşinile de cârmă

cu palete.

Pompele cu debit variabil pot fi cu pistoane axiale sau radiale. Principiul de funcţionare

este acelaşi pentru cele două tipuri de pompe, diferenţa dintre ele fiind numai constructivă.

Pompele cu debit variabil funcţionează în regim de rotaţie continuă şi nu sunt reversibile.

Mărimea debitului şi direcţiei fluidului de lucru este determinată de poziţia elementului

excentric. Sensul în care se deplasează elementul excentric determină direcţia de deplasare a

fluidului, iar mărimea deplasării excentricului determină mărimea debitului fluidului de

lucru.

Pompa de tip cu pistoane radiale se întâlneşte mai frecvent în aplicaţiile practice. În

figura 5.16 se prezintă principiul de construcţie şi funcţionare a pompei de tip cu piston

radial.

Fig. 5.16. Principiul de construcţie şi funcţionare a pompei de tip cu pistoane radiale.

Electromotorul învârteşte rotorul pompei, 2, care alunecă pe axul fix 1. Axul fix 1 are două canale longitudinale care se termină cu orificiile 7 şi 8 şi cavităţi transversale interioare corpului închis în care se roteşte rotorul. Canalele longitudinale de pe axul fix comunică cu canalele radiale 3 ale rotorului. În canalele radiale se deplasează tijele 4 care îndeplinesc rolul de pistoane radiale ale pompei. La exterior, capetele tijelor rotunjite alunecă în interiorul inelului 5. Acest inel poate fi deplasat pe orizontală prin intermediul prelungitorului 6 şi poate ocupa o poziţie concentrică cu rotorul sau excentrică faţă de acesta spre dreapta sau spre stânga după sensul de mişcare al prelungitorului 6. Dacă inelul este concentric cu rotorul pompei pistoanele radiale nu se deplasează la rotirea acestuia şi debitul pompei este nul. Prin poziţia excentrică a inelului se realizează deplasări radiale a pistoanelor. La rotirea rotorului în sens orar, din canalul 8 se face admisia fluidului şi în canalul 7 se presează fluidul realizându-se un anumit debit. Sensul de circulaţie al fluidului se schimbă funcţie de direcţia în care se deplasează inelul; spre stânga sau spre dreapta, iar debitul pompei este variabil în funcţie de mărimea excentricităţii. Comanda pentru sensul de pompare şi mărimea debitului se face cu un manipulator care acţionează prelungitorul 6.

Pentru mărirea debitului, rotorul pompei se realizează din două discuri de lucru paralele.

Pentru un disc, numărul pistoanelor este de regulă 5 11.

Pompa de tip cu pistoane axiale se deosebeşte de tipul anterior prin dispunerea pistoanelor faţă de axul de rotire. În figura 5.17 se prezintă o secţiune prin această pompă.

Electromotorul este cuplat cu mufa 7 în formă de cupă. Pe flanşa frontală a mufei sunt locaşuri sferice pentru capetele pistoanelor 6. Excentricitatea la acest tip de pompă este creată pe seama unghiului de înclinare a mufei 7 faţă de axa longitudinală a pompei. De asemenea şi acest tip de pompă este întâlnit frecvent în transmisiile hidraulice.

În transmisiile hidraulice, în calitate de fluid de lucru se utilizează uleiurile minerale (ulei de turbine, ulei de transformator).

După sistemul de comandă, transmisiile hidraulice se clasifică în funcţie de elementul de execuţie care acţionează manipulatorul pompei şi în funcţie de forma legăturii cu postul de comandă de la distanţă. Pentru comanda manipulatorului se folosesc teletransmisii electrice sau de tip hidraulic. Sistemul de comandă de la distanţă a manipulatorului pompei se realizează în multe forme, de către diferite firme constructoare.

Fig. 5.17. Pompa de tip cu pistoane axiale.

1-axul de rotaţie; 2-placă disc de sprijin; 3-corpul turnat al pompei; 4-rotorul

pompei; 5-piston alunecător; 6-capul pistonului; 7-mufă în formă de cupă;

8-manipulator.

Caracteristicile de bază ale transmisiilor hidraulice constau în:

a) posibilitatea de a realiza cele mai mari momente la axul cârmei;

b) raportul de transmisie între motorul electric de execuţie care acţionează pompa şi

axul cârmei este variabil şi se schimbă în limite largi. Acest raport depinde de mărimea

reglată a debitului pompei şi modificarea braţului de lucru al echei în funcţie de unghiul de

rotire al cârmei;

c) reglare în limite largi care pot ajunge la raportul 1:1000;

d) lipsa autofrânării şi posibilitatea revenirii cârmei, de la sine, în planul diametral la

ieşirea din funcţiune a transmisiei hidraulice. Pentru menţinerea cârmei înclinată cu anumite

unghiuri este importantă acţiunea sistemului de urmărire;

e) posibilitatea folosirii motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit având în vedere

funcţionarea continuă cu turaţie constantă a pompelor în transmisiile hidraulice;

f) funcţionare lină şi zgomot redus;

g) siguranţă în funcţionare;

h) necesită un timp îndelungat de pregătire în vederea funcţionării dat de necesitatea

umplerii cu fluidul de lucru, aerisire şi reglaje;

i) lucrări de reparaţie şi întreţinere complicate, presarea conductelor şi ermetizarea

etanşărilor;

j) preţ de cost ridicat pentru puteri mici comparativ cu transmisiile mecanice;

k) pierderi de energie prin funcţionarea neîntreruptă a pompelor incluzând şi perioadele

în care cârma se află în repaus.

Din analiza comparativă a celor două sisteme de transmisii: mecanică şi hidraulică,

rezultă că transmisia hidraulică prezintă caracteristici mai bune. Transmisia mecanică se

foloseşte pentru valori mici ale momentului la axul cârmei şi deci puteri mici ale instalaţiei

de guvernare, situaţie în care acest tip de transmisie este mai simplă şi mai puţin costisitoare

decât transmisia hidraulică.

Transmisia hidraulică este singurul mijloc folosit pentru nave cu deplasamente şi viteze

mari care necesită realizarea unor momente mari la axul cârmei. În măsura în care firmele

constructoare realizează maşini hidraulice de puteri reduse, la preţuri comparative cu

transmisiile mecanice, se extinde folosirea lor şi pe nave cu deplasamente mai mici.

5.4 Diagrama de sarcină şi cerinţe pentru electromotoarele de acţionare a cârmei

5.4.1. Diagrama de sarcină şi condiţii specifice de lucru

Pentru deplasarea cârmei, cu transmisie mecanică, din planul diametral în oricare bord,

momentul la axul electromotorului în funcţie de momentul la axul cârmei este:

N.mi

MM

m

a

în care: Ma - momentul la axul cârmei, [N.m ];

i - raportul de transmisie;

m - randamentul transmisiei.

La revenirea cârmei dintr-un bord în planul diametral, momentul la axul

electromotorului are o valoare minimă deoarece forţele de presiune care acţionează pe pana

cârmei creează un moment în sensul de aducere a cârmei în planul diametral. În acest caz

momentul creat de forţa de presiune a apei şi momentul dezvoltat de electromotor au acelaşi

sens şi sunt orientate pentru învingerea frecărilor din maşina cârmei.

m.Ni

M'M m

'

a

unde:

M’ - momentul la axul electromotorului pentru mişcarea de revenire a cârmei; '

aM - momentul la axul cârmei pentru întoarcerea spre planul diametral;

m - randamentul transmisiei la mişcarea inversă.

Determinarea momentului la axul electromotorului pentru mişcarea de revenire a

cârmei în planul diametral cu relaţia (5.33), presupune unele dificultăţi şi de aceea pentru

calculele practice, acoperitoare, se consideră valoarea acestui moment constantă şi egală cu

valoarea cuplului de mers în gol M0. Valoarea cuplului de mers în gol se aproximează în

funcţie de valoarea momentului maxim, astfel:

- pentru cârme simple:

M0 = (0,1 - 0,2) Mmax

- pentru cârme compensate:

M0 = (0,2 - 0,3) Mmax

Diagramele de sarcină ale electromotorului reprezintă dependenţa momentului la

axul electromotorului în funcţie de unghiul de rotire al cârmei, M = f ( ). Pentru construirea

acestor diagrame se consideră cunoscută dependenţa momentului la axul cârmei, Ma, în

funcţie de unghiul , prezentată în figura 15.9 şi se fac următoarele aproximări: se iau în

calcul numai momentele pozitive la axul cârmei, momentele negative se substituie cu

momentul de mers în gol M0 şi se consideră că funcţia M = f ( ) variază linear de la

momentul de mers în gol, M0, la momentul maxim Mmax. În figura 5.18 se prezintă

diagramele de sarcină pentru electromotorul de acţionare a cârmei.

(5.32)

(5.33)

(5.34)

(5.35)

Fig. 5.18 Diagramelede sarcină la axul electromotorului

a) pentru cârma simplă la mers înainte;

b) pentru cârma compensată la mers înainte;

c) mers înapoi pentru toate tipurile de cârmă.

Condiţiile specifice de funcţionare a electromotoarelor pentru cârmă sunt determinate de

sistemul de comandă şi de tipul mecanismului de transmisie.

Pentru menţinerea navei pe drum constant sunt necesare deplasări frecvente ale cârmei

cu unghiuri mici. Condiţia impusă de registrul de clasificare privind asigurarea a 350 de

deplasări ale cârmei, cu unghiuri mici, într-o oră, solicitată, în cazul transmisiilor mecanice,

o frecvenţă mare de conectare a electromotorului şi în aceste condiţii acţionarea electrică

trebuie să reziste fără a depăşi limitele normale de încălzire şi fără deformări sau deteriorări

mecanice. În timpul manevrelor în port sau al navigaţiei prin locuri înguste, numărul de

conectări ale electromotorului se reduce dar, în acelaşi timp, creşte durata ciclurilor de lucru

şi valoarea momentelor la axul cârmei pentru realizarea unor unghiuri mari de rotire a

cârmei.

O altă cerinţă pentru electromotorul de acţionare a cârmei este ca pe durata funcţionării

să permită, prin sistemul de acţionare electrică, frânarea completă timp de 1 minut sau

reducerea foarte mare a turaţiei. Această situaţie poate avea loc pe timp de furtună ca urmare

a izbirii valurilor de pana cârmei sau în condiţii de mare calmă ca urmare a lovirii panei

cârmei de sloiuri de gheaţă sau obiecte în semiimersiune.

Având în vedere regimul de lucru al electromotoarelor pentru acţionarea cârmei,

caracteristicile mecanice de tip moale asigură îndeplinirea cerinţelor necesare. Aceste tipuri

de caracteristici asigură amortizarea reacţiei acţionării electrice la şocuri de sarcină aplicate

brusc.

5.4.2 Caracteristicile mecanice şi tipuri de electromotoare folosite pentru

cârme cu transmisie mecanică

Caracteristica mecanică de tip moale asigură variaţia în limite largi a turaţiei cu sarcina.

Atunci când sarcina creşte, turaţia se micşorează foarte mult. Astfel de caracteristici pot fi

obţinute în două feluri: de formă hiperbolică, reprezentată în figura 15.19, caracteristică

motorului serie de curent continuu şi de formă convexă, reprezentată în figura 15.20,

caracteristică sistemului generator-motor.

În figura 5.19, 1 şi 2 sunt caracteristici mecanice artificiale reostatice, 3-caracteristica

mecanică naturală iar 4, reprezentată cu linie întreruptă, este hiperbola ideală, Mn =

constant. Dacă caracteristica moale are forma convexă, prezentată în figura 5.20, în acest

caz punctele de intersecţie cu hiperbola, Mn = constant, corespund zonelor celor mai

caracteristice regimuri de lucru ale instalaţiei cârmei: zona de sarcină mică pentru regimul

de menţinere a navei pe drum constant (punctul A) şi zona de sarcină mare caracteristică

pentru manevra navei (punctul B).

Funcţionarea electromotorului de acţionare a cârmei la putere aproximativ constantă

(Mn = constant) pentru diferite regimuri de încărcare, corespunde cel mai bine din punct de

vedere al funcţionării sistemului energetic de alimentare.

Caracteristicile de tip moale asigură, prin forma lor, limitarea momentului şi

corespunzător a curentului la frânarea completă a electromotorului (regimul de scurtcircuit)

care, aşa cum s-a menţionat, poate să apară în condiţii normale de exploatare a instalaţiei de

guvernare. O asemenea limitare pentru electromotoarele alimentate de la reţeaua navei se

asigură cu caracteristici mecanice artificiale obţinute prin introducerea unor rezistenţe în

circuitul rotorului iar în cazul sistemului generator-motor prin înfăşurarea serie

anticompound de la generator.

Fig. 5.19 Caracteristici mecanice de tip moale, de formă hiperbolică.

Fig. 5.20. Caracteristici mecanice

de tip moale de formă convexă

(sistemul G-M)

Reglarea vitezei electromotoarelor se realizează pe seama folosirii caracteristicilor

mecanice artificiale. Numărul lor determină posibilităţile sistemului de acţionare electrică.

Cele mai largi posibilităţi le oferă sistemul generator-motor. Calitatea reglării depinde nu

numai de numărul caracteristicilor artificiale ci şi de forma lor. În cazul sarcinilor mici, când

momentul de sarcină este în jurul valorii M0 caracteristicile mecanice ale sistemului

generator-motor dau posibilităţi mari de schimbare a vitezei, în timp ce sistemul cu

alimentare directă a electromotorului are un domeniu mic de reglare a vitezei. (segmentul ab

din figurile 5.19 şi 5.20).

În cazul în care pentru sarcini mici, în jurul valorii M0, este necesar să se asigure o

viteză constantă de deplasare a cârmei, independent de oscilaţiile cuplului de sarcină,

caracteristicile mecanice moi care corespund cel mai bine sunt de asemenea cele asigurate

de sistemul generator-motor. Caracteristicile mecanice moi de formă hiperbolică au panta

mare în zona sarcinilor mici şi ca urmare la oscilaţiile sarcinii cu turaţia se modifică

(segmentul cd din figurile 5.19 şi 5.20).

Motoarele de curent continuu cu excitaţie derivaţie alimentate direct de la reţea, se

folosesc, de regulă, cu o rezistenţă permanent conectată în circuitul indusului, pentru

înmuierea caracteristicii mecanice şi pentru limitarea momentului de repaus sub curent.

Astfel de motoare se utilizează, de regulă, pentru puteri mici, până la 3kw, din cauza

pierderilor de energie pe rezistenţa permanent conectată.

Acest tip de motor se foloseşte, de asemenea, în sistemul generator-motor ca motor de

execuţie. În acest caz înfăşurarea de excitaţie derivaţie este folosită ca înfăşurare de excitaţie

independentă pentru regimurile de funcţionare intermitent şi de scurtă durată.

Motoare de curent continuu cu excitaţie mixtă, pentru diferite regimuri de lucru, la

încărcarea nominală, excitaţia serie creează 35% din valoarea totală a fluxului maşinii.

Motoare de acest tip se folosesc în mod obişnuit pentru puteri de până la 20kw.

Electromotoarele de curent alternativ folosite pentru acţionarea cârmei sunt de tipul

asincron în scurtcircuit şi asincron cu rotorul bobinat.

Motoare asincrone cu rotor în scurtcircuit, de construcţie normală, au caracteristica

mecanică rigidă. Pentru înmuierea caracteristicii mecanice şi pentru uşurarea pornirii se

construiesc motoare asincrone în scurcircuit speciale: cu dublă colivie, cu bare înalte şi cu

rezistenţa rotorului mărită. Astfel de motoare au alunecarea mărită în raport cu construcţiile

normale şi ca urmare caracteristica mai puţin rigidă.

Motoarele asincrone în scurtcircuit cu mai multe trepte de turaţie folosite în acţionarea

cârmei sunt în mod obişnuit cu două trepte de turaţie în raportul 2:1 sau 3:1. Valorile mari

ale curenţilor de pornire, pierderile interne însemnate de energie şi încălzirea, şocurile

mecanice în acţionare, sunt factori care limitează folosirea acestor tipuri de motoare în

acţionări ale cârmei.

Motorul asincron cu rotor bobinat se poate folosi pentru acţionarea cârmei, dar

utilizarea sa pentru acest scop este mai rar întâlnită.

5.4.3. Caracteristici mecanice şi tipuri de electromotoare folosite pentru cârme

cu transmisie hidraulică

Caracteristicile mecanice necesare sunt determinate de particularităţile transmisiei

hidraulice. Pentru acest tip de transmisie sunt necesare electromotoare cu caracteristica

rigidă care asigură menţinerea constantă a turaţiei pompei la modificări ale sarcinii.

Pentru nave electrificate în curent alternativ, care constituie majoritatea navelor, se

foloseşte motorul asincron în scurtcircuit cu alunecare normală. În tabelul 16.2 se prezintă

caracteristicile motoarelor electrice din seria AOM.

În cazul transmisiilor hidraulice motorul electric este folosit pentru funcţionare în regim

de lungă durată cu turaţie constantă şi cu sarcina variabilă în funcţie de debitul pe care îl

realizează pompa.

Limitarea momentului de repaus al acţionării, în cazul stopării cârmei sau şocurilor date

de valuri, se realizează în acest caz prin sistemul transmisiei hidraulice. La valori ale

presiunii fluidului de lucru care depăşesc de 1,5 ori valoarea nominală, acţionează un sistem

de valvule care limitează creşterea presiunii.

Regimul de lucru de lungă durată cu turaţia constantă, în unele cazuri, este asigurat de

motoare sincrone. Utilizarea acestora permite pe de o parte asigurarea regimului de lucru al

pompei cu turaţie constantă, iar pe de altă parte, contribuie la îmbunătăţirea factorului de

putere al reţelei navei.

5.5. Scheme electrice de comandă a acţionării cârmelor cu funcţionare simplă prin

contactoare şi relee

Schemele de comandă ale instalaţiilor de acţionare electrică a cârmelor trebuie să

asigure pornirea, reglarea vitezei, frânarea , inversarea sensului de rotaţie, limitarea

momentului de repaus sub curent şi protecţia electromotoarelor de acţionare.

Pentru puteri mici, aproximativ până la 10kw, sistemele de comandă cu contactoare şi relee

prezintă avantajul simplităţii şi al preţului de cost redus deoarece pentru astfel de puteri

cantitatea de aparataj electric necesară este redusă, ceea ce le conferă o funcţionare sigură şi

pierderi relativ mici de energie.

La puteri mari, care depăşesc 10kw, se măreşte considerabil cantitatea de aparataj

electric şi ca urmare se măreşte nesiguranţa în funcţionare, pierderile de energie pe

rezistenţele de pornire şi reglare sunt mari, preţul de cost creşte de asemenea şi de aceea în

astfel de cazuri schemele de comandă cu contactoare şi relee nu se recomandă. Pentru astfel

de puteri se foloseşte, de regulă, sistemul generator-motor.

În figura 5.21 sunt reprezentate elementele principale care compun schemele de

acţionare a cârmei prin contactoare şi relee.

Fig. 5.21. Elementele schemei bloc de comandă a acţionării cârmei prin

contactoare şi relee.

Semnificaţiile notaţiilor din figura 5.21 este următoarea:

TG - tabloul general de alimentare;

SM - staţie magnetică cu contactoare şi relee;

R - cutie cu rezistenţe;

C - comutator de posturi;

PC - post de comandă;

ME - electromotorul de execuţie;

LC - limitator de cursă.

În funcţie de felul curentului de la bordul navei, continuu sau alternativ, şi de puterea

necesară, motorul electric de execuţie poate fi: de curent continuu cu excitaţie derivaţie sau

mixtă, de curent alternativ de tip asincron în scurtcircuit cu o turaţie pentru puteri mici şi cu

două turaţii pentru puteri mai mari.

Scheme electrice de comandă pentru motoare de curent alternativ.

În aceste scheme pentru acţionarea electrică a cârmei se foloseşte de regulă, motorul

asincron în scurtcircuit cu alunecare mărită (dublă colivie sau bare înalte) cu una sau două

viteze. Motorul asincron cu rotor bobinat este mai rar întâlnit.

Motorul asincron în scurtcircuit cu alunecare mărită având una sau două viteze se

întrebuinţează pentru puteri până la 8-10 kW.

Alimentarea circuitelor de comandă ale acestor scheme se face fie în curent alternativ,

fie în curent continuu de la un redresor. Avantajul alimentării în curent continuu constă în

posibilitatea folosirii aparatajului electric de curent continuu care prezintă mai multă

siguranţă în funcţionare.

În figura 5.25 este prezentată schema electrică de comandă cu motor asincron având o

singură viteză.

Elementele componente ale schemei din figura 5.25 sunt: m1 - motor asincron în scurtcircuit cu alunecare mărită; C1, C2 - contactoare de cuplare a electromotorului pentru rotirea cârmei spre tribord

sau spre babord;

C3 - contactor de accelerare; C4 - contactor de frânare; d1, d2 - relee de timp; et1, et2 - relee termice pentru protecţie electromotorului; REM1, REM2 - bobine pentru revenirea electromagnetică a contactelor releelor

termice; b1, b2 - butoane de comandă; b3 - buton pentru comanda revenirii contactelor releelor termice; h1, h2, h3 - lămpi de semnalizare a poziţiei cârmei; b4 - contactele limitatorului de cursă; m2 - transformator; n - punte redresoare; R - rezistenţe de pornire. Se aplică tensiunea reţelei de alimentare prin închiderea întrerupătorului a. Se

aprinde lampa h2, lumină albă, indicând poziţia cârmei în planul diametral, celelalte elemente ale schemei rămân în poziţia reprezentată în schemă.

Pentru rotirea cârmei spre tribord se apasă pe butonul b1. Prin apăsarea pe acest buton se închide circuitul de alimentare a contactorului C1 şi acesta prin contactele sale principale cuplează înfăşurarea statorică la reţea. Motorul porneşte având conectate rezistenţele R de limitare a curenţilor de pornire în serie cu înfăşurările statorului.

În acelaşi timp se deschide contactul C1 (3-5) şi se închid contactele C1 (2-4) şi C1 (6-

8). Închizându-se contactul C1 (2-4) se stabileşte circuitul de alimentare al releului d1 şi

acesta după un anumit timp îşi va închide contactul d1 (2-4).

Temporizarea la închidere a acestui contact se alege astfel încât regimul tranzitoriu

de scădere a curentului de pornire până la valoarea normală să se termine. La închiderea

contactului C1 (6-8) este alimentat releul d2 şi contactul acestuia, d2 (2-4), se închide.

Bobina contactorului de frânare C4 rămâne în continuare nealimentată, deoarece în circuitul

său este deschis contactul C1 (3-5).

După un timp, se închide contactul d1 (2-4) şi este alimentat C3 care scurtcircuitează

rezistenţele R conectând înfăşurarea motorului la întreaga tensiune a reţelei. Motorul

funcţionează pe caracteristica lui naturală şi roteşte cârma spre tribord. Mişcarea durează atâta

timp cât se ţine apăsat butonul b1.

Pentru oprire se eliberează butonul b1 care revine în poziţia normală. Prin acesta se

întrerupe circuitul contactorului C1 şi motorul este deconectat de la reţea. Se închide

contactul C1 (3-5) şi se deschide contactul C1 (6-8) prin care se întrerupe alimentarea

releului d2.

Pentru un anumit timp, dat de temporizarea la deschidere a contactului d2 (2-4), se

stabileşte circuitul de alimentare a contactorului de frânare, C4, ale cărui contacte principale

se închid şi cuplează alimentarea în curent continuu a două faze ale înfăşurării statorice.

Motorul deconectat de la reţea trece în regim de frânare dinamică.

În rotorul care se învârteşte sub acţiunea forţelor de inerţie în câmpul magnetic constant

dat de curentul continuu ce trece prin cele două faze ale înfăşurării statorului se induc

curenţi care vor da naştere unui cuplu de frânare. Timpul de frânare se fixează prin reglarea

temporizării la deschidere a contactului d2 (2-4).

Fig. 5.25 Schema electrică de comandă cu contactoare şi relee a acţionării cârmei cu

motor asincron în scurtcircuit având o singură viteză.

Frânarea mecanică a electromotorului nu se întrebuinţează în schemele de acţionare a

cârmei, deoarece nu poate avea o funcţionare sigură datorită numărului mare de conectări şi

deconectări pe oră la care este supus electromotorul cârmei în timpul exploatării instalaţiei

de guvernare.

Dacă în timpul rotirii cârmei este depăşit unghiul maxim admis, se deschide contactul

limitatorului de cursă, b4 (1-2), care întrerupe circuitul contactorului C1. Electromotorul

este deconectat de la reţea şi trecut în regim de frânare dinamică cu toate că apăsarea pe

butonul b1 continuă.

Pentru rotirea cârmei în celălalt bord se apasă pe butonul b2 şi se închide circuitul

bobinei contactorului C2. Contactele principale ale acestuia conectează înfăşurarea

statorului la reţea, cu două faze inversate faţă de cazul anterior. Prin aceasta sensul de rotaţie

a motorului asincron se schimbă şi cârma este deplasată spre bordul babord. În continuare

funcţionarea este aceeaşi ca în cazul rotirii cârmei spre tribord.

Ca şi în schemele studiate anterior limitarea unghiului maxim de rotire a cârmei şi în

acest caz este realizată de contactele b4 (1-2) şi b4 (3-4) ale limitatorului de cursă.

Limitarea momentului de repaus sub curent în cazul motoarelor asincrone în scurtcircuit

se realizează prin măsuri constructive, alegând motoare cu alunecare mărită.

Protecţia la suprasarcină este asigurată de releele termice, et, a căror acţionare este

temporizată pentru a evita funcţionarea lor la curenţii de pornire sau suprasarcini de scurtă

durată.

La apariţia unei suprasarcini care se menţine, acţionează unul sau ambele relee şi prin

deschiderea contactelor et1 (3-5), et2 (3-5) electromotorul este scos din funcţiune. După

acţionare, contactele rămân blocate în poziţia deschisă şi pentru readucerea lor în poziţia

normală (închisă) se apasă pe butonul b3, sunt alimentate bobinele de revenire

electromagnetică, REM şi acestea înlătură blocajul mecanic şi aduc contactele în poziţia

iniţială, normal închisă. În acelaşi timp, la apăsarea butonului b3 prin închiderea contactului

b3 (3-4) se anulează acţiunea protecţiei de suprasarcină. În acest fel, în anumite situaţii şi pe

o durată de timp limitată, se poate menţine funcţionarea electromotorului în suprasarcină.

Comanda cu contactoare şi relee în curent alternativ a acţionării cârmei cu motor

asincron în scurtcircuit având două trepte de viteză este prezentată în figura 15.26.

Statorul motorului asincron are două înfăşurări separate, construite cu numere de poli

diferite.

Elementele componente ale schemei electrice de acţionare sunt:

m1 - motor asincron în scurtcircuit cu două trepte de viteză;

C1, C2 - contactoare de cuplare a electromotorului pentru rotirea cârmei spre tribord

sau spre babord;

C3, C4 - contactoare pentru schimbarea treptelor de viteză;

C5 - contactor de frânare;

d - releu de timp;

et1 et4 - relee termice pentru protecţie la suprasarcină;

REM1 REM4 - bobine pentru revenirea electromagnetică a contactelor releelor

termice;

b(1-1’) b(6-6’)- contactele controlerului de comandă;

b1 - contactele limitatorului de cursă;

h1, h2, h3 - lămpi de semnalizare a poziţiei cârmei;

m2 - transformator;

n - punte redresoare.

După aplicarea tensiunii de alimentare de la reţeaua bordului, prin închiderea

întrerupătorului a, situaţia elementelor schemei nu se schimbă faţă de cea prezentată în figura

15.26. Dacă cârma se află în planul diametral este închis contactul limitatorului de cursă b1

(7-8) şi se aprinde lampa h2, culoarea albă.

Pornirea, inversarea sensului de rotaţie şi oprirea electromotorului se fac cu ajutorul

controlerului de comandă. Poziţia 0 corespunde stării de repaus, poziţia 1 - funcţionării cu

viteză mică, iar poziţia 2 - funcţionării cu viteză mare.

Pentru deplasarea cârmei în bordul tribord se pune maneta controlerului pe poziţia 1 şi

se închid contactele b (1-1’), b (3-3’), b (6-6’) şi se deschide contactul b (5-5’). Sunt

alimentate contactoarele C1 şi C3 care cuplează electromotorul la reţea pentru funcţionare

cu viteză minimă, în sensul rotirii cîrmei spre tribord. Se deschid contactele C1 (3-5) şi C3

(3-5) care blochează funcţionarea contactoarelor C2 şi C4. Se închide contactul C1 (2-4) şi

se deschide contactul C1 (7-9). Prin contactele b (6-6’) şi C1 (2-4) este alimentat releul de

timp d care închide contactul d (2-4).

Contactorul C5 rămâne în continuare nealimentat întrucât în circuitul său sunt deschise

contactele b (5-5’) şi C1 (7-9). La trecerea controlerului pe poziţia 2 se deschide deschide

contactul b (3-3’) şi se închide contactul b (4-4’), este întrerupt circuitul bobinei

contactorului C3 şi se închide circuitul bobinei contactorului C4. În circuitul principal al

motorului se deschid contactele C3 şi se închid contactele C4 prin care se conectează

înfăşurarea corespunzătoare vitezei mari.

Pentru oprire se aduce maneta controlerului în poziţia zero.Se închide contactul b (5-5’),

se întrerupe circuitul de alimentare a releului de timp d, însă contactul acestuia d (2-4) fiind

cu temporizare la deschidere nu se deschide imediat şi pentru o anumită durată se stabileşte

circuitul de alimentare a contactorului de frânare C5, care conectează alimentarea a două

faze ale înfăşurării statorului de la redresorul n. În această situaţie, electromotorul

deconectat de la reţea trece în regim de frânare dinamică. Timpul de frânare dinamică este

determinat de temporizarea la deschidere a contactului d (2-4).

Contactele C1 (3-5) şi C2 (3-5) nu permit funcţionarea simultană a contactoarelor C1 şi

C2 constituind un blocaj electric între acestea. Acelaşi blocaj electric se aplică şi pentru

contactoarele C3, C4 care nu trebuie să funcţioneze simultan. Protecţia la suprasarcină este

realizată de releele termice et. Releele termice de suprasarcină se montează pe fiecare fază a

înfăşurării statorice sau numai pe două faze, aşa cum este cazul din figura 5.26. Avându-se

în vedere că suprasarcina apare totdeauna cel puţin între două faze, electromotorul este

protejat suficient dacă se montează relee termice numai pe două faze ale înfăşurării sale.

Fig. 5.26. Schema electrică de comandă cu contactoare şi relee a acţionării cârmei cu

motor asincron în scurtcircuit având două trepte de viteză.

Protecţia este mai sigură dacă se pun relee termice pe fiecare fază, deoarece în acest caz

curentul de suprasarcină se închide cel puţin prin două relee termice şi probabilitatea de

funcţionare a acestora este mai mare.

După ce au acţionat, contactele releelor termice rămân blocate în poziţia deschis. Pentru

revenirea lor în poziţia normal închisă se apasă pe butonul b2, sunt alimentate bobinele

REM1 REM4, care readuc contactele et în poziţia iniţială. Şi în acest caz la apăsarea

butonului b2 se anulează, pe durata apăsării, protecţia la suprasarcină şi electromotorul

poate funcţiona în aceste condiţii o anumită durată de timp.

Schemele de comandă prin contactoare şi relee a acţionării cârmei se folosesc de regulă

pentru nave mici costiere, portuare, sau fluviale, care necesită puteri mici ale

electromotorului de acţionare şi reprezintă o soluţie simplă şi sigură în funcţionare pentru

astfel de nave.

5.7. Scheme electrice de comandă a cârmelor cu funcţionare sincronizată prin

sistemul generator-motor

La funcţionarea sincronizată a cârmei unghiului de rotire al timonei determină rotirea

cârmei cu un unghi egal sau proporţional cu al timonei. Prin rotirea timonei cu unghiul

necesar într-unul din borduri, se pune în funcţiune sistemul de acţionare şi cârma începe să

se rotească. Când cârma este rotiră cu acelaşi unghi ca şi timona, sistemul de acţionare se

opreşte automat.

Schemele de comandă a acţionării electrice a cârmelor cu funcţionare sincronizată au

căpătat o largă răspândire. Printre sistemele de urmărire folosite în astfel de scheme se

întrebuinţează frecvent sistemul de urmărire potenţiometric şi sistemul de urmărire cu

contacte.

Sistemul de urmărire potenţiometric este prezentat, în principiu, în figura 5.31.

Înfăşurarea de excitaţie a excitatricei Ex este conectată în diagonala unei punţi

potenţiometrice, între punctele A şi B. Contactul alunecător B este cuplat mecanic cu axul

cârmei, iar contactul alunecător A este cuplat mecanic cu timona postului de comandă.

Atunci când cârma se găseşte în planul diametral al navei şi timona pe poziţia zero,

contactele alunecătoare A şi B se situează astfel încât braţele punţii potenţiometrice sunt

egale şi tensiunea între punctele A şi B este nulă. Ca urmare, curentul în înfăşurarea EI Ex

este zero, tensiunea generatorului G este nulă şi motorul cârmei, MC, se află în repaus.

Prin rotirea timonei cu un unghi oarecare faţă de poziţia zero, se deplasează contactul

alunecător A proporţional cu unghiul de rotire al timonei şi puntea potenţiometrică se

dezechilibrează. Între punctele A şi B apare o tensiune a cărei valoare depinde de unghiul cu

care s-a rotit timona. Înfăşurarea EI Ex este parcursă de curent şi la bornele excitatricei

apare o tensiune ce se aplică înfăşurării EIG. Generatorul fiind excitat produce energie

electrică cu care se alimentează motorul cârmei MC şi acesta la rândul său va roti cârma.

Mişcarea cârmei este transmisă contactului alunecător B, care se deplasează astfel încât să

fie restabilit echilibrul punţii. Mişcarea electromotorului cârmei, MC, încetează atunci când

pana cârmei este rotiră cu acelaşi unghi ca şi timona şi echilibrul punţii a fost restabilit.

Fig. 5.31. Schema de principiu a sistemului de urmărire potenţiometric

În forma prezentată, schema din figura 5.31 nu permite folosirea integrală a puterii

maşinilor electrice. Pentru deplasări mari ale timonei tensiunea care se aplică motorului

cârmei are valori mari şi el funcţionează cu parametrii apropiaţi de cei nominali. Pe măsură

ce se reduce diferenţa între unghiul timonei şi cel al cârmei se micşorează tensiunea aplicată

motorului cârmei şi în consecinţă se reduce turaţia şi puterea sa. O soluţie de rezolvare a fost

oferită de firma germană AEG care a realizat sistemul de urmărire cu contacte reostatice.

Sistemul de urmărire cu contacte este prezentat în figura 5.35.

Concordanţa poziţiei unghiulare a timonei şi a cârmei în această schemă se realizează

cu ajutorul instalaţiei de urmărire de tip contact.

Instalaţia se compune din discul de urmărire (1) cu două semiinele de contact (2) şi (3),

separate de două porţiuni izolate şi o rolă de contact care alunecă pe semiinele.

Fig. 5.35. Schema de principiu a sistemului de urmărire cu contacte.

Semiinelele sunt legate prin perii de discurile (4) şi (5), care la rândul lor sunt legate la

capetele înfăşurărilor de excitaţie aparţinând excitatricei, Ex.

Discurile (1), (4) şi (5) sunt fixate rigid pe un ax cuplat printr-o transmisie mecanică cu

timona postului de comandă, iar rola este cuplată printr-o altă transmisie mecanică sau

electrică (cu ajutorul selsinelor) cu axul cârmei.

Când timona se află în poziţia zero şi cârma se găseşte în planul diametral al navei,

semiinelele de contact şi rola se stabilesc în aşa fel încât rola calcă pe porţiunea izolată.

Curentul în înfăşurarea EI Ex1 sau Ei Ex2 este zero şi motorul cârmei, MC, este în repaus.

La rotirea timonei cu un unghi oarecare se roteşte cu acelaşi unghi şi discul (1), rola

face contact cu semiinelul (2) sau (3) şi se stabileşte circuitul de alimentare a uneia din

înfăşurările de excitaţie ale excitatricei. Motorul cârmei este pus în funcţiune şi cârma se

roteşte în bordul respectiv. Odată cu deplasarea cârmei se roteşte şi rola în sensul în care s-a

rotit discul (1). Funcţionarea motorului MC durează până când rola ajunge pe porţiunea

izolată. În acest moment circuitul înfăşurării de excitaţie a excitatricei se întrerupe şi

motorul MC se opreşte. Unghiul de rotire al cârmei coincide cu cel al timonei.

Pentru a asigura stabilitatea în funcţionare a sistemului se iau măsuri de mărire a

porţiunii izolate şi de reducere a timpului de frânare.

5.8. Acţionarea electrohidraulică a cârmelor cu funcţionare sincronizată

În transmisiile hidraulice pentru urmărirea comenzii timonei şi deplasarea manipulatorului

pompei de debit variabil în poziţia de lucru, se folosesc două sisteme de urmărire mecanică: cu

pârghii şi cu diferenţial conic.

Acţionarea electrohidraulică cu sistem de urmărire cu pârghii este prezentată în

figura 5.36.

Ca sistem de urmărire electrică a comenzii dată de timonă este folosită acţionarea

generator-motor cu sistem de urmărire cu contacte reostatice descrisă în paragraful 5.7 şi

reprezentată în figura 5.36.

Elementele sistemului de urmărire electrică din figura 5.36 sunt: transmiţătorul acţionat de

timonă 16; receptorul legăturii inverse 17; excitatricea 11 cu două înfăşurări de excitaţie

diferenţiale; servomotorul electric de execuţie 8 având indusul alimentat direct de excitatrice şi

înfăşurarea de excitaţie independentă alimentată de la un redresor de curent continuu.

Servomotorul electric 8 fiind de putere mică nu mai este necesară treapta de amplificare,

reprezentată în schema din figura 5.33, cu generator de curent continuu.

Pentru acţionarea transmisiei hidraulice sistemul de urmărire electrică se continuă cu un

al doilea sistem de urmărire mecanică de tipul cu pârghii. Acest sistem se compune din

şurubul fără sfârşit 9 acţionat printr-o transmisie melc-roată melcată 7 de către servomotorul

electric 8; piuliţa 10; tija de comandă 13 legată printr-o articulaţie de piuliţa 10 şi prin glisiere

cu pârghia 5 care acţionează manipulatorul pompei şi cu pârghia 14 cuplată cu axul cârmei.

Reprezentarea cu linie plină a sistemului de urmărire cu pârghii corespunde poziţiei de

repaus a acţionării. Manipulatorul pompei este în poziţia de debit nul, punctul de intersecţie al

pârghiilor 5 şi 13 este în b.

La deplasarea timonei cu un unghi oarecare în unul din borduri, prin sistemul de

urmărire electrică se pune în funcţiune servomotorul electric 8 care prin angrenajul 7 şi

şurubul 9 deplasează piuliţa 10 spre dreapta sau spre stânga în funcţie de bordul în care se

comandă rotirea cârmei. Considerăm că deplasarea se face spre dreapta în poziţia c1.

Întrucât iniţial punctul a al tijei de comandă 13, legat mecanic cu axul cârmei, este fix, se

deplasează pârghia 5 a manipulatorului pompei, spre dreapta, pe distanţa b b1.

Fig. 5.36. Acţionarea electrohidraulică a cârmei cu sistem de urmărire cu pârghii

1 - valvule de transfer; 2 - robinet de transfer; 3 - rezervor de ulei; 4 - ventile; 5 -

manipulator pompă; 6 - pompă; 7 - angrenaj melc-roată melcată; 8 - servomotor electric de

c.c.; 9 - şurub fără sfârşit; 10 - piuliţă; 11 - generator de c.c. cu excitaţie diferenţială; 12 -

motor asincron în scurtcircuit pentru acţionarea pompei; 13 - tijă de comandă; 14 - legătura

mecanică inversă, de la axul cârmei; 15 - resort amortizor; 16, 17 - transmiţător şi receptor

în sistemul de urmărire electrică; 18 - rama comună pistoanelor; 19 - mufa de legătură; 20 -

echea cârmei; 21 - echea pentru comanda de avarie cu cabluri trase de cabestanul pupa; 22 -

scripeţi.

Deplasarea manipulatorului are ca urmare deplasarea excentricului pompei de debit

variabil. Pompa începe să debiteze şi transferă uleiul dintr-un cilindru în celălalt producând

mişcarea de translaţie a pistoanelor care se transmite prin eche la axul cârmei. Axul cârmei

se roteşte în sensul comandat de timonă şi mişcarea sa se transmite pârghiei 14 care

deplasează punctul a spre stânga. Când cârma s-a rotit cu unghiul comandat de timonă,

pârghia 14 deplasează punctul a în poziţia a1. Tija de comandă 13 ocupă poziţia c1 ba1 care

corespunde unei noi stări de echilibru, pârghia 5 aduce manipulatorul pompei în poziţia de

debit nul şi transmisia hidraulică încetează.

În situaţia în care se comandă un unghi mare de deplasare a cârmei, în acelaşi timp cu

rotirea timonei începe cu o mică întârziere şi funcţionarea sistemului de urmărire cu pârghii

al transmisiei hidraulice. Mişcarea continuă a timonei spre unghiul comandat este urmărită

de mişcarea cârmei şi după oprirea timonei cu o mică întârziere se opreşte şi cârma care a

ajuns la înclinarea comandată.

În transmisiile hidraulice limitarea momentului de repaus sau a suprasarcinilor care

apar la lovituri ale cârmei produse de valuri sau obiecte (gheaţă, buşteni) se face pe partea

hidraulică prin valvule de siguranţă. Suprasarcina creată de înţepenirea sau blocarea cârmei

are ca rezultat creşterea presiunii fluidului de lucru. Valvulele de siguranţă acţionează la

creşterea presiunii de 1,5 ori peste valoarea nominală şi conduc o parte din fluid de la

refulare spre aspiraţie limitând în acest mod creşterea presiunii. În schema din figura 4.36

valvulele de transfer 1 au acest rol de limitare a creşterii presiunii fluidului de lucru.În caz

de avarie, prin deschiderea robinetului 2 se egalizează presiunile la admisie şi la refulare în

cei doi cilindri, iar echea cârmei 21 este acţionată prin tracţiunea în cabluri, efectuată cu

ajutorul cabestanului din pupa navei.

Acţionarea electrohidraulică pentru maşina de cîrmă cu palete, tip FRYDENBÖ

este prezentată în figura 5.41.

Pentru realizarea presiunii fluidului de lucru se folosesc două pompe identice. Pompa

nr. 1 asigură regimul normal de lucru, iar pompa nr. 2 intră în funcţiune pe durate scurte de

timp în cazul în care pompa nr. 1 lucrează în suprasarcină. Schema transmisiei hidraulice

este mai simplă comparativ cu cazurile prezentate anterior. Pompa lucrează cu debit

constant iar sensul de circulaţie al fluidului de lucru în maşina cârmei se stabileşte de un

sertar de distribuţie care are la capete doi electromagneţi. Când electromagneţii nu sunt

alimentaţi, sertarul ocupă poziţia mediană, presiunile în conductele de refulare şi admisie

sunt egale, maşina hidraulică cu palete este în repaus şi cârma este situată în planul

diametral. Dacă este alimentat unul din electromagneţi, sertarul distribuitor este atras spre

stânga sau spre dreapta realizând un anumit sens al presiunii fluidelor de lucru (în fig. 5.13

conductele haşurate sunt sub presiune) şi ca urmare se roteşte în sensul respectiv tamburul

cu palete şi cârma care este solidară cu acest tambur. Se poate aprecia că sistemul de

distribuţie a fluidului înglobează în aceeaşi construcţie, două electrovalvule.

Principalele elemente componente ale schemelor electrice din figura 5.41 sunt:

m - motor asincron în scurtcircuit pentru acţionarea pompei;

m1, m2 - transformatoare 380/24 V;

m3 - transformator 220/24 V;

n1, n2 - punţi redresoare;

C1 - contactor pentru cuplarea motorului electric;

C2, C3 - contactoare pentru alimentarea instalaţiei de guvernare;

d1, d2 - relee pentru pornirea şi oprirea motorului electric;

d’1 - releu de timp pentru pornirea de scurtă durată a pompei nr. 2;

d3 - releu pentru controlul tensiunii de alimentare a electrovalvulelor;

d4 - releu intermediar pentru acţiunea protecţiei la suprasarcină;

d5, d6 - relee pentru comutarea semnalizării la avarie;

d7, d8 - relee pentru comanda electrovalvulelor;

b1, b2 - butoane pentru pornirea şi oprirea motorului electric;

b3 - buton de comutare a semnalului de avarie;

b4, b5 - butoane pentru comanda manuală directă a electrovalvulelor;

a1 - întrerupător automat;

a2, a3 - comutatoare pentru stabilirea regimului de funcţionare;

S1, S2 - electrovalvulele de comandă a sensului de circulaţie a fluidului de lucru în

maşina cârmei;

Alimentarea cu energie electrică se face din tabloul principal de distribuţie (TPD) prin

două circuite dispuse pe cele două borduri ale navei ca şi în cazul schemei prezentată în

figura 5.39.

a. Schema de comandă a motorului electric. Pentru pornire se apasă pe butonul b1, este

alimentat releul d1 şi acesta închide contactele d1 (2-4) şi d1 (6-8) realizând alimentarea

contactorului C1 şi reţinerea alimentării proprii la încetarea apăsării pe butonul b1. Se închid

contactele contactorului C1, motorul electric porneşte şi antrenează pompa cu turaţie constantă.

Pentru oprire se apasă butonul b2, este alimentat releul d2 şi acesta deschide contactul

d2 (3-5) prin care întrerupe alimentarea releului d1 şi motorul electric este deconectat la

reţea prin deschiderea contactelor C1.

b. Schema de comutare a regimurilor de funcţionare. Alegerea regimului de lucru se

face prin fixarea în poziţa corespunzătoare a comutatoarelor a2 şi a3.

În regim manual, cu funcţionare simplă, prin apăsarea butoanelor b4, b5 se conectează

alimentarea electrovalvulelor S1 sau S2 şi cârma se roteşte spre stânga sau spre dreapta în

funcţie de butonul care a fost apăsat. Mişcarea durează cât timp se ţine apăsat butonul şi

unghiul de înclinare al cârmei este arătat de axiometru. În cazul în care depăşeşte unghiul

maxim admis, limitatorul de cursă, care nu este reprezentat în schemă, întrerupe alimentarea

electrovalvulei şi instalaţia de alimentare se opreşte.

În regim manual, cu funcţionare sincronizată, comanda cârmei este dată prin sistemul

de urmărire cu contacte reostatice al cărui principiu de funcţionare a fost prezentat în

subcapitolul 5.7. Spre deosebire de schema de principiu din figura 5.31, în schema

prezentată în figura 5.41, poziţia b, la dezechilibrarea punţii prin rotirea timonei cu un

anumit unghi, tensiunea care se obţine la periile A, B este amplificată şi aplicată în funcţie

de polaritatea releelor d7 sau d8. Prin acţionarea unuia din relee, se stabileşte alimentarea

pentru electrovalvula corespunzătoare şi se pune în funcţiune acţionarea cârmei. Mişcarea

cârmei încetează când unghiul ei de rotire este acelaşi cu cel comandat de timonă.

Pentru funcţionarea în regim automat se pune comutatorul a2 pe poziţia “AUTOMAT”.

În acest regim de funcţionare alimentarea electrovalvulelor este dată de schema de comandă

a pilotului automat. În cazul pilotului automat ANSHUTZ se foloseşte un sistem de urmărire

cu contacte a cărui schemă de principiu a fost prezentată în figura 5.35. Atunci când nava se

abate de la drum se închide unul din contacte, este alimentat un releu şi acesta comandă

alimentarea electrovalvulei care realizează în final deplasarea cârmei în aşa fel încât nava să

revină la drum.

Fig. 5.41. Schema electrică de comandă a acţionării electrohidraulice pentru maşina de

cârmă cu palete, FRYDENBÖ.

a - schema de comandă a electromotorului pompei;

b - schema de comutare a regimurilor de funcţionare şi sistemul de urmărire;

c - schema de semnalizare şi alarmă.

c. Schema electrică de semnalizare şi alarmă. La pornirea motorului, prin închiderea

contactului C1 (2-4) se alimentează lampa h1, culoare verde, care indică funcţionarea

pompei. Protecţia electromotorului la suprasarcină este realizată de releele termice, et, care

acţionează prin intermediul releului d4. La apariţia suprasarcinii se închide cu temporizare,

contactul et (2-4), este alimentat releul d4 şi se închide contactul d4 (2-4) prin care este

alimentat releul d’1. Acest releu va realiza pornirea pompei nr. 2 care nu este prezentată în

schemă dar, care are o schemă similară cu a pompei nr. 1. Durata de funcţionare a pompei

nr. 2 este dată de temporizarea la deschidere a contactului d’1 (3-5). La întreruperea

alimentării releului d’1. dacă suprasarcina se manifestă în continuare, se va realiza o nouă

pornire a pompei nr. 2. Funcţionarea intermitentă a pompei nr. 2 va continua până la

anularea suprasarcinii sau întreruperea voită a instalaţiei. În acelaşi timp, regimul de

funcţionare în suprasarcină, este semnalizat sonor prin închiderea contactului d4 (6-8) şi

alimentarea buzerului h4. Pentru comutarea din semnal sonor în semnal optic, se apasă pe

butonul b3, sunt alimentate releele d5, d6 şi prin comutarea contactelor lor se realizează:

întreruperea buzerului; alimentarea lămpii de semnalizare h3, culoare galbenă;

automenţinerea alimentării releelor.

Absenţa tensiunii de alimentare a electrovalvulelor, sesizată de releul d3 care închide

contactul d3 (3-5), este marcată de aprinderea lămpii h2, de culoare roşie.

5.9 Pilotul automat

În timpul navigaţiei, pentru menţinerea navei pe drumul dat, este necesar ca periodic

să se bandeze cârma la diferite unghiuri, într-un bord sau altul, aşa încât drumul real al navei

nu este o linie dreaptă, ci o linie sinuoasă.

Cu cât abaterile sunt mai mari (timonierul mai puţin experimentat), cu atât se reduce

viteza medie de înaintare a navei.

Reducerea numărului de bandări ale cârmei necesare pentru menţinerea navei pe

drumul dat ar duce la sporirea vitezei sale medii, deci la o economie de combustibil. Aceste

consideraţii scot în evidenţă avantajul menţinerii automate a navei pe drumul dat. În figura

15.42 se prezintă diagramele drumului navei şi mişcării cârmei, ridicate experimental pentru

regimurile de funcţionare cu pilot automat şi cu comandă manuală, pentru menţinerea navei

pe drum constant.

Diagramele prezentate în figura 5.42 au fost ridicate pentru un anumit tip de navă şi

în condiţiile de navigaţie: mare de gradul 2 şi forţa vântului 3. Din aceste reprezentări

grafice rezultă cu claritate avantajele conducerii cu pilotul automat.

Rezultatele practice arată că la o cursă lungă viteza medie a navei care foloseşte

pilotul automat se măreşte până la 3%, iar numărul de fixări ale cârmei se reduce de 1,5 - 2

ori. În afară de aceasta se uşurează conducerea navei, iar într-o serie de cazuri nu mai este

necesar timonierul pentru menţinerea navei pe drum.

Pentru ca sistemul de comandă automată (pilotul automat) să poată menţine drumul

navei cu suficientă exactitate este necesar ca el să îndeplinească următoarele funcţiuni:

a) La abaterea navei de la drumul dat, sistemul trebuie să bandeze cârma cu un

unghi suficient pentru ca nava să înceapă întoarcerea la drumul dat. Acest unghi iniţial al

cârmei depinde de tipul navei şi de condiţiile de navigaţie.

b) Imediat ce nava începe să revină la drum, sistemul trebuie să înceapă întoarcerea

cârmei în planul diametral, mai înainte ca nava să ajungă la drumul dat.

c) La revenirea navei pe drumul dat, sistemul trebuie să reţină nava, adică să

bandeze cârma cu un unghi mic în partea opusă bandării iniţiale.

d) Trebuie să se prevadă posibilitatea lărgirii zonei insensibile la abaterile navei în

funcţie de condiţiile în care se navigă. Pe mare calmă sistemul se reglează să acţioneze la

unghiuri mici de abatere a navei de la drumul dat, în timp ce pe mare agitată sistemul se reglează

pentru a acţiona la unghiuri mari, dându-se astfel o libertate mai mare de abatere a navei de la

drum.

Fig. 5.42. Diagramele de drum pentru menţinerea navei pe drum constant

în regimurile de funcţionare: pilot automat şi comandă manuală.

Deoarece toate sistemele de acţionare automată a instalaţiilor de cârmă folosesc

girocompasul pentru menţinerea unei direcţii constante, ele se mai numesc girotimone sau

giropilot.

Schema de comandă automată cu contacte a acţionării cârmei, prezentată în figura

5.43, a fost utilizată pentru prima dată la realizarea pilotului automat. Păstrând în esenţă,

acest principiu şi perfecţionându-l continuu pe baza progresului tehnic actual, piloţii

automaţi realizaţi de firmele europene: AEG, ANSCHUTZ(Germania), ELECTROPRIBOR

(Rusia), DECCA NAVIGATOR (Anglia) sunt utilizate frecvent la nave datorită

performanţelor lor tehnice, siguranţei în funcţionare şi simplităţii lucrărilor de întreţinere şi

reparaţii. Acest tip de pilot automat poate fi adaptat la orice sistem de acţionare electrică a

cârmei.

Concordanţa poziţiei unghiulare a cârmei şi a navei în schema de comandă automată se

realizează cu ajutorul sistemului de urmărire de tipul cu contacte. Sistemul se compune din două

semiinele de contact 1 şi 2, separate de o porţiune izolată şi rola 3, care alunecă pe semiinele.

Semiinelele de contact sunt legate prin perii cu bobinele contactoarelor C1 şi C2, ale căror

contacte conectează alimentarea înfăşurării de excitaţie a generatorului, în cazul acţionării

electrice a cârmei prin sistemul genrator-motor.

Semiinele sunt fixe faţă de navă, iar rola este cuplată printr-un mecanism diferenţial 5 cu

selsinul receptor 4 al girocompasului şi cu selsinul receptor 6 al transmisiei unghiului de

înclinare a cârmei.

Fig. 5.43. Schema de comandă automată cu contacte a acţionării cârmei.

Când nava se găseşte pe drumul dat, iar pana cârmei este în planul diametral al navei,

rola calcă pe porţiunea izolată, bobinele contactoarelor C1 şi C2 nu sunt alimentate, curentul

prin excitaţia generatorului este nul şi motorul cârmei se află în repaus (poziţia 1, figura

5.44).

Dacă nava sub influenţa forţelor exterioare (vânt, valuri, curenţi) se abate de la drumul

dat, atunci intră în funcţiune schema de comandă automată şi nava este readusă la drumul

iniţial. În figura 15.44 sunt arătate poziţiile succesive ale navei şi ale cîrmei, pe timpul

acţiunii pilotului automat, pentru readucerea navei la drumul dat. Notaţiile folosite pentru

unghiurile de înclinare reprezintă: - unghiul de înclinare a navei; - unghiul de rotire a

cârmei; - unghiul dintre axul rolei şi porţiunea izolată dintre semiinele.

Când nava se abate de la drumul dat cu un unghi oarecare, selsinul receptor 4 al

girocompa-sului roteşte rola cu unghiul corespunzător deviaţiei navei şi rola va realiza

contactul cu unul din semiinelele 1 sau 2. Prin aceasta se închide circuitul bobinei unui

contactor (C1 sau C2) şi este cuplată alimentarea excitaţiei generatorului G. Motorul începe

să funcţioneze deplasând cârma într-unul din borduri astfel încât nava să se întoarcă la

drumul iniţial. Cu o anumită întârziere, mişcarea cârmei, prin sistemul de urmărire electrică

cu selsine, se transmite diferenţialului mecanic 5 şi rola se mişcă în sens invers, în

întâmpinarea porţiunii izolate, pentru reducerea unghiului de dezacord (poziţia 2,

figura 15.44).

Fig. 5.44 Poziţiile succesive ale navei şi ale cârmei pe timpul funcţionării pilotului

automat pentru readucerea navei la drumul dat.

Atunci când unghiul de dezacord se anulează, = 0, rola calcă din nou pe porţiunea izolată, mişcarea motorului electric MC încetează, iar cârma este bandată cu unghiul maxim (poziţia 3, figura 5.44). Sub acţiunea cârmei nava îşi continuă întoarcerea spre drumul iniţial şi rola va fi în contact cu celălalt semiinel provocând mişcarea în sens invers a electromotorului cârmei, care va începe rotirea cârmei spre planul diametral. Mişcarea cârmei se transmite rolei care se mişcă în întâmpinarea porţiunii izolate (poz. 4, figura 5.44).

Când nava a ajuns pe drumul iniţial, cârma va fi în planul diametral al navei, rola calcă pe porţiunea izolată şi mişcarea încetează.

Întârzierea pentru legătura inversă de la axul cârmei la rolă este necesară deoarece altfel pentru revenirea navei la drumul iniţial ar fi necesare mai multe impulsuri de conectare a acţionării electrice. În absenţa întârzierii legăturii inverse, la cea mai mică deviaţie a navei intră în funcţiune sistemul şi roteşte cârma cu un unghi mai mic. Acest unghi mic de cârmă este insuficient pentru a influenţa asupra navei şi la creşterea în continuare a deviaţiei navei de la drum, se produce o nouă punere în funcţiune a acţionării, astfel încât sunt necesare mai multe impulsuri de conectare a acţionării până se ajunge la o anumită valoare a unghiului de rotire a cârmei capabil să influenţeze revenirea navei la drum.

Reglarea întârzierii legăturii inverse se face în funcţie de tipul navei şi inerţia ei, gradul

de încărcare al navei, intensitatea acţiunii forţelor exterioare asupra navei (gradul mării,

forţa şi direcţia vântului).

Această reglare se introduce manual prin rotirea butonului 8.

Schimbarea vitezei de urmărire a mişcării cârmei de către rolă se realizează prin

modificarea, cu ajutorul butonului 9, a raportului de transmisie dintre axul selsinului

receptor 6 şi diferenţialul mecanic 5.

Pentru micşorarea sensibilităţii, atunci când se navigă în condiţii de vreme rea, se

acţionează manual şi prin rotirea butonului 10 se măreşte lăţimea porţiunii izolate. În acest

fel se extind limitele deviaţiilor navei la care pilotul automat nu acţionează.

Butonul 11 - serveşte pentru acordarea repetitorului girocompas.

Timona este folosită pentru comanda manuală şi funcţionarea instalaţiei în regim de

urmărire. Pentru acest regim, se deconectează selsinul receptor 4 al girocompasului şi

comanda de deplasare a cârmei va fi dată de rotirea timonei într-un bord cu un anumit

unghi. Mişcarea cârmei încetează automat atunci când cârma este rotită cu acelaşi unghi ca

şi timona.

În figura 5.45 se prezintă schema de principiu în varianta firmei Anchutz, pentru

schema de comandă automată cu contacte.

În această schemă, spre deosebire de cea prezentată în figura 5.43, discul cu semiinele

de contact şi role sunt înlocuite de un disc cu camă şi două contacte: unul superior 2 şi cel

de al doilea inferior 3.

La deviaţia navei de la drum, mişcarea selsinului receptor 4 al girocompasului se

transmite discului cu camă 1 care se roteşte şi închide unul din contactele: superior sau

inferior. Celelalte elemente ale schemei, notate cu aceleaşi numere ca în figura 5.43, au

aceleaşi roluri şi funcţionarea schemei este similară cu cea descrisă anterior. Prin

alimentarea releelor d1 sau d2 este pusă în funcţiune acţionarea electrică a cârmei. Releele

pot acţiona direct în circuitul excitaţiei generatorului, prin contactele lor, sau în cazul unor

curenţi mari prin intermediul unor contactoare.

Schema de comandă automată fără contacte a acţionării cârmei constituie în

comparaţie cu sistemul cu contacte o soluţie de perfecţionare a pilotului automat. Comanda

acţionării electrice a cârmei, în acest caz, se asigură nu numai în funcţie de unghiul de

abatere al navei de la drum, ci şi în funcţie de viteza navei. În afară de aceasta, s-a introdus

şi un dispozitiv de integrare care rectifică acumulările în timp a erorilor de la drum, date de

unghiuri mici de înclinare a navei într-o singură parte sub acţiunea factorilor perturbatori

care acţionează: vântul, bandarea navei, împingerea inegală a elicelor ş.a.

Tipurile AP de piloţi automaţi fără contacte, de construcţie rusească, acoperă o gamă

largă şi se folosesc atât pentru acţionările electrohidraulice de cârmă (AP1, AP2) cât şi

pentru acţionările cu transmisii mecanice (AP3).Funcţionarea tipurilor de piloţi automaţi AP

au la bază aceleaşi principii şi pot funcţiona automat, în regim manual cu urmărire şi în

regim manual simplu.

Pentru comanda automată a cârmei de la pilotul automat se aplică la intrarea acţionării

electrice suma semnalelor de tensiune care rezultă din egalitatea:

4321y AdtAdt

dAAU

unde: A1 - semnal de tensiune, proporţional cu unghiul de deviaţie al navei de

la drum;

dt

dA2 - semnal de tensiune, proporţional cu viteza de variaţie a unghiului de drum;

(5.34)

dtA3 semnal de tensiune, proporţional cu acumularea în timp a unghiurilor mici

de deviere a navei, într-o parte, de la drum;

A4 - semnal de tensiune, al legăturii inverse, proporţional cu unghiul de rotire al

cârmei.

Fig. 5.45 Schema de comandă automată cu contacte în varianta “Anschutz”

Semnalul de tensiune negativă, dat de legătura inversă, are rolul de a compensa celelalte

componente ale semnalului de comandă. În acest fel la unghiuri mici de înclinare a navei, ,

corespund unghiuri mici de rotire a cârmei. Când semnalele directe şi semnalul invers sunt

egale, acţionarea electrică se opreşte şi cârma este rotită cu unghiul α. Nava se întoarce la

drum sub acţiunea cârmei, unghiul se micşorează, se schimbă semnul semnalului de

comandă şi acţionarea electrică funcţionează în sensul de aducere a cârmei în planul

diametral.

Pentru precizia funcţionării pilotului automat este necesar să se asigure dependenţa

lineară a semnalelor de comandă de mărimile care le determină. În acest scop se folosesc

transformatoare rotative lineare. Transformatorul rotativ linear asigură dependenţa lineară a

tensiunii de ieşire de variaţia unghiului de rotire până la valoarea maximă de 90 . Mărimea

tensiunii de ieşire, pentru un anumit unghi de rotire, depinde de mărimea tensiunii de

alimentare ; prin modificarea tensiunii de alimentare se schimbă valoarea factorului constant

A de proporţionalitate între mărimea de intrare şi cea de ieşire.

5.10. Calculul acţionării electromecanice a cârmei

5.10.1. Generalităţi

Calculul acţionării electrice conduce la alegerea motorului electric capabil să satisfacă

în condiţii optime regimul de funcţionare al mecanismului cîrmei.

Puterea motorului electric se determină în funcţie de: valoarea maximă a momentului

rezistent la axul cârmei, timpul de deplasare a cârmei şi regimul de lucru al instalaţiei de

guvernare dependent de regimul de manevră al navei. În ceea ce priveşte regimul de

manevră al navei, acesta poate fi:

1. regimul de manevră al navei pe drum variabil care se caracterizează prin deplasări

frecvente ale cârmei dintr-un bord în altul.

2. regimul de menţinere a navei pe drum constant, caracterizat prin frecvenţa mare a

deplasărilor cârmei cu unghiuri mici (de obicei 4 la 6 ). Numărul de deplasări ale cârmei în

acest regim depinde de: starea mării, stabilitatea navei pe drum, experienţa timonierului.

Registrul de clasificare RNR impune ca acţionarea electrică a cârmei să fie capabilă să execute

minim 350 de conectări pe oră.

Calculul complet se compune din două etape:

- prima etapă constă în alegerea preliminară a motorului electric. Se consideră

funcţionarea instalaţiei cârmei în primul regim de manevră cu viteză constantă şi

corespunzător cuplului maxim la axul cârmei şi timpului impus de deplasare a cârmei dintr-

un bord în altul, se calculează cuplul nominal şi turaţia nominală a motorului electric;

- în a doua etapă se verifică motorul electric ales, la încălzire, pentru cele două regimuri

principale: regimul de manevră al navei şi regimul de menţinere a navei pe un drum impus.

În etapa a doua, având datele motorului electric ales preliminar, se execută un calcul

complet care ia în considerare şi regimurile tranzitorii de accelerare şi frânare.

5.10.2. Calculul puterii şi alegerea motorului electric, în prima aproximare

Cuplul de sarcină la axul motorului electric se calculează pe baza determinării în

prealabil a caracteristicii momentului de sarcină la axul cârmei şi a aprecierii valorii

raportului de transmisie şi a randamentului mecanismului de transmisie.

Calculul momentului de sarcină la axul cârmei este prezentat în subcapitolul 5.4. Raportul

total de transmisie ale diverselor lanţuri cinematice este i = i1, i2, i3 . . . Randamentul general

al acţionării este, de asemenea, egal cu produsul randamentelor elementelor legate în serie

între eche şi motor.

Cuplul nominal de calcul pentru motorul electric de acţionare este:

i

MM maxa

nc

unde: Mamax este cuplul de sarcină maxim la eche pentru mersul

înainte al navei, cu viteză maximă;

- este coeficientul de suprasarcină a motorului;

i - raportul de transmisie total al mecanismului de transmisie;

- randamentul total al mecanismului de transmisie.

Având în vedere durata mică de acţiune a cuplului maxim în cadrul ciclului de

funcţionare a acţionării cârmei, coeficientul de suprasarcină se alege = 1,5.

Calculul turaţiei nominale se face pe baza cunoaşterii ecuaţiei de mişcare a acţionării

cârmei. În continuare se prezintă deducerea ecuaţiei generale de mişcare, valabilă pentru

(5.37)

orice tip de motor electric şi orice tip de mecanism executor, şi formele ei particulare pentru

cazul acţionării cârmei.

Ecuaţia caracteristicii mecanice a motorului electric, valabilă pentru toate tipurile de

motoare electrice folosite în acţionările electrice navale, exprimată în unităţi relative, este

dată de relaţia:

= (1-bm)x

în care:

0n

n - viteza motorului exprimată în unităţi relative;

nM

Mm - cuplul motorului în unităţi relative;

b - coeficient care caracterizează alunecarea relativă

a motorului;

x - exponentul caracteristicii mecanice a motorului.

Turaţia, n0, reprezintă turaţia de sincronism în cazul motoarelor asincrone, sau turaţia de

mers în gol ideal pentru motoarele de curent continuu. Viteza relativă exprimată în funcţie

de alunecarea motorului este:

= 1 - s

Valorile exponentului caracteristicii mecanice, pentru diferite tipuri de motoare

electrice, sunt:

x = 1 - pentru motoare cu caracteristica mecanică lineară (motoare de curent

continuu cu excitaţie independentă, motoare asincrone cu alunecare mică, pe porţiunea

lineară a caracteristicii);

x = 2 3 - pentru motoare electrice cu caracteristică mecanică moale, tip hiperbolă

(motoare de curent continuu cu excitaţie serie şi mixtă);

2

1x - pentru motoare electrice cu caracteristica mecanică moale, de tip convex

(sistemul generator-motor, motoare asincrone cu alunecare mare).

Coeficientul b se determină din ecuaţia (5.38) pentru condiţia de funcţionare la

parametrii nominali: m = 1 (M = Mn), s = sn (n = nn), rezultă:

x

1

ns11b

Ecuaţia cuplului rezistent sub formă generalizată, valabilă pentru oricare mecanism

executor, este dată de relaţia stabilită empiric, de forma:

kr

y

r mqcm

în care:

(5.38)

(5.39)

(5.40)

(5.41)

n

rr

M

Mm - momentul rezistent în unităţi relative;

krm - momentul rezistent pentru unghiul maxim de

deplasare, în unităţi relative;

c şi q - coeficienţi care depind de condiţiile iniţiale şi

finale;

y - indicele caracteristicii mecanice a mecanismului

executor;

- valoarea relativă a unghiului de rotire.

Dacă dependenţa momentului rezistent de unghiul nu conţine maxime sau minime

pronunţate, atunci

k

iar în cazul în care caracteristica momentului rezistent are un maxim sau un minim

pentru = 1, atunci

1k

1

unde: - valoarea curentă a unghiului de rotire;

k - valoarea unghiului la sfârşitul deplasării ( k = max pentru

acţionarea cârmei)

În figura 5.50 se reprezintă caracteristica cuplului rezistent pentru diferite valori ale

exponentului y.

În cazul transmisiilor mecanice pentru acţionarea cârmei valorile exponentului sunt: y =

1 pentru cârma simplă şi y = 2 pentru cîrma compensată.

Pentru cârma compensată din scrierea ecuaţiei (5.41) pentru condiţiile iniţiale şi finale

se deduc valorile constantelor:

c1q;1

m

m

c2

0

2

0

r

0

k

(5.42)

(5.43)

(5.44)

Fig. 5.50. Curbele mr = f (α) pentru valori diferite ale exponentului y.

unde: -1k

10 - valoarea relativă iniţială a unghiului de rotire, dedusă din

relaţia 5.43 pentru = 0;

3,01,0M

Mm

n

0

0 - valoarea relativă a cuplului rezistent care corespunde

pierderilor de mers în gol.

Ecuaţia de mişcare a acţionării, sub forma generală, este dată de relaţia:

r

n

r

n

mdt

dn

M

J2m

dt

d

M

Jm

În această ecuaţie J este suma momentelor de inerţie ale motorului şi mecanismului

comandat; - viteza unghiulară în rad/s; n - turaţia în rot/s.

Pentru regimul static pe care îl analizăm, 0dt

dn şi rezultă m = mr.

Înlocuind în ecuaţia (5.38) pe m cu mr dat de relaţia (5.41) se obţine:

kr

xy

0

mqcb1n

n

sau

xy

0

BAn

n

în care:

c1bmB;bcm1Akk rr

Ecuaţia (5.46) reprezintă ecuaţia de mişcare a acţionării în regim static, sub forma

generală, valabilă pentru orice tip de motor şi orice tip de mecanism executor.

(5.45)

(5.46)

(5.47)

(5.48)

Alegerea motorului electric trebuie să corespundă, pe de o parte, pentru învingerea

cuplului rezistent, iar pe de altă parte, să asigure durata necesară pentru procesul dat. Relaţia

care exprimă dependenţa dintre durata procesului şi turaţia motorului electric se poate

exprima sub forma:

2

ik;

k

n

k

n

i

n2

dt

d 0

în care i este raportul de transmisie şi turaţia se exprimă în rot/s.

Durata deplasării de la starea iniţială, = 0, la starea finală maxk , este:

k

0

kn

dkt

Înlocuind în relaţia (5.50) pe n cu valoarea lui dată de relaţia (15.47), se obţine:

k

0

xy0

k

BA

d

n

kt

În continuare se face schimbarea de variabilă cu având în vedere relaţiile dintre

acestea:

1k

1

pentru = 0, rezultă 1k

10 ; pentru = k, rezultă = 1; iar prin derivare se

obţine 1k

dd , de unde d = d ( k - 1).

Introducând schimbarea de variabilă în relaţia (5.51) se obţine:

1

xy00

kk

0

BA

d

n1

kt

sau

dA

B1

An1

kt

1x

y

x

00

k

k

0

iar sub forma restrânsă,

x

y

0

kk

n

kt

în care

(5.49)

(5.50)

(5.51)

(5.52)

(5.53)

(5.54

(5.55)

1x

y

0

x

x

y

0

A

B1

1A

1

Turaţia nominală a motorului trebuie să asigure condiţia de deplasare a cârmei dintr-

un bord în celălalt în timp de 30 secunde, conform prevederilor registrului de clasificare.

Timpul total de bandare a penei cârmei dintr-un bord în celălalt, la marşul înainte al

navei, este

pt21 tttT

unde t1 - este timpul de bandare a cârmei din bord în planul diametral; t2 - timpul de

bandare al cârmei din planul diametral în bord; tpt - durata proceselor tranzitorii. Pentru

calculele practice se aproximează tpt = 2s.

Pe baza relaţiei (5.54) exprimând unghiul de cârmă în grade, înlocuind turaţia de

mers în gol n0 în funcţie de alunecarea nominală sn şi având în vedere că k = max, se poate

scrie:

x

y

n

nmax2

x

y

n

nmax1 21 n360

s1it;

n360

s1it

Înlocuind expresiile obţinute în ecuaţia (15.56), rezultă:

pt

x

y

x

y

n

nmax tn360

s1iT

21

sau

pt

n

max tn360

iT

unde x

y

x

yn 21s1

Deoarece timpul total de bandare este o mărime cunoscută, impusă de registrul de

clasificare, din expresia (5.59) poate fi obţinută turaţia nominală de calcul optimă a oricărui

tip de motor electric.

pt

maxnc

tT360

in

Pentru motoarele cu rezistenţă introdusă permanent în circuit, turaţia nominală

optimă de calcul este:

(5.56)

(5.57)

(5.58)

(5.59)

(5.60)

(5.61)

(5.62)

npt

maxnc

s1tT360

in

Deoarece motorul funcţionează în aceste cazuri pe caracteristica mecanică artificială

şi la cuplul nominal îşi micşorează turaţia, în formula (5.62) este introdus factorul 1-sn care

ţine seama de prezenţa rezistenţei. La acţionarea cârmei cu motor asincron, turaţia motorului

este determinată de numărul de poli ai înfăşurării, de frecvenţa reţelei şi nu poate fi aleasă ca

mai sus. De aceea pentru astfel de motoare, din ecuaţia (5.59) se află raportul de transmisie

1x

y

x

y

max

0pt

21

ntT360i

Practic, în funcţie de tipul cârmei şi motorului, funcţia are valori cuprinse în limitele

1,2 ... 1,5.

Valorile x

y

x

y 21iº folosite la acţionarea electrică a cârmei, depind de tipul cârmei şi

al motorului electric. În urma calculelor efectuate, rezultă:

1. Cârma simplă, necompensată, y = 1.

a) Pentru x = 1 (motoarele electrice asincrone cu alunecare mică sau motoare de curent

continuu cu excitaţie derivaţie)

2

22

2

1

1

11

1

1

1

1A

BAln

B

1;

BA

Aln

B

121

b) Pentru x = 2 (motoare de curent continuu cu excitaţie serie sau mixtă)

222

2

1

111

2

1BAA

1;

BAA

121

c) Pentru 2

1x (sistemul generator-motor, sau motoarele asincrone cu alunecare

mărită)

222

2

2

1

1111

1

2

1

1 ABAB

2;BAA

B

221

În relaţiile (5.64), (5.65) şi (5.66)

k

k

r02

0r1

021

mmbB

mmbB

bm1AA

(5.63)

(5.64)

(5.65)

(5.66)

2. Cârma compensată y = 2

a) pentru x = 1 se obţine:

2

20

2

2

022

1

2

1

10

1

1

1

10

1

1

021

1

2

A

Barctg

A

Barctg

1BA2

1

A

B1

A

B1

A

B1

A

B1

ln1BA2

1

2

1

b) Pentru x = 2 se obţine

3

22022

02

2

20

2

2

2

0

2

2

2

2

101

10111

2

01

2

10

1

2

1

0

2

1

2

2

arctgarctg111B2

1

11

11ln

2111B2

1

2

1

c) Pentru x = 1

2, se obţine:

202

2

0

22

02

2

1

2

101

01

2

1

2

1

1ln

1B

1

;arcsinarcsin1B

1

2

1

În expresiile (5.67), (5.68) şi (5.69)

2

0

0

'

r

22

0

'

r

2

00

2

2

22

2

0

0r

12

0

r

2

00

1

1

11

1

mmbB;

1

mmb1A;

A

B

1

mmbB;

1

mmb1A;

A

B

kk

kk

La bandarea cârmei din bord în planul diametral momentul rezistent are valoarea:

'

r

'

r kkmm

în care 1

2' exprimă randamentul în cazul cuplurilor negative.

Alegerea motorului electric din catalog.

Puterea nominală de calcul a motorului electric, este

wnM28,6P ncnc

unde: Mnc - cuplul nominal de calcul în Nm determinat cu relaţia (5.37);

nnc - turaţia nominală de calcul în rot/s, calculată cu relaţia (5.61);

Factorul 6,28 = 2 transformă unitatea de măsură a vitezei din rot/s în rad/s.

(5.67)

(5.68)

(5.69)

(5.70)

Motorul electric trebuie ales din catalog, avându-se în vedere următoarele: puterea

de calcul nominală a motorului; turaţia nominală de calcul; execuţia cerută (protejată la

stropi, la apă, ermetic etc.); regimul nominal (pentru acţionările electrice de cârmă regimul

nominal este de obicei regimul de scurtă durată de 30 sau 60 min.); izolaţia înfăşurărilor;

temperatura mediului ambiant etc..

Puterea generatorului din cadrul sistemului generator-motor se alege pornind de la

necesitatea asigurării unei turaţii de mers în gol a motorului electric şi a cuplului nominal.

Practic se consideră:

n

nc

nc0ncgs1

nM28,6nM28,6P

Pentru a se obţine dimensiunile minime ale generatorului, turaţia sa se ia la valoarea

maximă pentru puterea respectivă. Practic, pentru o putere a generatorului de până la 10 kw,

turaţia generatorului poate fi aleasă egală cu 2000 2900 rot/min (35 - 50 rot/s), iar pentru

puteri mai mari de 10 kw - 1500 rot/min (25 rot/s).

Puterea motorului de antrenare a generatorului (în waţi) se determină ţinând seama de

randamentul generatorului g şi al motorului electric de execuţie m cu formula:

wnM

28,6Pgm

ncncm

5.10.3. Verificarea motorului electric ales

După ce motorul electric a fost ales se trece la a doua etapă de aproximare în care se

efectuează calcule de verificare privind satisfacerea regimurilor de lucru ale acţionării

cârmei.

Calculul duratei ciclului de deplasare a cârmei dintr-un bord în celălalt bord se

execută luând în considerare şi regimul tranzitoriu de accelerare şi frânare.

Timpul total de bandare a penei cârmei dintr-un bord în altul este:

21fa ttttT

unde:

ta - timpul de accelerare;

t1 - timpul de deplasare a penei cârmei din bord în planul diametral până la începutul

frânării;

t2 - timpul de deplasare a penei cârmei din planul diametral în bord după terminarea

accelerării;

tf - timpul de frânare.

Pentru calculul duratei regimului tranzitoriu de accelerare, se construieşte în

prealabil caracteristica naturală a motorului electric ales şi caracteristicile artificiale de

pornire.În figura 5.51 sunt reprezentate caracteristicile de pornire ale acţionării.

Se observă din figură că pentru toate tipurile de motoare electrice caracteristicile

mecanice, în perioada pornirii, pot fi considerate lineare.

(5.71)

(5.72)

(5.73)

Fig. 5.51. Caracteristicile de pornire ale acţionării

Calculul timpului de accelerare se face în ipoteza că în perioada pornirii caracteristicile

mecanice sunt lineare şi cuplul de sarcină este constant. Durata accelerării se împarte în două perioade: ta1 - timpul de accelerare pe caracteristicile mecanice artificiale şi ta2 - timpul de accelerare pe caracteristica mecanică naturală.

2a1aa ttt

În figura 5.51 s-a notat: cu mp - valoarea relativă a cuplului de pornire; mtr - valoarea

relativă a cuplului la care se produce trecerea de pe o caracteristică pe alta; p, tr - turaţiile relative care corespund acestor cupluri pe fiecare caracteristică.

Din ecuaţia generală a caracteristicii mecanice dată de relaţia (5.38), la funcţionarea pe caracteristica artificială, pentru x = 1, se obţine:

'

p

'

p

pp

bbb

1

b

1m

în care bp este coeficientul care caracterizează alunecarea relativă iar p

'

pb

1b .

Scriind relaţia (5.75) pentru punctele corespunzătoare cuplului de pornire şi cuplului de trecere de pe o caracteristică pe alta, rezultă:

p

'

p

'

pp bbm

tr

'

p

'

ptr bbm

Scăzând relaţia (5.77) din (5.76) se obţine valoarea coeficientului '

pb

ptr

trp'

p

mmb

Ecuaţia de mişcare a acţionării dată de relaţia (5.45), scrisă în funcţie de viteza

relativă , capătă forma:

r

n

0 mdt

d

M

nJk2m

în care J este momentul de inerţie al motorului electric, iar coeficientul k = 1,2 1,5 ia în considerare momentul de inerţie al mecanismului de transmisie. În cazul în care se poate calcula momentul de inerţie al mecanismului de transmisie redus la axul electromotorului, atunci

termenul kJ se înlocuieşte cu J.

(5.74)

(5.75)

(5.76)

(5.77)

(5.78)

(5.79)

Se notează:

n

0

mM

kJn2T

şi rezultă forma simplificată a ecuaţiei de mişcare:

rm mdt

dTm

Înlocuind valoarea lui m din expresia (5.75) în ecuaţia de mişcare, se obţine:

dt

dTmbb mr

'

p

'

p

Timpul de accelerare de la = pj la = trj, indiferent de caracteristica artificială, la un cuplu de sarcină constant, este:

trj

'

pr

'

p

pj

'

pr

'

p

'

p

m

r

'

p

'

p

majbmb

bmbln

b

1T

mbb

dTt

trj

pj

Introducând valoarea lui '

pb dată de relaţia (5.78) şi după unele transformări se

obţine:

n

0m

rtr

rp

trp

ptr

majM

njk2T;

mm

mmln

mmTt

În acest caz, timpul de accelerare pe caracteristicile mecanice artificiale este:

aj3a2a1a1a ttttt

Cuplul mp se alege astfel încât să se asigure accelerarea în cazul pornirii cu cuplul

maxim de sarcină şi căderea maximă de tensiune admisă 10%. Practic mp = 1,6 2,0.

Timpul de accelerare a motorului pe caracteristica mecanică naturală, pornind de la

aceleaşi considerente se calculează cu formula:

r1

rp

m

rp

1r2a

mm

mmlnT

mmt

în care: m1 este cuplul care corespunde unei turaţii 1 = 0,95 0,97 pe caracteristica

mecanică naturală.

Unghiul de rotire al penei cârmei, exprimat în grade, pe durata accelerării se poate

determina pornind de la relaţia (5.49) scrisă sub forma :

i

n360

i

n2

i

n2

dt

d 00

La accelerarea pe caracteristica artificială se consideră constantă viteza medie

2

ptr

şi se obţine expresia pentru calculul aproximativ al unghiului de rotaţie al penei cârmei

în grade:

1at

0

1a

ptr0ptr0

1a ti

n180dt

i

n180

(5.80)

(5.81)

(5.82)

(5.83)

(5.84)

(5.85)

(5.86)

(5.87)

În acelaşi mod se calculează şi unghiul de rotire corespunzător caracteristicii

mecanice naturale.

2artr0

2a ti

n180

în care

2artr ttiº

2

Durata frânării acţionării depinde, de asemenea, de tipul motorului şi de schema de

frânare. Considerând că cuplul de frânare, la frânarea dinamică (cel mai frecvent utilizată),

descreşte liniar, timpul de frânare se calculează cu relaţia:

r

fr

f

rmfd

m

mmln

mTt

În relaţia (5.89) de obicei se ia mf = mp iar cuplul de sarcină rezistent, mr, se ia egal

cu valoarea sa pentru unghiul maxim al cârmei.

Există o serie de expresii analitice pentru determinarea timpului de frânare dinamică

a unui motor asincron cu rotor în scurtcircuit. O asemenea formulă aproximativă, valabilă la

curent constant egal cu de două ori valoarea nominală a curentului din stator, este:

s10Pc

nJk44,1t 5

n

2

nfd

unde: tfd este timpul de frânare dinamică; k - coeficient care ţine seama de momentul de

inerţie al mecanismului de transmisie; J - momentul de inerţie al motorului, în kg . m

2; nn -

turaţia nominală, în rot/s; Pn - puterea nominală a motorului, în kw. Pentru motoarele

electrice navale până la 50kw, c=150.

Unghiul de bandare a cârmei pe durata frânării se determină la fel ca la accelerare.

Timpul de bandare a cârmei dintr-un bord în celălalt, dat cu aproximaţie de relaţia

(5.57), luând în considerare deplasările din perioadele regimurilor tranzitorii de accelerare şi

frânare se calculează cu relaţiile:

x

y

catn

namax

2

x

y

catn

nfmax

1

2

1

n360

s1it

n360

s1it

Pentru determinarea mărimilor x

y

x

y 21 iº este necesar să se pornească de la valoarea

din catalog a cuplului nominal Mn şi a turaţiei nominale nn.

Motorul electric ales asigură timpul de bandare limită admis dacă în urma calculelor

efectuate este îndeplinită condiţia:

datf212a1a Tttttt

Verificarea la încălzire a motorului electric ales se face pentru cele două regimuri

principale: Regimul de manevră a navei şi regimul de menţinere a navei pe un drum impus.

Verificarea se face după metoda generală a cuplului sau curentului echivalent.

Pentru verificarea motorului electric la încălzire în regimul de manevră a navei, se

construieşte diagrama de sarcină a acţionării electrice a cârmei prezentată în figura 5.52.

(5.88)

(5.89)

(5.90)

(5.91)

(5.92)

Diagrama de sarcină se construieşte prin metode analitice sau grafice, considerând că

cuplul de sarcină variază liniar în funcţie de unghiul de cârmă. La deplasarea cârmei de la

max la 0 sau α = α1 se consideră m = m0 = constant. Duratele de accelerare,

frânare şi bandare a cârmei dintr-un bord în altul precum şi cuplurile care le corespund se

calculează pe baza relaţiilor prezentate mai sus. Pentru cuplul de pornire mp se foloseşte

valoarea sa medie pe timpul pornirii, mp med.

Fig. 5.52. Diagrama de sarcină liniarizată pentru regimul de manevră

Cuplul echivalent corespunzător diagramei de sarcină din figura 5.52. se calculează

cu formula:

21

f

2

f

2

rr0

2

0

2

21

2

0

2

00medp

2

medp2a

1a

2

medp

echiv

T

tm3

1mmmm

3

ttm

T

mmmm3

ttm

m

kk

Motorul electric ales satisface condiţiile de încălzire pentru acest regim dacă

valoarea cuplului echivalent calculat cu relaţia (5.93) este subunitară sau cel mult egală cu

unitatea.

Pentru verificarea la încălzire a motorului electric în regim de menţinere a navei pe

un drum impus, se determină în prealabil durata ciclului de funcţionare din condiţia de

asigurare a minimum 350 de conectori pe oră, prevăzută de registrul de clasificare:

orã/conect350Z;Z

3600t z

Unghiul mediu de bandare a cârmei corespunzător acestui regim este practic 64z . Unghiul de bandare corespunzător regimului stabil de funcţionare este

fazst . Timpul corespunzător regimului stabil de funcţionare este aproximativ:

0r

stst

n360

it

(5.93)

(5.94)

(5.95)

mr k

mf

Pe baza datelor obţinute se construieşte diagrama de sarcină a acţionării cârmei

pentru regimul de menţinerea navei pe drumul impus, reprezentată în figura 5.53.

Fig. 5.53. Diagrama de sarcină liniarizată pentru regimul de menţinere a navei

pe drumul impus

Cuplul echivalent corespunzător diagramei din figura 5.53 este:

01stfa2

f

2

fst

2

0

2

0medp0

2

medp

2a

1a

2

medp

echivtctttc

tm3

1tmmmmm

3

ttm

m

Coeficienţii c1 şi c2 ţin seama de schimbarea condiţiilor de răcire în perioada: pauzei,

t0; accelerării, ta1, ta2; frânării, tf. de obicei valorile acestor coeficienţi sunt: c1 = 0,5 ... 0,35; c2

= 0,8 ... 0,5.

Motorul electric ales satisface condiţiile de încălzire pentru regimul de menţinere a

navei pe drumul impus dacă valoarea cuplului echivalent calculat cu relaţia (5.96) este

subunitară sau cel mult egală cu unitatea.

Verificarea motorului electric ales la numărul de conectări. Frecvenţa mare a

conectărilor care au loc în regimul de marş al navei, are o mare influenţă asupra încălzirii,

atât a motoarelor asincrone cu rotorul în scurtcircuit, cât şi a motoarelor de curent continuu,

având în vedere perioadele de accelerare şi frânare în care curenţii depăşesc valorile

nominale şi faptul că pierderile în înfăşurări sunt proporţionale cu pătratul curentului. Din

această cauză, motorul electric ales trebuie să fie verificat la numărul admis de conectări pe

oră, la care temperatura medie a motorului nu va depăşi valoarea admisă.

Dacă se cunosc puterile pierderilor variabile în înfăşurările motorului electric pentru:

regimul nominal nP ; perioada de accelerare aP ; regimul static de funcţionare stP ;

perioada de frânare tP , făcând bilanţul termic rezultă:

(5.96)

pastffaan ttZ3600PZtPtPP3600

Bilanţul termic dat de relaţia (5.97) este scris în condiţiile în care condiţiile de răcire

se consideră aceleaşi pentru toate regimurile şi ciclurile de funcţionare se succed fără pauză.

Rezolvând această ecuaţie în raport cu Z rezultă numărul total de conectări admis:

fastffaa

stn

ttPtPtP

PP3600Z

Pentru cazurile practice când se ţine seama de răcirea din perioadele de pauză

precum şi de înrăutăţirea condiţiilor de răcire, în perioadele de accelerare şi frânare, relaţia

de calcul a numărului total de conectări admis este:

nn2stfaffaac

01nstn0c

PPcPtttPtPt

tcPPPtt3600Z

unde:

c1 - coeficient care ţine seama de înrăutăţirea schimbului de

căldură în timpul pauzei şi care are valori în limitele de la

0,35 la 0,5;

c2 - coeficient care ţine seama de înrăutăţirea schimbului de

căldură în perioada accelerării şi frânării, dependent de forma

de execuţie a motorului şi care are valori de la 0,5 la 0,8;

t0 - timpul de pauză;

tst - timpul de funcţionare în regim stabil;

ta şi tf - timpii de accelerare şi frânare;

tc - durata ciclului, s3,10350

3600tc şi corespunde numărului

minim de cicluri.

Din relaţia (5.99) rezultă că, pentru mărirea numărului admis de conectări, este

necesar ca motorul electric să aibă pierderi mici în regimurile tranzitorii, pierderi admise

mari în regimul nominal şi un schimb de căldură mare în timpul pauzei. Micşorarea

pierderilor în regim tranzitoriu se poate realiza prin utilizarea unui motor cu moment de

inerţie mic şi cu alunecare nominală mare. Mărirea pierderilor admise în regim nominal se

poate face prin utilizarea unei izolaţii rezistente la temperaturi mari şi prin ventilaţie

intensivă. Utilizarea ventilaţiei independente duce la creşterea coeficientului c1 până la o

valoare egală cu unitatea.

Din cele prezentate rezultă că problema determinării numărului de cicluri admise

constă, în primul rând, în determinarea pierderilor în perioada ciclului de funcţionare.

Pierderile totale P în regim nominal pot fi calculate pe baza datelor din catalog:

n

n

n

1PP

(5.97)

(5.98)

(5.99)

(5.100)

Considerând că pierderile constante şi variabile din regimul nominal sunt egale, se

obţine expresia pentru determinarea pierderilor variabile în regim nominal:

2

PPn

Pierderile variabile, în orice alt regim, vor fi proporţionale cu pătratul valorii medii pătratice a curenţilor, în timpul regimului respectiv:

2

medn iPP

unde

n

2

med

medI

Ii

Cunoscând pierderile din perioada unui ciclu, se calculează numărul total de conectări Z. Motorul electric ales corespunde din punct de vedere al numărului de conectări dacă

valoarea lui Z obţinută prin calcul este mai mare sau cel puţin egală cu 350 (numărul minim de conectări impus de cerinţele registrului de clasificare ANR).

Metoda creşterilor finite pentru calculul regimului tranzitoriu reprezintă un procedeu mai simplu utilizat practic în calculul acţionării electrice a cârmei.

Ecuaţia de mişcare a acţionării dată de relaţia (5.45) se scrie sub forma:

dt

dn

M

J2mm

n

r

În ecuaţia diferenţială a mişcării înlocuind derivatele cu creşteri finite de valori mici, n

pentru turaţie şi t pentru timp rezultă:

t

n

M

J2mm

n

r

Rezolvând ecuaţia (5.105)în raport cu t se obţine:

rn mmM

nJ2t

Pentru determinarea timpului t cu relaţia (5.106) se alege o anumită creştere a vitezei căreia îi corespunde, după caracteristica mecanică a motorului, un moment de valoare m.

Valoarea momentului rezistent mr, se obţine după curba fmr şi corespunde valorii

iniţiale a unghiului de înclinare a penei cârmei.În continuare se stabilesc dependenţele între unghiul de înclinare a cârmei, viteza de rotaţie şi timpul de deplasare a cârmei. Se porneşte de la relaţia (5.49) scrisă sub forma:

i

n360

i

n2

dt

da

în care:

- unghiul de rotire al penei cârmei în grade;

a - viteza unghiulară de rotire a cârmei; i - raportul de transmisie al acţionării cârmei; n - turaţia în [rot/s].

Din relaţia (5.107) se obţine:

n360

didt

Introducând în ecuaţia (5.104), valoarea lui dt, rezultă:

(5.101)

(5.102)

(5.103)

(5.104)

(5.105)

(5.106)

(5.107)

(5.108)

d

dnnc

d

dn

i

n360

M

J2mm

n

r

unde:

i

360

M

J2c

n

Relaţia (5.109) scrisă sub forma creşterilor finite în care la creşterea unghiului cu o

valoare mică j corespunde creşterea turaţiei cu o valoare mică jn , are forma:

j

j

1jr

nncmm

Rezolvând ecuaţia (5.110) în raport cu jn se obţine a doua formulă de calcul pentru

creşterea vitezei dată de creşterea unghiului:

j

1j

rj

nc

mmn

în care:

m - momentul la axul electromotorului corespunzător vitezei nj = nj-1 + nj;

mr - momentul rezistent al acţionării corespunzător unghiului j1jj .

În relaţia (5.108) înlocuind derivatele cu creşteri finite şi rezolvând ecuaţia în raport cu

t, se obţine formula de calcul a duratei deplasării pentru o creştere dată a unghiului de

rotire a cârmei:

jmed

j

jn360

it

unde

2

nnn

j

1jjmed

Timpul total de deplasare a cârmei rezultă:

n

1j

jtt

Relaţiile obţinute permit calculul practic al oricărui regim tranzitoriu al acţionării atunci

când se cunosc: caracteristica mecanică a motorului, momentul de inerţie şi caracteristica

momentului rezistent.

Algoritmul calculului după metoda creşterilor finite se prezintă în continuare.

Pentru început, cunoscând dependenţa momentului la axul cârmei, fM a şi

folosind relaţiile de calcul

n

rr

ar

M

Mm;

i

MM

se determină caracteristica momentului rezistent la axul electromotorului în funcţie de

unghiul cârmei, fmr .

(5.109)

(5.110)

(5.111)

(5.112)

(5.113)

Se construiesc pe acelaşi grafic, aşa cum se prezintă în figura 5.54., curbele fm 1r

, fm 2r pentru deplasarea cârmei din bord în planul diametral şi din planul diametral

în bord precum şi caracteristicile mecanice ale motorului electric ales.

Pentru primul punct de calcul, din grafice se determină momentul rezistent mr,

corespunzător unghiului de 35o (dacă deplasarea se face din bord în bord) sau oricărui unghi

cu care începe deplasarea cârmei. După caracteristica mecanică a motorului (de exemplu

caracteristica artificială 3) se determină valoarea cuplului motorului m1 pentru care viteza de

rotaţie este nulă.

Se alege o creştere mică a vitezei 111 n0nn se determină:

1

r1n

1 nmmM

J2t

şi se calculează

1

1

1 t2

n

i

360

Fig. 5.54. Caracteristicile momentului rezistent şi caracteristicile mecanice ale

motorului electric

Pentru următoarele puncte se aleg creşteri mici ale unghiului j şi folosind relaţiile

(5.111) (5.112) se determină jj t;n şi t. Creşterile j se aleg în aşa fel încât creşterile

momentului rezistent între două puncte succesive să nu fie prea mare.

Rezultatele calculelor se trec într-un tabel de forma:

Tabelul 5.4.

N j mrj mj n j nj nmed j t j t j m tj j

2 m tj j2

1 0,0095 34,9905 0,15 1,6 1,17 1,17 - 0,1 0,1 0,256 0,256

2 0,0105 34,98 0,15 1,45 0,58 1,75 1,46 0,045 0,145 0,094 0,35

3 0,02 34,96 0,15 1,38 0,7 2,45 2,1 0,059 0,204 0,113 0,463

Pentru intervalele mici de timp, din diagrame se determină cuplul motorului, se

calculează tm2

j şi prin însumare se obţine cuplul echivalent pentru verificarea motorului

electric la încălzire:

j

j

2

j

echivt

tmm

Determinarea cuplurilor medii echivalente în timpul accelerării şi frânării permite

totodată calculul perioadelor variabile în aceste regimuri tranzitorii: 2

a.echivna mPP

P P mf n echiv.f2

necesare la determinarea numărului admis de conectări.

În figura 5.54. curba 1 reprezintă caracteristica mecanică naturală, curbele 2 şi 3

caracteristici mecanice artificiale iar curba 4 caracteristica mecanică pentru regimul de

frânare dinamică.

5.11. Calculul acţionării electrohidraulice a cârmei

În acţionările electrohidraulice cu pompe de debit variabil sau debit constant, motorul

electric funcţionează în regim de lungă durată. Sensul de rotire şi viteza de deplasare a

cârmei sunt determinate de sensul de circulaţie şi debitul fluidului de lucru care se reglează

prin poziţia manipulatorului pompei de debit variabil.

Calculul acţionării electrohidraulice a cârmei cuprinde următoarele etape:

determinarea forţelor de presiune în cilindrii presei maşinii hidraulice;

stabilirea parametrilor de bază ai instalaţiei şi alegerea pompei de debit variabil;

calculul puterii şi alegerea motorului electric;

verificarea motorului electric ales pentru realizarea timpului dat de deplasare a

cârmei şi la încălzire.

Determinarea forţelor de presiune în cilindrii presei maşinii hidraulice. Atunci

când cârma este deplasată faţă de planul diametral, asupra penei cârmei acţionează forţa de

presiune a curentului de apă, care prin axul cârmei şi eche se aplică la pivotul mufei

articulate. Această forţă, notată cu F în figura 5.55. este orientată perpendicular pe axa

echei.

În afara forţei F, la funcţionarea maşinii cârmei apar forţe de frecare în reazemele

axului cârmei, în articulaţii şi suprafeţele alunecătoare ale maşinii hidraulice. Toate aceste

forţe orientate în sens opus mişcării împreună cu componenta Fy constituie forţa rezistentă

Fr.

Pentru a asigura deplasarea cârmei, în cilindrii maşinii hidraulice se creează o forţă de

presiune Fcil capabilă să învingă forţa rezistentă.

(5.114)

(5.115)

(5.116)

Fig. 5.55. Forţele care acţionează în sistemul hidraulic al acţionării cârmei

Forţa F se descompune în două componente:

Fx - orientată perpendicular pe axa cilindrilor;

Fy - orientată după axa cilindrilor maşinii cârmei.

Ecuaţia de echilibru a forţelor pe axa cilindrilor este:

FNF2FFF 2x1yrcil

sau, în funcţie de F şi rezultă:

FNsin2cosFFF 21rcil

în care:

1 - coeficient de frecare în articulaţii şi suprafeţe alunecătoare pe direcţia tijelor;

1 = 0,08 0,1;

2 - coeficient de frecare în presetupele tijelor (pentru garnituri obişnuite 2 = 0,2,

pentru garnituri din piele 2 = 0,07 0,13);

N - reacţiunea forţei de greutate a tijelor maşinii hidraulice determinată constructiv

de tipul maşinii hidraulice; orientativ masa maşinilor hidraulice raportată la

momentul maxim la axul cârmei este în limitele 20 40kg/kNm;

F - forţa de frecare în presetupele cilindrilor maşinii hidraulice care depinde de

materialul garniturilor şi presiunea în cilindri.

Forţa de frecare F poate fi determinată cu formula empirică:

NphD47,1F 2

unde:

D - diametrul cilindrilor presei, m;

p - presiunea în cilindrul presei, Pa;

h - înălţimea garniturii presetupei, care se alege din tabelul 5.5.

(5.117)

(5.118)

(5.119)

Tabelul 5.5

Etanşarea Diametrul cilindrului,

D [m]

Înălţimea garniturii,

h [m]

Garnitură moale (obişnuită) 0,090

0,091-0,140

0,141-0,406

peste 0,406

0,077

0,128

0,200

0,250

Manşetă din piele obişnuită 0,089

0,090-0,254

0,255-0,457

0,458-0,711

peste 0,711

0,010

0,018

0,024

0,034

0,040

Manşetă unghiulară din piele

(unghiul =90°)

0,089

0,090-0,254

0,255-0,457

0,458-0,711

peste 0,711

0,015

0,023

0,029

0,039

0,048

Forţa F poate fi exprimată în funcţie de momentul la axul cîrmei, astfel:

coszR

M

zR

MF

a0

a

a

a

în care:

z - numărul de perechi de cilindri ai maşinii hidraulice;

R0 - distanţa de la axul cârmei la axul tijelor [m]; în funcţie de diametrul

cilindrului această distanţă este D32R0 ;

a - randamentul care ţine seama de pierderile în lagărele axului cârmei:

87,08,0a .

Introducând expresia forţei F dată de relaţia (5.120) în relaţia (5.118) se obţine:

FN2sincoszR

MF 21

2

a0

a

cil

Calculul parametrilor de bază ai instalaţiei şi alegerea pompei de debit variabil.

În mod obişnuit în maşinile de cârmă, presiunile nominale au valorile:

pentru maşini de cârmă cu pistoane şi cilindri:

a

52

n P101,987,68cm/kgf10070p

pentru maşini de cârmă cu palete:

a

22

n 98.067P1kgf/cmkgf/cm60p

Exprimând forţa de presiune în cilindru în funcţie de diametru, rezultă:

(5.120)

(5.121)

Np4

DF

2

cil

Din relaţiile (5.121) şi (5.122) se poate determina diametrul cilindrului D al maşinii

hidraulice pentru condiţia de sarcină maximă:

N2sincoszR

M

p

4D 2max1max

2

a0

max.a

max

În deducerea relaţiei (5.123) forţa de frecare F a fost neglijată întrucât influienţa ei

asupra rezultatelor calculelor este nesemnificativă.

Volumul de ulei transvazat, V, la deplasarea maximă a cârmei este:

3

max0

2

mtgR24

DzV

unde max0tgR2 reprezintă deplasarea maximă a tijelor în limita unghiului m,2 max .

Debitul mediu al pompei este:

s/m'T

VQmed

în care:

T’ = T - t0 - timpul de funcţionare al pompei, [s];

T - timpul total de deplasare a cârmei, [s];

t0 = 2 3 [s] - timpul de pregătire al sistemului pentru funcţionare.

Luând în considerare neuniformitatea curgerii, debitul nominal al pompei este:

Q

medn

k

QQ

unde kQ = 0,7 0,8 este un coeficient care ţine seama de neuniformitatea curgerii.

Cunoscând debitul nominal şi presiunea maximă se poate alege după catalog pompa cu

debit variabil necesară pentru instalaţia electrohidraulică de acţionare a cârmei.

Calculul puterii şi alegerea electromotorului de acţionare a pompei.

Puterea motorului electric se determină în funcţie de debitul şi presiunea pe care trebuie

să le asigure pompa. Deoarece aceste mărimi nu sunt constante pe timpul funcţionării

acţionării electrice a cârmei, pentru calculul puterii motorului electric se adoptă valorile

medii obţinute pe durata unui ciclu de deplasare a cârmei dintr-un bord în celălalt bord.

Debitul mediu al pompei se determină cu relaţia (5.125).

Din relaţiile (5.119), (5.121), şi (5.122), după efectuarea unor calcule, se determină

expresia presiunii:

h88,5DD25,0

N2sincoszR

M

p2

21

2

a0

a

(5.122)

(5.123)

(5.124)

(5.125)

(5.126)

(5.127)

Pe baza relaţiei (5.127) se construieşte graficul dependenţei fp . Pentru

fiecare valoare a unghiului de deplasare a cârmei, valorile momentului Ma se obţin din

graficul fM a .

Fig. 5.56. Determinarea grafică a presiunii medii a pompei :

a - cârma simplă; b - cârma compensată

În figura 5.56. cu linie plină se prezintă graficele fp şi cu linie întreruptă

fM a , pentru cârma simplă şi compensată.

Pentru poziţia cârmei în planul diametral, = 0, momentul la axul cârmei este nul,

Ma = 0 şi acţionarea electrică dezvoltă un cuplu numai pentru învingerea forţelor de frecare

din transmisia hidraulică. În acest caz presiunea necesară în cilindrii maşinii hidraulice este:

h88,5DD25,0

Np

2

2

0

La valori negative ale momentului la axul cârmei, pentru un unghi 0 (de mărime

câteva grade), momentul forţelor de frecare este echilibrat de mărimea momentului negativ

la axul cârmei şi presiunea în cilindri maşinii hidraulice se anulează iar motorul electric

funcţionează în gol.

Pentru calculul presiunii medii se împarte suprafaţa delimitată de curbele fp

în mai multe domenii, se aproximează suprafeţele domeniilor şi prin însumare rezultă

suprafaţa totală de sub curbă. Presiunea medie se determină cu relaţia:

max

p

med

Ap

în care Ap este suprafaţa delimitată de curba fp şi calculată din grafic în Pa

grade.

Cunoscând valorile medii ale debitului şi presiunii create de pompă, se poate calcula

puterea motorului electric cu formula:

kWppQ10

Ppompã

fmedmed

3

n

unde:

pf = (34 40)104Pa - pierderi de presiune prin frecări în tubulaturile sistemului;

pompa =0,4- 0,,8 - randamentul pompei

(5.128)

(5.129)

(5.130)

Alegerea motorului electric se face pe baza puterii nominale calculată şi a turaţiei

care rezultă din caracteristicile tehnice ale pompei aleasă în etapa anterioară.

Verificarea acţionării electrice privind durata de deplasare a cârmei.

Această durată depinde de debitul pompei care poate fi definit în mai multe feluri:

Qinst - debitul instalat sau debitul maxim pe care pompa îl asigură la funcţionarea cu

viteză nominală pentru unghiul dat de înclinare a manipulatorului pompei şi în

condiţiile în care se consideră că volumul fluidului de lucru absorbit este egal cu

volumul refulat, pierderile prin transvazarea inversă fiind nule;

Qt - debitul teoretic se obţine pentru aceleaşi condiţii ca şi debitul instalat, însă

corespunde unei viteze diferite de viteza nominală:

n

instt QQ

Q - debitul real al pompei ţine seama de micşorarea debitului pompei ca

urmare a transvazării inverse a fluidului de lucru:

vol

n

instvolt QQQ

Coeficientul de volum vol, depinde de valoarea presiunii de lucru şi se determină

din graficul pfvol reprezentat în figura 5.57.

Fig. 5.57. Dependenţa coeficientului de volum funcţie de presiune şi

înclinarea manipulatorului pompei

Din caracteristicile tehnice ale pompei se cunoaşte debitul pentru viteza nominală Qinst. În figura 5.58 se prezintă diagrama debitului instalat al pompei pentru regimurile de deplasare a cârmei din bord în bord.

Prin rotirea timonei pentru deplasarea cârmei dintr-un bord în celălalt bord, servomotorul începe să deplaseze poziţia manipulatorului pompei şi debitul instalat creşte liniar de la zero la valoarea nominală.

(5.13

1

)

(5.132)

Fig. 5.58. Diagramele debitului instalat şi debitului real al pompei pentru

deplasarea cârmei din bord în bord Pe durata creşterii debitului cârma se deplasează cu un unghi în limitele 3 - 5°. În

continuare, pe durata deplasării cârmei, debitul instalat are valoarea nominală constantă. La

sfârşitul cursei, când au mai rămas 3 - 5° până la poziţia max 35 , sistemul de urmărire

începe deplasarea manipulatorului spre poziţia de debit nul şi ca urmare debitul instalat descreşte liniar de la valoarea nominală la zero.

Pentru a calcula debitul real al pompei trebuie cunoscută viteza reală de rotaţie .

Din relaţiile (5.130) şi (5.132) rezultă că pentru o valoare a unghiului , puterea este dată de expresia:

nmecH

finst

pompã

f ppQppQP

în care:

Q , p - debitul real, m3/s şi presiunea de lucru Pa, corespunzătoare unghiului de

deplasare a cârmei;

H - randamentul hidraulic al pompei, H = 1;

mec - randamentul mecanic care ia în considerare pierderile prin frecare a componentelor pompei.

Valoarea randamentului mecanic este variabilă în funcţie de viteza relativă / n, şi se determină din graficele prezentate în figura 5.59.

După valoarea puterii pentru unghiurile de deplasare a cârmei se pot determina momentele corespunzătoare, cu formula:

nmecH

finst ppQPM

în care n este viteza nominală pentru care s-a construit curba fQinst .

(5.133)

(5.134)

Fig. 5.59. Dependenţa randamentului mecanic de viteza unghiulară pentru

înclinarea manipulatorului în poziţia de debit maxim, 100% Pentru valorile calculate ale momentului, din caracteristica mecanică a motorului

electric se obţin vitezele corespunzătoare şi se calculează cu relaţia (5.132) debitul real

reprezentat în figura 5.58. prin curba fQ .

Calculul se execută analitic şi grafic. Curbele de variaţie a parametrilor se împart în

domenii mici în care se consideră constantă valoarea medie a parametrului. Rezultatele

calculului se trec în tabelul 5.6.

Tabel 5.6

Nr. Domeniul unghiului

Hi [m]

Vi [m]

Qmed i

[m3/s]

ti [s]

1 0 - 1

Semnificaţia notaţiilor din tabelul 5.6 este:

Hi - deplasarea tijei pistoanelor pentru variaţia unghiului cârmei de la i-1 la i; Vi - volumul uleiului transvazat în limitele domeniului i, care se calculează cu relaţia:

i

2

i H4

DzV

Qmed.i este debitul mediu real în limitele domeniului i;

ti - durata deplasării cârmei de la i-1 la i care se calculează cu relaţia:

i.med

ii

Q

Vt

Pentru calculul deplasării tijei pistoanelor, Hi, în figura 5.60 se prezintă mai multe unghiuri de înclinare a echei.

(5.135)

(5.136)

Fig. 5.60. Deplasarea tijelor pistoanelor maşinii hidraulice la diferite unghiuri de înclinare a cârmei

De exemplu, pentru variaţia unghiului de înclinare de la 0 la 1 rezultă

1001 tgtgRH .

Motorul electric ales corespunde din punct de vedere al realizării duratei limită de deplasare a cârmei dintr-un bord în celălalt dacă se îndeplineşte condiţia:

n

1i

0i s30Ttt

în care T = 30s este timpul impus de registrul de clasificare ANR. Verificarea electromotorului pompei la încălzire.

Se face numai pentru regimul de manevră. Motorul electric pentru transmisia hidraulică funcţionează în regim continuu de lungă durată şi spre deosebire de cazul transmisiilor mecanice nu este supus la conectări şi deconectări cu frecvenţă mare care produc încălziri datorate curenţilor mari de pornire şi frânare din perioadele de regim tranzitorii. De asemenea, în regimul de menţinere a drumului constant deplasarea cârmei se face cu unghiuri mici, până la 5°, pentru care pompa cu debit variabil şi motorul electric de acţionare funcţionează în regim apropiat de regimul de mers în gol şi ca urmare pierderile care se transformă în căldură sunt de valori reduse.

Verificarea la încălzire pentru regimul de manevră când cârma se deplasează din

bord în bord, în limita unghiurilor maxime, max , şi pentru viteza nominală de marş

înainte a navei, se poate face prin mai multe metode. O metodă simplă şi suficient de precisă este metoda de verificare pe baza bilanţului termic.

Corespunzător acestei metode, motorul electric ales corespunde din punct de vedere al încălzirii dacă pierderile pe oră ale motorului electric pentru regimul nominal de lungă durată sunt mai mari sau cel puţin egale cu pierderile pe oră ale motorului electric pentru regimul real de lucru. Această condiţie se scrie sub forma:

t

0

0med0n PZt3600dtPZZEEP3600

în care:

Pn - pierderile de putere nominale, w, care se determină din datele nominale ale motorului:

n

n

n

n P1

P

E0 - energia pierdută de motorul electric în timp de 1 oră la mersul în gol, [jouli]:

0med0 PZt3600E

(5.137)

(5.138)

(5.139)

(5.140)

Z - numărul ciclurilor de deplasare a cârmei dintr-un bord în altul timp de 1 oră; se obţine împărţind 3600s la durata unui ciclu dat de relaţia (5.137);

medt - durata deplasării cârmei până la unghiul med, [s] (se determină din tabelul

5.6);

0P - pierderile de putere ale motorului la deplasarea inversă a cârmei pentru

revenirea în planul diametral (pierderi de mers în gol), [w]:

0

0

0

0 P1

P

P0 - puterea de mers în gol a motorului, w:

n0 P3,02,0P

E - pierderile de energie datorate lucrului util în perioada deplasării directe a cârmei, din planul diametral în bord (pentru deplasarea inversă motorul electric lucrează în regim de mers în gol), [jouli]:

t

0

dtPE

P - pierderile de putere ale motorului electric la deplasarea directă a cârmei.

Calculul pierderilor de energie datorate lucrului util se face pe cale grafică. Se

determină graficul funcţiei fP folosindu-se în acest scop graficele

fQ iº fp . Din aceste grafice pentru diferite valori ale unghiului în limitele de

la 0 la max se determină instQ,Q,p şi folosind relaţia (5.133) se calculează puterea P

obţinându-se în final curba fP reprezentată în figura 5.61.

Fig. 5.61. Curbele pentru calculul puterii pierderilor motorului electric de

acţionare a pompei Pentru fiecare valoare momentană a puterii se calculează pierderile cu relaţia:

P P1

în care este valoarea momentană a randamentului determinată după curba f P

pentru motorul electric ales sau se calculează cu relaţia:

b11

1

1

n

(5.141)

în care:

n - randamentul nominal;

a1

x

ax

b - mărime de calcul;

nP

Px - gradul de încărcare al motorului;

var

const

P

Pa - raportul pierderilor constante şi variabile, 15,0a

pentru motoare cu viteză mică, 21a pentru motoare cu viteză mare, pentru motoare folosite la acţionarea cârmei a = 1.

Pe baza datelor obţinute se construieşte graficul fP . Folosind datele din tabelul

5.6 în care pentru intervale mici de variaţie a unghiului se dau timpii, se reprezintă

graficul funcţiei tfP din figura 15.62.

Fig. 5.62. Metoda grafică de determinare a pierderilor de energie

Suprafaţa de sub curba tfP reprezintă energia pierderilor datorate lucrului

util. Pentru calcul se împarte curba în domenii mici, t , se calculează suprafeţele elementare şi prin însumare se obţine valoarea energiei E:

E P P P P tn0 1 2

Motorul electric ales corespunde din punct de vedere al încălzirii dacă este

îndeplinită condiţia (5.138).

(5.142)

6.Acţionarea electrică a mecanismelor auxiliare instalaţiilor de forţă şi

sistemelor navale

6.1. Caracterizare generală

Mecanismele auxiliare ale instalaţiilor de forţă şi sistemelor navale sunt: pompele,

ventilatoarele şi compresoarele. Acestea constituie pe navă grupul cel mai important al

consumatorilor de energie electrică, ajungând la aproape 50% din totalul energiei

consumate. Pe nave speciale cum ar fi tancurile petroliere, navele frigorifice, unde astfel de

mecanisme îndeplinesc funcţii productive, procentul de energie electrică consumată este mai

mare.

Toate aceste mecanisme auxiliare au o mare importanţă pentru navă şi sunt destinate

pentru:

1. deservirea principalelor instalaţii energetice ale navei. Din această categorie fac

parte, în primul rând, pompele cu destinaţii diferite: combustibil, ulei, răcire,

alimentare, circulaţie ş.a.

2. navigaţia fără pericol care constă în:

stabilitatea navei - se asigură prin funcţionarea pompelor de transvazare a apei,

combustibilului şi încărcăturilor lichide în scopul asietării navei şi aşezării ei pe

chilă dreaptă;

plutirea navei - se asigură prin funcţionarea pompelor care aruncă peste bord apa

din compartimentele inundate;

protecţia împotriva incendiilor realizată pe seama funcţionării pompelor de stins

incendii;

manevrabilitatea navei prin folosirea cârmei cu acţionare electrohidraulică a cărei

funcţionare se bazează pe pompele din compunerea instalaţiei;

3. crearea condiţiilor normale de muncă şi odihnă pentru echipaj. În această categorie o

importanţă deosebită o au ventilatoarele pentru asigurarea condiţiilor de mediu:

temperatură, umiditate şi pompele de apă potabilă şi sanitară;

4. păstrarea în siguranţă a mărfurilor. Pe navele moderne funcţionează instalaţii de

climatizare care asigură temperatura şi umiditatea necesară pentru păstrarea

mărfurilor pe durata transportului cu nava.

Pe navele speciale, cum ar fi tancurile petroliere, pompele care îndeplinesc funcţii

productive sunt de putere mare şi asigură manipularea mărfii în stare lichidă indeplinind un

rol similar cu cel al vinciurilor de încărcare de pe navele de transport mărfuri generale.

Parametrii de bază care caracterizează funcţionarea mecanismelor auxiliare sunt:

debitul, presiunea şi puterea întrebuinţată.

Debitul Q este determinat de cantitatea de lichid, aer sau gaz dată pe unitatea de timp şi

se măsoară, de regulă, în m3/h, m

3/s sau l/min. Reglarea debitului, solicitată de

caracteristicile de funcţionare ale unor instalaţii, se poate face prin:

reducerea secţiunii de refulare sau de absorbţie prin închiderea parţială a unei vane;

schimbarea vitezei electromotorului de acţionare;

transvazarea inversă a unei părţi a lichidului de la refulare la admisie (aplicată, de

exemplu, la pompele cu roţi dinţate sau cu şurub).

Dintre aceste procedee cel mai economic ar fi prin modificarea turaţiei

electromotorului, însă necesită complicarea schemei de comandă a acestuia. De aceea la

nave este folosită pe scară largă metoda reglării debitului prin folosirea unor vane de

reducere care este mai simplă decât celelalte.

Presiunea H este caracterizată de rezistenţa pe care trebuie să o învingă lichidul sau

gazul care se deplasează. Se deosebesc două valori ale presiunii: presiunea de refulare

măsurată la ieşire şi presiunea de absorbţie măsurată la intrare. Presiunea reprezintă în sine

cantitatea de energie transmisă de mecanism lichidului sau gazului, care se deplasează, pe

unitatea de greutate şi se măsoară în N m N/ (adică în metri) sau în unităţi de presiune

Pa (pascali).

Puterea P întrebuinţată de mecanism este puterea dezvoltată de electromotorul de

acţionare pentru funcţionarea mecanismului cu debitul şi presiunea dată.

16.2. Caracteristicile de bază ale mecanismelor auxiliare

Mecanismele auxiliare pot fi clasificate după destinaţie şi după principiul de

funcţionare.

După destinaţie se împart în două grupe principale: mecanisme auxiliare pentru

instalaţiile de putere ale navei şi mecanisme auxiliare pentru sistemele navale.

Din prima grupă fac parte mecanismele auxiliare care asigură funcţionarea instalaţiilor

de putere ale navei, cum ar fi:

* pompe de circulaţie pentru răcirea apei în condensator;

* pompe de răcire pentru motoarele principale şi auxiliare, compresoare ş.a;

* pompe pentru alimentarea cu apă a căldărilor;

* pompe de combustibil;

* pompe de ulei;

* ventilatoare pentru menţinerea temperaturii şi umidităţii aerului în compartimentul

maşini;

* ventilatoare care asigură funcţionarea căldărilor;

* ventilatoare pentru răcirea compartimentelor mecanismelor;

* suflante care asigură aerul necesar pentru funcţionarea motoarelor cu ardere

internă.

Din a doua grupă fac parte mecanismele auxiliare care asigură funcţionarea sistemelor

navale, cum ar fi:

* pompele de incendiu care asigură apa necesară pentru sistemul de stins incendiu;

* pompe de drenaj pentru îndepărtarea apei din compartimentele navei în care

acumulările acesteia au un caracter sistematic;

* pompe de balast pentru transvazarea apei din tancurile de balast;

* pompe de santină pentru îndepărtarea apei din forpic şi ahterpic, santina

compartimentului maşini, tunelul liniei axiale, cala magaziilor de mărfuri;

* pompe de alimentare cu apă dulce din tancurile dispuse pe navă;

* pompe pentru acţionarea hidraulică a cârmei;

* ventilatoare pentru compartimentele de locuit;

* ventilatoare exhaustoare pentru îndepărtarea gazelor nocive şi cu pericol de explozie

din magaziile de mărfuri;

* ventilatoare şi compresoare pentru asigurarea necesităţilor generale ale navei.

După principiul de funcţionare pompele sunt: cu piston, centrifuge cu palete şi

rotative cu roţi dinţate sau cu şurub.

Mecanismele pentru deplasarea aerului sau gazelor după valoarea presiunii realizate se

numesc ventilatoare, dacă presiunea raportată la presiunea atmosferică este 5,10,1p/p at ,

suflante, atunci când presiunea relativă este 406,1p/p at şi compresoare pentru

1003p/p at şi peste 100.

Pompele cu piston lucrează pe principiul absorbţiei lichidului şi pot fi cu acţiune simplă

sau dublă. În figura 6.1. este prezentată pompa cu acţiune simplă.

La deplasarea în sus a pistonului 1 se creează o depresiune, se deschide valvula 3 şi

lichidul absorbit intră în cilindrul 2. La coborârea pistonului lichidul este presat, se deschide

valvula de refulare 5. În acest mod la fiecare coborâre a pistonului în conducta de refulare 6

se transmite o cantitate de lichid determinată.

Debitul pompei se calculează cu formula:

sm60

nlAQ 3

v

unde:

A - suprafaţa pistonului, m2;

l - cursa pe care o face pistonul într-o direcţie;

n - numărul de cicluri pe minut (un ciclu corespunde unei urcări şi coborâri a

pistonului);

v - coeficientul de volum al presiunii care ţine seama de scurgerile de lichid prin

neetanşeităţile din cilindru şi care are valori în limitele de la 0,85 la 0,9.

Fig. 6.1. Pompa cu piston cu acţiune simplă

Pompele cu piston se caracterizează prin:

construcţie relativ simplă;

posibilitatea de a realiza presiuni mari;

valori mari ale randamentului ( 8,05,0pompã - valorile mari pentru puteri mari);

(16.1)

7.1)

posibilitate de autoamorsare şi permanent pregătite pentru funcţionare.

Cuplarea cu electromotorul necesită un mecanism intermediar de tip bielă - manivelă

pentru transformarea mişcării de rotaţie în mişcare de translaţie.

Pompele cu palete se împart în pompe centrifuge şi pompe cu elice. Dintre acestea,

pompele centrifuge sunt cele mai utilizate în instalaţiile navale.

Fig. 6.2. Pompa centrifugă

Pompa centrifugă, reprezentată în figura 6.2., se compune din rotorul cu palete 1, dispus

în corpul pompei sub formă de melc 2. Pompa, iniţial, este umplută cu lichid. Mişcarea

rotorului cu palete în lichid imprimă acestuia o viteză de deplasare spre periferia corpului şi

creează în centru o depresiune. În locul lichidului refulat prin conducta 4 se primeşte o nouă

cantitate de lichid prin conducta de absorbţie 3 cuplată cu zona centrală a rotorului. Viteza

lichidului, aruncat spre periferia corpului, scade şi ca urmare creşte presiunea lichidului în

conducta de refulare. Pentru obţinerea unor presiuni înalte (peste 2 5 106, Pa ) se folosesc

pompe cu mai multe trepte care au câteva rotoare dispuse pe un singur ax antrenat de

electromotorul de acţionare.

Pompele centrifuge se caracterizează prin:

simplitatea construcţiei;

număr minim de piese supuse uzurii;

admit funcţionarea cu lichid care conţine impurităţi;

cuplarea directă cu electromotorul de acţionare;

pentru funcţionare pompa şi conducta de aspiraţie trebuie să fie umplute cu

lichid.

Amorsarea pompei se menţine între două funcţionări succesive prin valvula de reţinere

montată la intrarea lichidului în conducta de admisie.

Debitul pompelor centrifuge este direct proporţional cu turaţia:

nCvAQ 1

unde:

A - suprafaţa secţiunii transversale a rotorului cu palete la intrare;

n2v - viteza periferică la ieşirea din canalele rotorului;

(6.2)

n - turaţia în rot/s.

Presiunea realizată este proporţională cu pătratul vitezei:

2

2

2

nCg2

vH

În figura 6.3. se prezintă caracteristicile universale ale pompelor centrifuge care

exprimă variaţia presiunii relative H/Hn în funcţie de debitul relativ Q/Qn pentru diferite

valori ale turaţiei relative n/nn.

Fig. 6.3. Caracteristicile universale ale pompelor centrifuge

Principiul de funcţionare al pompelor cu elice este prezentat în figura 6.4.

Fig. 6.4. Principiul de funcţionare al pompelor cu elice

Pompele cu elice sunt pompe care realizează presiuni mici, în limitele 10 15m, în

schimb prezintă avantajul realizării unor debite mari în condiţiile unor randamente ridicate.

Pompele rotative sunt de două tipuri: cu roţi dinţate şi cu şurub. Astfel de pompe se

folosesc de regulă pentru lichide cu vâscozitate mare: combustibil, ulei ş.a.

(6.3)

Fig. 6.5. Pompa cu roţi dinţate

Pompa cu roţi dinţate, reprezentată în figura 6.5, se compune din roata dinţată de

comandă 4 şi roata dinţată condusă 2 montate într-un corp comun 1. Prin rotirea roţilor,

lichidul care umple corpul pompei se deplasează de-a lungul corpului din camera de

absorbţie 5 în camera de refulare 3.

Deplasarea inversă a lichidului este blocată de interstiţiul mic dintre suprafaţa interioară

a corpului şi roţile dinţate aflate în mişcare de rotaţie. Se crează o diferenţă de presiune

între admisie şi refulare sub acţiunea căreia se deplasează lichidul.

Pompele cu roţi dinţate se caracterizează prin:

gabarit şi mase mici;

uniformitatea curgerii lichidului;

posibilitatea de a realiza presiuni înalte ( ~ 107 Pa );

cuplarea directă cu electromotorul de acţionare;

posibilitate mică de absorbţie;

execuţie pretenţioasă, necesită ajustări precise între părţile componente.

Ventilatoarele formează o grupă foarte numeroasă a mecanismelor auxiliare navale

cu acţionare electrică. În funcţie de destinaţie se împart în două grupe:

a) ventilatoare care deservesc instalaţiile electrice principale ale navei şi sunt destinate

pentru menţinerea temperaturii necesare şi compoziţiei aerului în compartimentele maşini

precum şi pentru a asigura funcţionarea instalaţiilor aferente căldărilor;

b) ventilatoare care asigură nevoile generale ale navei şi fac parte din sistemul de

climatizare care asigură schimbarea aerului din compartimentele de locuit, îndepărtarea

gazelor nocive sau cu pericol de explozie din magaziile de marfă sau încăperi cu grad ridicat

de pericol.

În instalaţiile navale ventilatorul de tip centrifugal, prezentat în figura 5.6. este cel

mai răspândit.

Corpul ventilatorului 1 este realizat sub formă de melc şi are dispus în interior,

rotorul cu palete 2. La ventilatoarele de puteri reduse, rotorul cu palete este dispus direct pe

axul electromotorului de acţionare 3, aşa cum se prezintă în figura 6.6. Principiul de

funcţionare al ventilatorului este acelaşi cu cel al pompelor centrifuge. Aerului aspirat în

centrul rotorului cu palete, sub acţiunea forţei centrifuge, i se imprimă o viteză de deplasare

spre periferie, care se transformă în presiune refulată pe sistemul de conducte.

Puterea întrebuinţată de ventilator se determină cu formula:

kW10

HQP

mec

3

în care:

Q - debitul ventilatorului, m3/s;

H - presiunea, Pa;

mec - randamentul mecanic al ventilatorului, de obicei egal cu 0 5 0 75, , .

Fig. 6.6. Ventilator centrifugal

Suflanta reprezintă un tip particular al ventilatorului centrifugal. Particularitatea constă

într-o construcţie mecanică mai robustă care permite dezvoltarea unor viteze periferice

superioare capabile să producă presiuni mai mari.

Suflantele navale deservesc motoarele cu ardere internă şi căldările navale.

Compresoarele navale asigură aerul comprimat folosit pentru pornirea motoarelor cu ardere internă, principale şi auxiliare. De asemenea compresoarele se folosesc în instalaţiile frigorifice şi de climatizare precum şi pentru furnizarea aerului necesar altor consumatori de la navă.

După principiul de funcţionare compresoarele sunt cu piston şi turbocompresoare (centrifugele). Dintre acestea, compresoarele cu piston sunt cele mai întrebuinţate în instalaţiile navale. Principiul de funcţionare este asemănător cu cel al pompelor cu piston. Reglarea debitului prin schimbarea turaţiei se foloseşte rar. De regulă compresorul lucrează în tampon cu o butelie şi pentru a menţine presiunea în butelie, între anumite limite, periodic se cuplează funcţionarea compresorului.

Puterea teoretică a compresorului, se calculează cu formula:

kWHQ13,0P

unde:

Q - debitul compresorului, m3/s;

H, presiunea Pa.

Pentru alegerea motorului electric de acţionare este necesar să se ia în calcul şi valoarea randamentului mecanic al compresorului.

(6.4)

(6.5)

6.3. Alegerea motoarelor electrice pentru acţionare şi calculul puterii Alegerea motoarelor electrice. Pentru pompele şi ventilatoarele centrifugale se

folosesc, în curent continuu, motoarele electrice cu excitaţie mixtă, iar în curent alternativ, motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit.

Pompele şi ventilatoarele centrifuge au puterea utilă proporţională cu cubul turaţiei, 3nP şi de aceea au caracteristici uşoare de pornire. Motorul asincron cu rotorul în

scurtcircuit, care are caracteristica mecanică rigidă şi valoare redusă a cuplului de pornire, corespunde pe deplin cerinţelor impuse de acţionarea pompelor şi ventilatoarelor. La motoarele de curent continuu prezenţa unei uşoare excitaţii serie se foloseşte pentru menţinerea turaţiei necesare la oscilaţii ale tensiunii reţelei.

Condiţii grele de pornire sunt date de pompele şi compresoarele cu piston. La acestea cuplul de pornire poate depăşi de două ori valoarea nominală. Aceste condiţii grele sunt datorate creşterii frecărilor în perioada pornirii între pistoane, segmenţi, garnituri şi existenţei unui moment dinamic mare dat de masele de inerţie ale sistemului. De aceea pentru pompe şi compresoare cu piston se folosesc motoarele asincrone cu alunecare mărită (bare înalte sau dublă colivie) care permit obţinerea unor cupluri de pornire mai mari.

În funcţie de condiţiile de lucru ale mecanismului auxiliar, motorul electric se alege în execuţie protejată la picături, etanşă sau ermetică.

În tabelele 16.1. şi 16.2. se dau caracteristicile tehnice ale unor tipuri de electromotoare folosite pentru acţionarea electrică a mecanismelor auxiliare.

Regimul de lucru al motoarelor electrice care acţionează pompele şi ventilatoarele este, în mod obişnuit, un regim de lungă durată cu sarcină constantă.

Tabelul 6.1

Caracteristicile tehnice ale electromotoarelor de curent continuu în execuţie

protejată la picături

Tipul P U=110V U=220V n

[kW] I, [A] % I, [A] % rot/min

21M 0,6 - - 4 68 1400

0,66 8,4 72 - - 1500

22M 0,84 - - 5,1 74,5 1400

0,95 11,07 78 - - 1500

31M 1,2 - - 7,2 75,5 1400

1,4 16,6 76,5 - - 1500

32M 2 - - 11,5 79 1400

2,2 24,5 81,5 - - 1500

40M 2,7 - - 17,5 70 1400

2,8 35 72 - - 1500

41M 3,4 - - 21 73,5 1400

3,9 46,2 77 - - 1500

42M 4,2 - - 24,7 77 1400

4,6 53,3 81 - - 1500

51M 6,4 - - 36,6 79 1400

7,4 83,6 79,5 - - 1500

Caracteristicile tehnice ale electromotoarelor de curent continuu în execuţie

protejată la picături

Tipul P U=110V U=220V n

[kW] I, [A] % I, [A] % rot/min

52M 8,8 97,8 81,5 48 82,5 1500

61M 12 130 84 65 84 1500

62M 16 171 85 85 85,5 1500

21M 1,4 - - 8,25 77 2800

1,4 16,6 76,5 - - 3000

22M 2,1 - - 11,8 80,5 2800

2,1 23,2 82,4 - - 3000

31M 3 - - 16,7 81,3 2800

3 33,2 82 - - 3000

32M 4,1 - - 22 84,5 2800

4,2 45 85 - - 3000

40M 6 - - 36,5 74,5 2800

6,1 70 79 - - 3000

41M 8 - - 44 82,5 2800

8 89,5 81 - - 3000

42M 10 - - 54,5 83 2800

11 118,3 87,5 - - 3000

51M 13,5 - - 73 84 2800

14,5 153 85 - - 3000

52M 16 - - 84,5 86 2800

20 207 86 - - 3000

61M 21 - - 111 86 2800

26 268 88 - - 3000

62M 27 - - 142 86,5 2800

31 318 88 - - 3000

71M 22 244 82 121 82,5 1500

72M 27 290 84,5 144,5 85 1500

81M 34,5 - - 183,5 85,5 1500

71M 41 - - 216 86 3000

72M 50 - - 262 86 3000

81M 64 - - 340 86 3000

Tabeull 16.2.

Caracteristicile tehnice ale motoarelor asincrone cu rotor în scurtcircuit în execuţie

protejată la picături

Tip P n Curent [A] cos Ip/In Mp/

Mn [k

W]

rot/

min

220

V

380

V

%

AOM31-4 1,0 1390 5,45 3,15 68 0,71 4 1,9 AOM32-4 1,5 1390 7,62 4,40 70 0,74 4 1,9 AOM41-4 2,2 1420 9,75 5,63 75 0,79 4,7 1,5 AOM42-4 3,2 1410 13,1

5

7,60 78 0,82 5,5 1,9 AM51-4 4,5 1420 18,5 10,7 78 0,82 5,0 1,4 AM52-4 6 1425 23,2 13,4 82 0,83 5,3 1,4 AM61-4 8 1420 29,8 17,2 84 0,85 5,3 1,4 AM62-4 11 1415 41,5 24,1 84 0,83 6,1 1,7 AM71-4 14 1430 51,4 31,4 84,5 0,80 5,0 1,4 AM72-4 19 1430 67,5 39 86 0,86 5,0 1,4 AM81-4 25 1435 84 48,5 88 0,89 5,1 1,4 AM82-4 32 1440 109,

5

63,3 88 0,87 5,2 1,5 AM91-4 42 1440 155 89,5 87 0,82 5,2 1,5 AM92-4 55 1440 201 116 87,5 0,82 5,3 1,5

AOM31-2 1,5 2855 6,44 3,72 72 0,85 5 1,6 AOM32-2 2,2 2850 8,64 5,0 76 0,88 5,5 1,9 AOM41-2 3,2 2870 12,7 7,33 79 0,84 6 1,7 AOM42-2 4,5 2870 16,4

0

9,47 82 0,88 6,8 1,8 AM51-2 6 2900 21,3 12,4 83 0,89 6,6 1,5 AM52-2 8 2850 27,8 12,1 84 0,9 7,0 1,8 AM61-2 11 2900 38,3 22,4 84,5 0,88 6,3 1,6 AM62-2 14 2850 48,9 28,3 83,5 0,9 6,0 1,4 AM71-2 19 2900 65,2 37,7 86 0,89 5,8 1,4 AM72-2 25 2900 85 49,1 85 0,9 5,8 1,4 AM81-2 35 2854 125,

5

72,5 87 0,84 4,7 1,2 AM82-2 42 2890 148 85,5 88,8 0,84 5,5 1,4 AM91-2 55 2895 209 120 85,5 0,81 4,5 1,4 AM92-2 73 2895 265 153 87 0,83 5,0 1,5

Calculul puterii motorului electric. Puterea necesară pentru acţionare este în funcţie

de debitul şi presiunea realizată de pompă şi se determină cu relaţia:

kW10

HHQP

pompã

3

st

unde:

Q debitul pompei, m3/s;

- greutatea specifică a lichidului, N/m3;

Hst - presiunea statică, m;

H - pierderile de presiune în conducte şi rezistenţe locale, m;

pompă - randamentul pompei (pentru pompe cu piston de la 0,5 la 0,8, pentru pompe

centrifuge de la 0,4 la 0,75).

Pierderile de presiune în conducte reprezintă:

(6.6)

LT HHH

în care:

TH - pierderile în tubulatură;

LH - pierderi datorate rezistenţelor locale, coturi, vane, clapeţi ş.a.

Pierderile în tubulaturi se determină cu formula:

mg2

v

d

lH

2

T

în care:

- coeficient de frecare care poate fi considerat, cu aproximaţie, = 0,025;

l şi d - lungimea şi diametrul conductei, m;

v - viteza lichidului, m/s;

g - acceleraţia gravitaţională, m/s2.

În cazul în care secţiunea conductei este dreptunghiulară, în calculul relaţiei (6.8) se

introduce diametrul secţiunii circulare echivalente, determinat cu relaţia:

ba

ab2d

în care a şi b sunt dimensiunile secţiunii dreptunghiulare.

Pierderile locale se calculează pe baza stabilirii unor lungimi de tubulatură liniară

echivalentă cu pierderile locale. În urma calculelor efectuate s-au stabilit lungimile

echivalente pierderilor locale prezentate în tabelul 6.3.

Tabel 6.3.

Diametrul tubulaturii

[mm]

lechiv

robinet

lechiv

cot

lechiv

clape

t

lechiv

valvulă lechiv valvulă în unghi

50 1,0 0,3 0,5 10,0 5

76 1,5 0,5 0,8 17,0 8

100 2,0 0,8 1,2 25,0 12

150 3,0 1,4 1,9 45,0 20

254 5,1 2,8 4,1 95,0 40

303 6,0 3,6 5,2 115,0 50

Cunoscând alcătuirea reţelei de conducte alimentată de pompă, se determină

lungimea echivalentă pentru toate rezistenţele locale şi se calculează pierderile locale cu

formula:

g2

v

d

lH

2echiv

L

Din relaţiile (6.7), (6.8), şi (6.10) rezultă că valoarea pierderilor totale este:

(6.7)

(6.8)

(6.9)

(6.10)

(6.11)

echiv

2

llg2

v

dH

iar presiunea totală a pompei se calculează cu relaţia:

g2

v

dllHHHH

2

echivstst

Înlocuind în relaţia (6.12) viteza în funcţie de debit:

A

Qv

se obţine:

2

2

echivstAg2

Q

dllHH

Pentru calculul puterii motorului electric sunt necesare ca date iniţiale: debitul Q,

înălţimea Hst până la care trebuie urcată coloana de lichid şi viteza care se alege

corespunzător cerinţelor registrului de clasificare. Dispunând de aceste date algoritmul de

calcul constă în:

se calculează diametrul tubulaturii pentru debitul şi viteza dată, se stabileşte traseul

de conducte şi se determină lungimea totală a acestora;

se stabilesc elementele care dau pierderile locale şi se calculează lungimea

echivalentă a acestora;

se calculează pierderile în tubulaturi şi locale cu relaţia (6.12) sau (6.13) se

determină înălţimea totală H;

având cunoscute debitul Q şi înălţimea H, cu relaţia (6.6) se calculează puterea

motorului electric.

La alegerea motorului electric din catalog, puterea de calcul, obţinută cu relaţia (6.6), se

majorează cu 10% pentru pompele cu piston şi cu 16% pentru pompele centrifuge. Această

majorare este necesară întrucât turaţia de catalog a motorului este dată cu o precizie de 5%

şi în cazul în care viteza reală este mai mare cu 5%, datorită caracteristicilor pompei,

puterea solicitată la axul electromotorului are o creştere importantă.

Verificarea motorului electric ales nu este necesară având în vedere că acesta lucrează

în regim de lungă durată cu sarcină constantă, apropiată de valoarea nominală. În cazul

folosirii pompelor cu mase mari de inerţie este necesar să se facă verificarea la încălzire numai

pentru perioada de pornire.

Încălzirea motorului în perioada de pornire se calculează cu relaţia:

a

cucu

tcG

P

în care:

WRIP 2

p - puterea pierdută la pornire în cuprul înfăşurărilor;

Gcu - greutatea cuprului înfăşurărilor;

ccu = 390j/kg°C - capacitatea termică a cuprului;

ta - durata regimului tranzitoriu de accelerare pe timpul pornirii.

După unele înlocuiri şi transformări se obţine relaţia de calcul:

(6.12)

(6.13)

(6.14)

a

2

p

2

nt

150

ij

unde:

jn - densitatea de curent a cărei valoare pentru înfăşurările

maşinilor electrice este în limitele 4 - 5A/mm2;

ip = Ip/In - valoarea relativă a curentului de pornire.

Motorul electric asigură regimul tranzitoriu de pornire dacă valoarea temperaturii nu

depăşeşte 100°C. În caz contrar se va alege un motor cu putere mai mare, capabil să scurteze

perioada de accelerare, ta.

6.4. Scheme electrice de comandă a acţionării pentru mecanismele auxiliare

Particularităţile schemelor electrice de comandă a acţionărilor mecanismelor auxiliare

sunt determinate de regimul lor de lucru. Pompele, ventilatoarele şi compresoarele navale au

frecvenţă redusă de conectare, nu necesită reversare, frânare şi funcţionează de obicei fără

reglarea turaţiei. Aceste particularităţi ale mecanismelor auxiliare simplifică schema

electrică de comandă al cărui rol se reduce numai la pornirea, oprirea şi protecţia

electromotorului.

Sisteme de comandă în curent continuu

a. Cuplarea directă la reţea se foloseşte pentru puteri mici în limitele 0 5 10, , kW .

b. Comanda cu reostate de pornire se foloseşte de regulă pentru puteri până la 10 -

15kW, putând ajunge în unele cazuri particulare până la 80kW (de exemplu în cazul

pompelor de incendiu sau de drenaj).

Reostatul poate fi comandat local şi de la distanţă prin intermediul unui servomotor. În

circuitul servomotorului se introduce un contact de sfârşit de cursă astfel ca oprirea lui să fie

posibilă numai după scoaterea în întregime a rezistenţei de pornire din circuitul motorului.

Reostatul, în afara rezistenţei de pornire, poate să mai conţină: releu de curent pentru

protecţie la suprasarcină, releu de tensiune pentru protecţie la tensiune minimă şi contactor

de linie, care realizează conectarea motorului şi deconectarea, voită prin butoane, sau ca

urmare a acţiunii releelor de protecţie.

c. Comanda prin contactoare şi relee este forma de bază, modernă, a comenzii

mecanismelor auxiliare care poate fi aplicată pentru orice putere. Se construiesc, în acest

scop, serii de pornitoare magnetice pentru puteri de la 3 la 160kW. Schema de comandă

automată a treptelor rezistenţelor de pornire, cea mai des folosită, este în funcţie de timp.

Dar pot fi întâlnite şi celelalte forme ale comenzii automate: funcţie de curent şi funcţie de

viteză (tensiune electromotoare).

Pentru executarea comenzii, posturile de comandă locală sau de la distanţă folosesc

butoane sau controlere de comandă.

Sisteme de comandă în curent alternativ

În acţionările de curent alternativ pentru mecanismele auxiliare se întrebuinţează, în

cele mai multe cazuri, motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit.

(6.15)

Cuplarea directă, procedeul cel mai larg utilizat, se aplică în toate cazurile în care

puterea motorului electric nu depăşeşte 20% din puterea generatorului centralei electrice,

gm P2,0P . Atunci când puterea motorului electric este mai mare, gm P2,0P , este necesar

să se asigure limitarea curentului de pornire prin diferite procedee. Dintre acestea, la nave,

cele mai utilizate sunt:

Conectarea unor rezistenţe sau reactanţe în circuitul statorului pentru limitarea

curenţilor de pornire prin reducerea tensiunii aplicate motorului în perioada de pornire.

Reducerea tensiunii se realizează pe seama căderii de tensiune pe rezistenţele sau reactanţele

introduse în circuit, la pornire. Acest procedeu, relativ simplu şi puţin costisitor, conduce, în

acelaşi timp şi la o reducere însemnată a cuplului de pornire. În cazul unor mecanisme

auxiliare cu pornire în sarcină, reducerea cuplului de pornire reprezintă un dezavantaj

important. Procedeul se aplică cu rezultate bune pentru mecanismele auxiliare cu

caracteristica mecanică tip ventilator care nu necesită cupluri mari de pornire.

După pornire, rezistenţele sau reactanţele se deconectează şi motorului i se aplică

tensiunea nominală.

Conectarea stea - triunghi a înfăşurărilor statorului. Procedeul se poate aplica numai

la motoarele asincrone la care în mod normal înfăşurările statorului sunt cu conexiunea în

triunghi. Metoda este simplă şi se aplică pentru mecanisme auxiliare cu porniri rare

deoarece trecerea bruscă de la stea la triunghi duce la creşterea curentului de pornire de 5 - 6

ori şi ca rezultat apar şocuri mecanice bruşte care pot avea o influenţă negativă asupra

acţionării pe parcursul unei exploatări îndelungate.

Conectarea unor rezistenţe în circuitul rotorului se foloseşte în cazul motoarelor

asincrone cu rotor bobinat. Astfel de motoare sunt întâlnite rar la nave şi de obicei se

folosesc în cazul în care mecanismul executor solicită şi reglarea vitezei.

Folosirea aututransformatorului pentru pornire este o soluţie tehnică foarte bună

care permite reducerea curentului de pornire, menţinând în acelaşi timp o valoare ridicată a

cuplului de pornire, spre deosebire de celelalte procedee de reducere a tensiunii aplicate la

pornire. În general treapta de reducere a tensiunii este 0 55 0 65, , Un sau 0,8Un.

Dezavantajul acestui sistem comparativ cu celelalte constă în creşterea

dimensiunilor, masei şi preţului de cost.

Schemele electrice de comandă a acţionării mecanismelor auxiliare pentru

instalaţiile de forţă şi sistemele navale, în funcţie de importanţa acestora, trebuie să asigure:

siguranţă în funcţionare şi deservire simplă;

pornire uşoară;

posibilitatea comenzii locale, de la distanţă şi automatizarea pornirii în funcţie de

regimul de lucru al instalaţiilor din care fac parte mecanismele auxiliare;

economie în funcţionare la regimul nominal şi la reglarea vitezei;

reglarea comodă a vitezei pentru mecanismele care necesită această reglare.

Deoarece grupul mecanismelor auxiliare este cel mai numeros pe navă acesta poate fi

împărţit pe subgrupe care folosesc aceeaşi schema de comandă a acţionării electrice. Pentru

exemplificare se prezintă, pe tipuri de pornitoare magnetice şi destinaţii schemele electrice

de comandă a mecanismelor auxiliare de la o navă de transport cu deplasament 2000 tdw.

În figura 6.7. este prezentată schema de comandă cel mai frecvent utilizată. Numărul

mecanismelor auxiliare pentru care se foloseşte această schemă este mult mai mare decât

cele menţionate în tabelul din schemă pentru exemplificare. Pornirea motorului electric se

face prin butoane de la postul local, bh, montat în apropierea mecanismului antrenat.

Protecţia motorului la suprasarcină este realizată cu relee termice, et, iar la scurtcircuit cu

siguranţe fuzibile. Schema de comandă se alimentează de la un transformator coborâtor de

tensiune 380 24V prin întrerupătorul a1. Funcţionarea schemei este simplă şi nu necesită alte

explicaţii. În schema de montaj prezentată în figură se observă că elementele schemei:

contactor, relee termice, siguranţe, transformator, întrerupător de separare, a, sunt montate

într-un sertar sau tablou numit pornitor magnetic. Pornitorul magnetic este alimentat de la

reţea şi de la el pleacă un cablu pentru motorul electric şi altul pentru postul de comandă

locală care conţine lampa de semnalizare a funcţionării motorului electric şi butoanele

pentru comanda pornirii şi opririi acestuia.

Pentru puteri diferite ale motoarelor electrice care folosesc acest tip de schemă de

comandă, aparatajul electric se alege corespunzător.

Fig. 6.7. Schema electrică de comandă pentru pompe şi ventilatoare de utilizări

generale

Schema electrică de comandă a pompelor submersibile este prezentată în figura 6.8.

Conectarea motorului electric la sistemul de alimentare şi comandă se face prin prize cu

întrerupător. Întrerupătorul automat a1 asigură protecţia la suprasarcină şi scurtcircuite.

Conectarea se face manual iar deconectarea automat ca urmare a acţiunii protecţiei. Pornirea

şi oprirea pompei este realizată de contactorul C comandat prin butoane de la un post local,

bh. Elementele schemei de comandă alcătuiesc pornitorul magnetic de tip P2.

Fig. 6.8. Schema electrică de comandă pentru pompe submersibile

În figura 6.9. este prezentată schema de comandă pentru compresoare şi pompe care

alimentează hidrofoare. Alimentarea de la reţea se face prin întrerupătorul automat a, care

asigură protecţia la suprasarcină şi scurtcircuit. Funcţionarea acestor mecanisme poate fi în

regim manual sau automat. Alegerea regimului de funcţionare se face prin punerea

comutatorului b1 pe una din poziţiile I - manual sau II - automat.

În regim manual comanda pornirii şi opririi se face cu butoanele de comandă b2 şi b3.

Pentru regimul automat comenzile de pornire şi oprire se dau de către traductoarele de

presiune f. Traductorul de presiune minimă are rolul butonului de pornire. La atingerea

valorii minime se închide contactul de presiune minimă şi este pornit motorul electric de

acţionare, de exemplu, al pompei de alimentare a hidroforului. Când presiunea hidroforului

ajunge la limita maximă traductorul de presiune maximă, care are un rol similar cu butonul

de oprire, comandă oprirea pompei de alimentare.

În hidrofoare sau în buteliile de aer, la funcţionarea în regim automat, se menţine

presiunea între o valoare minimă şi o valoare maximă. De regulă se lasă un domeniu mai

larg între valorile de minim şi maxim pentru a nu avea porniri şi opriri cu frecvenţă mare a

pompelor sau compresoarelor.

Funcţionarea pompelor sau compresoarelor este semnalizată de lampa de semnalizare de

la postul local de comandă, bh. Pentru compresoarele de aer destinate lansării motoarelor

principale se montează suplimentar a doua lampă de semnalizare în PSCM (post de

supraveghere şi comandă maşini) având în vedere importanţa existenţei aerului de lansare

pentru siguranţa navei.

Aprinderea într-un anumit ritm a lămpii de semnalizare în PSCM indică funcţionarea

normală a instalaţiei de aer. Micşorarea duratei între aprinderile succesive indică faptul că pe

instalaţia de aer sunt scăpări şi trebuie să se intervină pentru depistarea şi eliminarea acestora.

De asemenea, neaprinderea lămpii o durată mai mare de timp poate indica o defecţiune în

funcţionarea compresorului şi de asemenea trebuie să se intervină.

Fig. 6.9. Schema electrică de comandă pentru compresoare de aer şi pompe care

alimentează hidrofoare

Schemele electrice de comandă pentru vinciurile electromanuale sunt prezentate în figura

6.10. Aceste mecanisme, deşi nu fac parte din categoria mecanismelor auxiliare, sunt

prezentate împreună cu acestea întrucât folosesc pentru comandă pornitoare magnetice de

tipuri similare. Funcţionarea vinciului pentru gruiul bărcii de salvare se comandă manual prin

butonul b1. Mişcarea durează cât timp se ţine apăsat butonul. Acţionarea electrică este folosită

numai la ridicarea bărcii, coborârea fiind efectuată sub acţiunea greutăţii proprii. Cuplarea cu

mecanismul de acţionare se face printr-un ambreiaj cu fricţiune care permite prin apăsarea

manuală a unei pârghii să se schimbe raportul de transmisie şi să se obţină pe această cale

modificarea vitezei la ridicarea şi la coborârea bărcii. Acelaşi tip de vinci electromanual este

folosit şi pentru ridicarea scării de bord. Pentru limitarea mişcării şi interzicerea funcţionării

acţionării electrice, atunci când se intenţionează să se execute manual ridicarea bărcii, în

schemă sunt prevăzute limitatoarele de cursă b2, b3, b4.

Schema de comandă a vinciului pentru transfer containere,spre deosebire de cazul

precedent, permite funcţionarea motorului electric în ambele sensuri. În acest scop sunt

folosite contactoarele C1, C2 şi butoanele b1, b2, iar b3 este contactul limitatorului de cursă.

Fig. 6.10. Scheme electrice de comandă pentru vinciuri electromanuale:

a. vinci grui bărci de salvare; b. vinci pentru transfer containere

Fig. 6.11. Scheme electrice de comandă pentru agregate care fac parte din instalaţii cu

funcţionare automată: a. filtroventilaţie; b. caldarină

În figura 6.11. sunt prezentate schemele electrice de comandă pentru agregate care fac

parte din instalaţii cu funcţionare automată. În cazul filtroventilaţiei comutatorul b1 permite

alegerea regimurilor: I - manual, 0 - stop, II - automat. La comanda automată, prin contactul

b4 se asigură pornirea şi oprirea ventilatoarelor. Acest contact aparţine instalaţiei ce

funcţionează automat şi conectarea sau deconectarea lui se face în funcţie de parametrii

reglaţi.

În al doilea caz, funcţionarea motorului electric de antrenare a pompei de alimentare a

caldarinei este comandată de instalaţia de automatizare a caldarinei. Intervenţia manuală nu

este posibilă decât tot prin sistemul de comandă automată. De asemenea o serie de contacte

auxiliare ale contactorului C sunt folosite în instalaţia de automatizare a caldarinei pentru

semnalizări sau condiţionări în funcţionarea altor elemente din compunerea schemei.

La nave, pentru a simplifica schema de distribuţie a energiei electrice necesară

alimentării grupului mare de mecanisme auxiliare, acestea se grupează pe zone şi

pornitoarele magnetice pentru mecanismele auxiliare dintr-o zonă sunt montate într-un

tablou de forţă. În figura 6.12. este prezentată schema monofilară a unui tablou secundar de

forţă. Acest tablou este alimentat din tabloul principal de distribuţie şi conţine pornitoarele

magnetice pentru mecanismele auxiliare din zona în care este instalat. În acest fel se obţine

scurtarea reţelelor de cabluri şi micşorarea numărului consumatorilor racordaţi la tabloul

principal de distribuţie. De asemenea, la constituirea tablourilor secundare de forţă se are în

vedere pe cât este posibil, ca acestea să conţină consumatori de acelaşi fel: pompe,

ventilatoare sau compresoare.

Fig. 6.12. Schema electrică a tabloului secundar de distribuţie forţă

În schemele electrice, prezentate in figurile 16.7 ….16.12 pornirea motorului asincron

in scurtcircuit se realizeaza prin cuplarea directă la reţeaua navei. Sistemul de pornire prin

cuplare directă este cel mai simplu şi ca urmare este cel mai utilizat pentru mecanismele

auxiliare la care puterea motorului electric de acţionare este mică comparativ cu puterea

generatorului din centrala electrică a navei.

În cazul navelor la care pentru unele mecanisme auxiliare puterea motorului electric

de acţionare depăşeşte 20% din puterea generatorului (popma de incendiu, compresoare,

s.a). Se folosesc scheme electrice care permit reducerea curentului de pornire. Procedeele

folosite sunt: conectarea unor rezistente sau reactante în circuitul statorului, conectarea stea-

triunghi, folosirea autotransfor-matoarelor pentru pornire. Dintre acestea, la nave procedeele

întâlnite frecvent sunt primele doua. Folosirea autotransformatorului, soluţie tehnică foarte

bună, este mai rar utilizată întrucât conduce la creşterea dimensiunilor, masei şi preţului de

cost.

Schema de pornire prin conectarea stea-triunghi a înfăşurărilor statorului este

prezentată în fig.6.13.

Elementele componente ale schemei din fig. 6.13 sunt:

M - motor asincron cu rotorul în scurtcircuit

C1 - contactor de linie

C2 - contactor pentru conectarea înfăşurărilor statorului în stea

C3 - contactorul pentru conectarea înfăşurărilor în triunghi

d1,d2 - relee de timp cu temporizare la revenire

et1,et2 - relee termice de protecţie maximală

b1,b2 - butoane pentru comanda locală

b3,b4 - butoane pentru comanda de la distanţă

La aplicarea tensiunii de alimentare sunt conectate releele d1, d2, se închid contactele

d1 (2-4), d2 (2-4) şi schema este pregatită pentru funcţionare. Motorul electric este în

repaus.

Pentru pornire se apasă pe butonul b1(b3 în cazul pornirii de la distanţă). Este

alimentată bobina contactorului C2 şi prin contactul C2 (2-4) este alimentat şi contactorul

C1. Se închid contactele principale ale contactoarelor C1 C2 şi motorul porneste cu

înfăşurările conectate în stea.În acelasi timp se deschid contactele C1 (3-5), C1 (7-9) şi se

întrerupe în primul moment alimentarea releului d1

După expirarea timpului de întârziere al releului d1 se deschide contactul d1 (2-4) si se

întrerupe alimentarea releului d2 cu întârziere, se deschide contactul d2 (2-4) din circuitul

contactorului C2. Se întrerupe alimentarea contactorului C2 şi prin închiderea contactului C2

( 3-5) este alimentat contactorul C3. Ca urmare se întrerupe conexiunea stea şi se realizează

conectarea înfăşurărilor statorului în triunghi. Aprinderea lămpilor de semnalizare h1,h2

semnalizează, local şi la distanţă, terminarea procesului tranzitoriu de pornire.

Pentru oprire se apasă pe butonul b2 (b4 în cazul opririi de la distanţă) se întrerupe

alimentarea schemei de comandă şi motorul electric se opreşte. La încetarea apăsării pe

butonul de oprire schema de comandă revine la situaţia iniţială fiind pregatită pentru o nouă

pornire.

Releele termice et1, et2 asigură protecţia maximală de curent La apariţia suprasarcinii

cu întârziere, se deschid contactele releelor şi se întrerupe funcţionarea motorului.

Fig. 6.13 Schema de pornire automata cu reducerea curentului de pornire prin conectarea

stea-triunghi .

7. Aparate şi sisteme automate de comandă, control şi semnalizări

specifice navale

7.1. Felinarele de navigaţie

Tabloul felinarelor de navigaţie alimentează prin circuite separate felinarele de poziţie

ale navei dispuse pe catarg, în borduri, în prova şi în pupa navei.

Tabloul sau pupitrul felinarelor de navigaţie se alimentează pe două circuite: un circuit

de la TPD prin tabloul de distribuţie la avarie, TDA şi al doilea circuit de la cel mai apropiat

tablou de iluminat general care nu primeşte alimentarea de la TDA.

Dispozitivele de comandă a felinarelor de navigaţie se instalează într-un pupitru

amplasat în timonerie.

Felinarele se conectează printr-un cablu flexibil cu fişă la o priză în zona de dispunere a

felinarului. Fiecare circuit al felinarelor de navigaţie trebuie protejat cu siguranţe pe ambii

conductori şi prevăzut cu indicator optic al funcţionării felinarelor de navigaţie. Căderea de

tensiune, pe elementul indicator conectat în circuitul felinarului, să nu depăşească 3% din

tensiunea nominală.

Pe lângă semnalizarea optică se prevede şi o semnalizare acustică în cazul ieşirii din

funcţiune a oricărui felinar.

În fig. 7.1 se prezintă un exemplu de amplasare a felinarelor de navigaţie.

Fig. 7.1. Dispunerea felinarelor de navigaţie pe navă

1 – lumină de drum „înainte”, unghiul fascicolului luminos 112,5o în ambele borduri

faţă de planul diametral; 2 –„ lumină de drum, înapoi”, 5,112 în ambele borduri faţă de

planul diametral; 3, 4 – lumini de bord, verde şi roşu, 5,22 din prova spre înapoi

traversului; 5 - lumină de siaj pupa, 5,67 în ambele borduri faţă de planul diametral; 6, 7

– lumini de ancoră, culoare, albă, 360 .

În figura 7.2 se prezintă schema electrică de alimentare a circuitelor felinarelor de

navigaţie.

Fig. 7.2. Schema electrică de alimentare a felinarelor de navigaţie

Tabloul sau pupitrul de navigaţie este alimentat pe două linii. Comutatorul a permite

conectarea alimentării de la una din surse.

Funcţionarea este aceeaşi pe toate circuitele felinarelor. Pentru exemplificare se

prezintă numai trei circuite.

Pe fiecare circuit sunt monate întrerupătoarele tripolare a1, a2, a3 şi siguranţe pentru

protecţie. În serie cu fiecare felinar se conectează înfăşurările releelor d1, d2, d3. La

conectarea alimentării felinarelor sunt conectate şi releele care prin închiderea contactelor

normal deschise aprind lămpile de semnalizare h'1, h'2, h'3 de pe pupitrul de navigaţie şi prin

deschiderea contactelor normal închise întrerup funcţionarea soneriei h. Aprinderea lămpilor

de semnalizare de pe panoul pipitrului de navigaţie indică funcţionarea normală a felinarelor

de navigaţie. Dacă se întrerupe filamentul unei lămpi, de exemplu: h1, se stinge lampa h'1 de

pe panou şi se pune în funcţiune avertizarea sonoră h. După constatarea felinarului care a

fost scos din funcţiune, h1 în exemplul considerat, se deconectează întrerupătorul a1. Se

întrerupe semnalul sonor, se iau măsuri de înlocuire a lămpii h1 , după care se conectează din

nou circuitul prin închiderea întrerupătorului a1.

7.2 Telegraful electric naval

Descrierea funcţionării telegrafului electric naval

Telegraful electric reprezintă, în principiu, o instalaţie de comunicare între puntea de

comandă şi compartimentul maşini. Prin intermediul telegrafului se transmit de pe puntea de

comandă în compartimentul maşini un număr limitat de comenzi referitoare la regimul de

marş al navei. Prin acţionarea telegrafului de pe puntea de comandă se comunică regimul de

marş ordonat (de exemplu, se transmite comanda „ÎNCET ÎNAINTE”).

Concomitent cu transmiterea comenzii este pusă în funcţiune avertizarea optică şi

sonoră în compartimentul maşini pentru avertizarea personalului din acest compartiment

despre darea unui ordin de pe puntea de comandă.

La primirea ordinului, personalul de serviciu, prin acţionarea telegrafului din

compartimentul maşini confirmă primirea ordinului (se pune telegraful pe poziţia „ÎNCET

ÎNAINTE”). Semnalizarea optică şi acustică încetează în momentul în care s-a transmis

confirmarea corectă a ordinului primit. În caz contrar, continuă să funcţioneze până la

transmiterea corectă a confirmării.

După confirmarea ordinului, se execută comanda primită prin punerea maşinii în

regimul de marş ordonat (maşina „ÎNCET ÎNAINTE”).

Comenzile care pot fi transmisie prin intermediul telegrafului sunt inscripţionate pe

ecranele aparatelor de pe puntea de comandă şi din compartimentul maşini. În fig. 7.3. se

prezintă o vedere a ecranului.

Fig. 7.3 Cadranele telegrafului

Manetele prin care se acţionează telegrafele, pentru fixarea precisă a comenzii, transmit

mişcarea prin intermediul unui sistem mecanic de sacadare.

Schema electrică de principiu a telegrafului conţine două linii de selsine folosite pentru

transmiterea comenzilor şi confirmarea lor. În fig.7.4. se prezintă schema electrică de

principiu.

Fig. 7.4 Schema electrică de principiu a telegrafului electric cu contact de semnalizare

Prima linie de transmisie selsină, formată din selsinul transmiţător m1 şi selsinul

receptor m2, foloseşte pentru transmiterea comenzii. A doua linie de transmisie selsină,

formată din sistemul transmiţătorul m3 şi selsinul receptor m4, foloseşte pentru confirmarea

comenzii.

Prezenţa tensiunii de alimentare este semnalizată de releele d2 (pentru telegraful din

timonerie) şi d3 (pentru telegraful din compartimentul maşini). În absenţa tensiunii pe

ecranele aparatelor apare un punct roşu. La aplicarea tensiunii de alimentare, releele d2 şi d3

îşi atrag armăturile şi pe ecrane punctul roşu este înlocuit cu un punct alb.

Transformatorul m5 alimentează lămpile L folosite pentru iluminarea scalei aparatului

din timonerie. Rezistenţa R permite reglare intensităţii lămpilor de iluminare a scalei.

Comanda se dă prin rotirea selsinului transmiţător m1 şi acel indicator se va fixa în

dreptul comenzii transmise.

Selsinul receptor m2, cuplat electric cu selsinul transmiţător m1, se roteşte cu acelaşi

unghi indicând cu săgeată, pe ecranul aparatului din compartimentul maşini, ordinul dat. În

acelaşi timp, se roteşte cama 1 şi va împinge în sus contactul a. Se închide contactul a-b,

este alimentat releul de semnalizare d1 şi prin închiderea contactelor acestui releu sunt puse

în funcţiune semnalizare optică h1 şi sonoră h2, în compartimentul maşini şi semnalizarea

acustică, h3, în timonerie. Pentru a fi distincte, semnalizarea optică h1 este de regulă de

forma unui girafor cu lumină galbenă, semnalizarea acustică h2 de tipul unei hupe cu semnal

acustic de intensitate mare iar semnalizarea acustică h3 de tipul unui buzer.

Din compartimentul maşini se transmite confirmarea comenzii primite prin rotirea

selsinului transmiţător m3. Selsinul receptor 4 m4, cuplat electric cu selsinul transmiţător, se

roteşte cu acelaşi unghi şi va deplasa un al doilea indicator care se suprapunere cu primul

indicator.

La confirmarea comenzii primite, prin transmisia cu roţi dinţate, se roteşte roata 2 cu

acelaşi unghi şi în acelaşi sens ca şi cama 1 având ca rezultat deschiderea contactului a-b şi

întreruperea alimentării releului de semnalizare d1. Prin deschiderea contactelor releului d1

se întrerupe semnalizarea în compartimentul maşini şi în timonerie. După confirmarea

ordinului primit, personalul de serviciu pune maşina în regimul de marş ordonat.

Pentru controlul sensului corect de marş, în care s-a pus maşina, în punctul din care se

comandă maşina se montează contactul A iar pe axul de transmitere a confirmării comenzii

se montează contactul B. Sistemul de contacte A şi B este realizat din segmente de alamă pe

care alunecă perii de contact. Peria contactului A este legată mecanic cu maneta sistemului

de comandă a motorului şi se deplasează odată cu acesta iar peria de contact B, prin

transmisia cu roţi cilindric este legată mecanic cu axul selsinului de transmitere a

confirmării comenzii (m3).

Dacă s-a confirmat comanda „ÎNAINTE” şi maneta de comandă a motorului principal

este împinsă în poziţiile „ÎNAINTE”, contactele A şi B nu se inserează. Executarea

ordinului primit este corectă şi soneria h4, montată în apropierea manetei de comandă, nu

funcţionează. În cazul în care executarea ordinul primit nu este corectă, maneta de comandă

a motorului s-a împins pe poziţiile „ÎNAPOI”, se înseriază contactele A şi B şi este

alimentată soneria h4. Semnalul sonor atrage atenţia personalului de serviciu asupra erorii de

execuţie.

Pe nave mari, pentru apropierea telegrafului de punctul din care se comandă manevra

navei, se pot folosi trei telegrafe pentru transmiterea ordinelor dispuse în cabina timonerie şi

câte unul în fiecare bord pe puntea de comandă.

În situaţia în care pe navă se dispun mai multe telegrafe pe aceeaşi punte, în apropiere

unul de altul, acestea trebuie să fie cuplate mecanic astfel încât să se asigure transmiterea

comenzilor de la oricare din ele şi confirmarea răspunsului concomitentă la toate aparatele

fără a face nici un fel de comutări în schemă. În figura 7.5. se prezintă schema de cuplare

mecanică între telegrafele postului de comandă pentru o navă cu un singur ax port-elică.

Fig. 7.5 Schema de cuplare mecanică între telegrafele postului de comandă

Dintre cele trei telegrafe cuplate mecanic, unul are schema electrică complectă, aşa cum

este prezentată în schema electrică de principiu (fig. 7.4) şi conţine două selsine:

transmiţător STT (m1) şi receptor SRT (m4), iar celelalte două sunt transmiţătoare simple şi

conţin un singur selsin, SRT (m4).

În fig. 7.6 se prezintă schema electrică de montaj a telegrafului electric naval.

Fig7.6 Instalaţia telegrafului electric naval

În scopul creşterii siguranţei în funcţionare s-au realizatt noi tipuri de telegrafe la care s-

a renunţat la contactul de semnalizare a-b şi s-a obţinut simplificarea transmisiei.

În figura 7.7 se prezintă telegraful fără contact de semnalizare.

Schema de semnalizare este realizată cu relee montate în două cancade. Prima cancadă

este constituită din releele d1, d1, d3 conectate prin punţile redresoare n1, n2, n3 între

fazele corespunzătoare ale transmisiei sincrone diirecte şi inverse (de dare a ordinului şi de

confirmare).

Dacă poziţiile selsinelor transmiţătoare (m1 şi m3) coincid, atunci tensiunile

electromotoare induse în cele trei faze ale celor două transmisii vor fi aceleaşi şi diferenţa

dintre ele va fi nulă. Ca urmare curenţii prin releele d1, d2, d3 sunt nuli şi semnalizarea nu

funcţionează.

Fig. 7.7. Schema electrică de principiu a telegrafului electric

fără contact de semnalizare

În situaţia în care poziţiile nu coincid, s-a transmis comanda dar nu s-a transmis

confirmarea, diferenţa dintre tensiunile electromotoare induse, în fazele transmisiilor

selsine, alimentează releele din prima cascadă şi prin închiderea contactelor acestora, se

alimentează releul d4 din a doua cascadă. Prin închiderea contactelor releului d4 se pune în

funcţiune semnalizarea.

Firma Siemens, pentru un telegraf de acest tip, a folosit în prima cascadă un singur

releu având trei înfăşurări conectate între fazele transmisiilor selsine.

7.3. Indicatoare de cârmă. Axiometre

Axiometrul este aparatul care indică unghiul de rotire a cârmei. Conform regulilor

registrului de clasificare pe toate navele se montează axiometre în punctele de comandă. La

nave cu pilot automat unghiul cârmei se urmăreşte pe scala pilotului automat, axiometrul

fiind menţinut ca aparat de rezervă.

În figura 7.8 se prezintă schema electrică de principiu a transmisiei selsine pentru

indicatoare de cârmă (axiometre).

Selsinul transmiţător, m1, este cuplat mecanic cu axul cârmei. Selsinele receptoare m2,

m3 sunt legate electric prin transmisia selsină cu selsinul transmiţător. Selsinele recaptoare

constituie aparatele indicatoare care arată în punctele de comandă, unghiul de rotire al

cârmei.

Mişcarea axului cârmei este urmărită pe indicatoare. Acul scalei selsinelor receptoare

indică unghiul de rotire al cârmei.

Cutia de conexiuni conţine şi relele termice ale protecţiei. În cazul deteriorării

circuitului rotorului sau întreruperii unei conexiuni, se deschid contactele normal închise ale

releelor termice şi se întrerupe circuitul rotoarelor. În acelaşi timp se închide contactul

normal deschis al releului termic şi se aplică tensiunea nominală la bornele releului de

semnalizare d. Releul îşi atrage armătura mobilă şi pe scala de lucru a aparatului indicator

apare steguleţul cu inscripţia „Nu lucrează”.

De la transformatorul m4 sunt alimentate lămpile pentru iluminarea scalelor aparatelor.

Fig.7.8. Schema de principiu a indicatorului de cârmă (axiometru)

7.4. Tahometre pentru măsurarea turaţiei

7.4.1. Tahometrul de curent continuu

Se foloseşte cu rezultate foarte bune pentru controlul turaţiei motoarelor principale,

axelor port-elice şi în schemele de comandă automată a propulsiei.

Schema de principiu a tahometrului de curent continuu este prezentată în figura 7.9.

Traductorul de turaţie este un tahogenerator de curent continuu cu magneţi permanenţi,

TG. Tahogeneratorul este rotit direct sau printr-o transmisie de axul a cărui turaţie urmează

să se măsoare.

Magneţi permanenţi realizaţi din aliaje Ni-Al asigură fluxul constant şi stabil la variaţia

temperaturii mediului. Prin montarea unui şunt magnetic între poli, se permite reglarea

mărimii fluxului constant al generatorului şi obţinerea caracteristicii optime de ieşire U =

f(n). Reglatea este necesară în procesul exploatării pentru controlul lunar al tahometrului.

Fig. 7.9. Schema de principiu a tahometrului de curent continuu

Aparatul de măsură este de tipul voltmetru magnetoelectric. Scala aparatului este

uniformă şi extinsă până la 2700, ceeace permite o citire bună a turaţiei

Tensiunea electromotoare a tahogeneratorului este proporţională cu turaţia în cazul în

care fluxul este constant.

nkkn '

Tensiunea la bornele generatorului este:

U = E - raI

în care:

I – curentul de sarcină

ra – rezistenţa circuitului rotorului tahogeneratorului

Curentul care trece prin aparatul indicator este:

Rt

UI

în care Rt reprezintă rezistenţa totală a circuitului exterior de sarcină, formată din: rr –

rezistenţa internă a aparatului, re – rezistenţa liniei de legătură, rd – rezistenţa suplimentară

reglabilă, adică:

Rt = rr + re + rd

Prin reglarea rezistenţei rd se obţine aceeaşi valoare pentru Rt, indiferent de lungimea

liniilor de lagătură în acest fel toate aparatele indicatoare măsoară aceeaşi valoare pentru o

turaţie dată.

7.4.2. Tahometre inductive de curent alternativ

În figura 7.10 se prezintă principiul de funcţionare al tahometrelor inductive cu mufă

asincronă.

Fig. 7.10. Schema tahometrului inductiv cu mufă asincronă

Unghiul traductorului tahometric este dat de mufa asincronă MA şi resortul antagonist

4. Mufa asincronă se compune din magnetul permanent 2 şi paharul de cupru 3. Mişcarea

axului 1, a cărui turaţie se măsoară, învârte magnetul permanent 2. Prin inducţie, în paharul

de cupru apar curenţi a căror interacţiune cu câmpul magnetului permanent creează un cuplu

de rotaţie proporţional cu turaţia axului 1.

Ma = K1 n

Sub acţiunea cuplului, Ma, se roteşte axul 5 solidar cu paharul de cupru. Resortul 4

dezvoltă un cuplu antagonist, Mr, proporţional cu unghiul de rotire şi caracteristica

resortuluiK 2.

Mr = K2

La echilibru, Ma = Mr, se obţine:

nK

K

2

1

Traductorul tahometric de unghi de acest tip poate fi folosit pentru măsurarea turaţiei

arborelui port-elice. Deasemenea traductoarele inductive se folosesc cu rezultate bune la

măsurarea turaţiei dieselor rapide.

Tahometrul inductiv cu generator sincron este prezentat în figura 7.11.

În acest caz, traductorul este un generator sincron cu magneţi permanenţi.

Aparatul indicator tahometric se compune din două motoare: un motor sincron şi un

motor asincron sub formă de mufă asincronă. Pe ecranul aparatului sunt două ace

indicatoare: unul grosier care citeşte mii de rotaţii şi al doilea, precis, care citeşte sute şi zeci

de rotaţii.

Axul, a cărui turaţie se măsoară, antrenează rotorul cu magneţi permanenţi al

generatorului sincron. În înfăşurarea statorică a acestuia se induce un sistem de tensiuni

trifazate simetrice cu frecvenţa corespunzătoare turaţiei axului care antrenează generatorul.

De la generatorul sincron se alimentează, prin trei conductori, aparatul indicator.

Tensiunea trifazată alimentează înfăşurarea statorică a motorului sincron. Rotorul acestui

motor are o înfăşurare în scurtcircuit realizată din bare şi tot pe rotor se află un sistem de

magneţi permanenţi. Această construcţie a rotorului permite pornirea în asincron a

motorului şi intrarea în sincronism atunci când se ajunge la o viteză apropiată de viteza de

sincronism. Mişcarea motorului sincron antrenează cu viteza corespunzătoare magnetul

permanent 7 aparţinând mufei asincrone. În continuare, funcţionarea mufei asincrone este

cea prezentată la începutul acestui paragraf.

Tahometrele de acest tip au masa mică, greutate redusă şi se utilizează pentru

măsurarea turaţiilor foarte mari.

Fig. 7.11. Tahometrul inductiv cu generator sincron

a – schema electrică; b – construcţia

1 – magnet permanent; 2- înfăşurarea statorului generatorului sincron; 3- înfăşurarea

motorului sincron; 4 – rotorul în scurtcircuit al motorului; 5- înfăşurarea în scurtcircuit

pentru pornirea în asincron; 6 – magneţi permanenţi montaţi pe rotorul motorului sincron; 7

– magnet permanent; 8 – paharul de cupru al mufei asincrone; 9 – resort; 10 – transmisia cu

roţi dinţate; 11 – ac indicator pe scala grosieră; 12 – ac indicator pe scala precisă; 13 – şunt

termomagnetic; 14 – ecran.