Dispozitivele de actionare ale AEC •
În construcţia AEC cu contacte se remarcă prezenţa unor ansambluri specializate, care asigură deplasări predeterminate utile, univoce, de obicei plan-paralele, ale ansamblului mobil, realizând închiderea respectiv deschiderea contactelor electrice, numite dispozitive de acţionare, (DA)
•
Principalele părţi componente ale unui dispozitiv de acţionare din construcţia AEC sunt : - sursa de energie ; - mecanismul de transmitere ; - ansamblul de execuţie, ce include piesele mobile de contact ; - amortizoare pentru limitarea efectelor ciocnirilor la sfârşitul cursei contactelor mobile ; - alte accesorii de sustinere sau de ghidare Dispozitivele de acţionare ale AEC se dovedesc a fi de obicei elemente « slabe » ale ansamblului, din punct de vedere al siguranţei în funcţionare, ceea ce impune, ca rezervă, un număr de manevre mecanice cu un ordin de mărime mai mare decât numărul de manevre conectare-deconectare prevăzute pentru AE.
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC •
•
• • • • • •
Sursa de energie generează energia mecanică care asigură deplasarea contactelor mobile în sensul conectării sau al deconectării circuitelor în care sunt incluse AEC Dispozitivele de acţionare ale AE sunt astfel concepute încât manevra de deconectare este prioritară. În plus, de obicei, manevra de conectare pregăteşte manevra de deconectare, pe seama energiei potenţiale, înmagazinata de obicei în resorturi elastice Principalele surse de energie utilizate pentru a asigura funcţionarea AEC sunt : operatorul uman ; resort elastic ; electromagnet ; fluid sub presiune ; motor electric.
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC •
Atunci când se apelează la operatorul uman ca sursă de energie, trebuie avut în vedere ca efortul depus de acesta să se încadreze în limite normale, în care scop se folosesc frecvent pârghii convenabil dimensionate. In plus trebuie să se evite ca viteza de deplasare a contactului mobil să depindă de starea operatorului uman, ceea ce implică utilizarea unor ansambluri cu resort elastic, ce prezintă o poziţie de « punct mort »
•
Când sursa de energie este un resort elastic, de obicei de tip spiral, a cărui constantă elastică este k, energia mecanică înmagazinată pentru o deformare ∆l a acestuia este :
1 Ws = ⋅ k ⋅ ∆l 2 2
•
Tensionarea acestui resort poate fi realizată de operatorul uman, printr-o singură manevră sau prin manevre repetate
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC •
Electromagneţii utilizaţi ca surse de energie în construcţia DA ale AEC, pot fi de cc sau de ca şi se dimensionează astfel încât caracteristica lor electromecanică, F(δ), să fie amplasată deasupra caracteristicii forţelor rezistente, FR(δ)
•
De remarcat faptul că în timpul cursei de închidere a contactelor AEC (de tip contactor electromagnetic în acest caz), se realizează comprimarea resorturilor elastice R, astfel încât, la întreruperea alimentării circuitului bobinei electromagnetului, această energie asigură deschiderea contactelor aparatului electric. Energia furnizată de sursa de energie de tip electromagnet corespunde suprafeţei cuprinse între curbele F(δ) şi FR(δ), regăsindu-se final în energia cinetică a ansamblului de execuţie, ca energie utilă
•
Randamentul DA ale AEC nu este performant, fiind doar de (0,5 – 0,7)
•
Semnalăm în plus faptul că în regim dinamic, caracteristica electromecanică a electromagnetului, F(δ), este sub caracteristica de regim staţionar, cu atât mai mult cu cât viteza de deplasare a armăturii sale mobile este mai mare
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC •
Sursă de energie de tip electromagnet pentru AE de tip contactor
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC •
Sursele de energie de tip fluid sub presiune pentru DA ale AEC contin un corp de pompă cu un piston, de secţiune transversală S, ce se poate deplasa pe distanţa
•
∆ l, sub acţiunea fluidului (gaz), aflat la presiunea p
Dacă electrovalvele EV1 şi EV2 comandă accesul fluidului sub presiune pe ambele feţe ale pistonului, sursa de energie este cu dublă acţiune, în timp ce dacă se utilizează doar electrovalva EV1, în timpul manevrei de conectare se tensionează un resort elastic, a cărui energie potenţială va fi folosita la comanda de deconectare a AEC
Ws = p ⋅ S ⋅ ∆l V 2 ( p1⋅V1 )⋅ln V1
Ws* =
izobar
izoterm
Surse de energie ale dispozitivelor de acţionare ale AEC • Principala problemă cu privire la utilizarea surselor de energie cu fluid sub presiune este siguranţa în funcţionarea acestora, (deoarece aerul comprimat este şi sursă de energie şi agent activ în stingerea arcului electric de comutaţie pentru întrerupătoarele cu aer comprimat de exemplu), ceea ce implică « rezervarea » acestor instalaţii anexe, şi cresc costurile de exploatare • Sursa de energie de tip motor electric este asociată de obicei cu un reductor mecanic, şi se foloseşte pentru tensionarea resorturilor elastice ale întrerupătoarelor automate de joasă tensiune, de exemplu, şi mai rar acţionând direct asupra ansamblului de execuţie
Mecanismele de transmitere ale DA din constructia AEC • Mecanismul de transmitere al unui DA din construcţia AEC cu contacte au doua functii principale: - asigură pe de o parte transmiterea energiei mecanice, de la sursa de energie către ansamblul de execuţie, ce include contactele mobile ale acestora - realizeaza adaptarea parametrilor cinematici (cursă, viteză, acceleraţie şi evoluţia lor în timp) între sursa de energie şi contactele mobile • În principiu mecanismul de transmitere cuprinde un ansamblu de pârgii şi cuple cinematice, cu legături cinematice, ce asigură mişcarea univocă, de obicei plan paralelă, a elementelor componente şi final a contactelor mobile ale AE
Mecanismele de transmitere ale DA din constructia AEC •
Specific pentru mecanismele de transmitere din construcţia DA ale AEC cu contacte este faptul că acestea prezintă « poziţii de punct mort », mai ales corespunzător funcţionalităţii de întrerupător automat, aceste pozitii prezintând următoarele avantaje : - permit zăvorârea contactelor AE în una sau chiar în ambele poziţii extreme, de obicei în poziţia « închis », fără consum de energie pentru a asigura forţa necesară de apăsare între piesele de contact - reduc forţa (cuplul) mecanic pentru ultima porţiune a cursei de închidere a contactelor AE - reduc energia necesară pentru a face posibilă intervenţia elementelor de protecţie, ce realizează doar scoaterea din poziţia de punct mort - reduc influenţa abaterilor tehnologice de montare în timpul funcţionării dispozitivelor de acţionare, prin extinderea poziţiei de punct mort la o « zonă moartă », pe seama forţelor de frecare
Mecanismele de transmitere ale DA din constructia AEC •
Principalele tipuri de mecanisme de transmitere utilizate în construcţia DA ale AE sunt : - mecanismul bielă – manivelă, de obicei excentric, din considerente legate de întreţinerea mai comodă şi accesibilitatea elementelor componente - mecanismul patrulater utilizat de exemplu pentru acţionarea separatoarelor - mecanismul cu culisă - mecanismul pentagonal simetric - mecanismul de tip pantograf - combinaţii ale acestora
Exemple de mecanisme de transmitere din constructia DA ale AEC •
Mecanisme elementare de transmitere
Cu privire la importanta pozitiilor de punct mort pentru DA ale AEC •
•
Pozitiile de punct mort pentru mecanismele de transmitere al AEC de tip întrerupator favorizeaza zavorârea contactelor în pozitia închis fara consum de energie de la sursa dar faciliteaza si interventia elementelor de protectie Atunci când mecanismul de transmitere nu prezinta « punct mort » în domeniul de lucru, se apelează la o diadă cinematică, un ansamblu de două pârghii suplimentare, care asigura obtinerea unei pozitii de « punct mort »
Diada cinematica este O3-C-D iar pozitia de « punct mort » este O3-C’-D’
Analiza cinematica a mecanismelor de transmitere •
Menţionăm faptul că, de obiceifunctionarea AEC impune valori ale vitezei pieselor mobile de contact la închidere (pentru a evita « arderea » acestora la conectare), dar mai ales la deschidere (corespunzătoare parametrilor nominali, funcţionalităţii AEC şi construcţiei camerei de stingere)
•
Prin procedee specifice analizei cinematice, se poate defini, pentru o construcţie dată, viteza oricărui punct al DA al AE. De fapt se pot defini valorile factorilor de transmitere a vitezelor, respectiv a acceleraţiilor, în funcţie de dimensiunile axiale ale componentelor mecanismului de transmitere, în fapt raportul acestor mărimi pentru oricare pereche de puncte ale acestuia, în mod obişnuit preferându-se perechea contacte mobile (impusi) - sursa de energie(necesari)
•
Se poate realiza chiar sinteza cinematică a mecanismului de transmitere, ce preferă procedee grafo-analitice, suficient de precise dar mai ales expeditive, asigurându-se deci adaptarea parametrilor cinematici între sursa de energie şi valorile necesare la nivelul contactelor AE, cu definirea dimensiunile axiale ale componentelor mecanismului de transmitere Se acceptă că valorile unghiurilor de rotaţie la nivelul sursei de energie sunt de circa (π/2), în timp ce la nivelul contactelor mobile cu mişcare de rotaţie aceste unghiuri sunt de circa (π/3), ceea ce raspunde cerinţelor de gabarit minim pentru ansamblul AEC
•
Analiza dinamică a mecanismelor de transmitere din construcţia AEC •
Analiza dinamică a mecanismelor de transmitere din construcţia AEC (a dispozitivului de acţionare în ansamblul său), permite evaluarea comportării în regim tranzitoriu, la conectare sau la deconectare, a AEC cu contacte, apelând la reducerea maselor, a momentelor de inerţie, a forţelor şi a cuplurilor mecanice ce intervin în funcţionare, la un element de referinţă, de obicei contactele mobile ale aparatului
•
Se utilizeaza rezultatele analizei cinematice efectuate anterior, ce furnizează factorii de transmitere (pentru viteze, acceleraţii etc.)
•
În acest scop se substituie masele distribuite ale componentelor dispozitivului de acţionare, cu mase echivalente, mi, concentrate în anumite puncte, pentru care analiza cinematică permite definirea vitezelor vi , respectiv a momentelor de inerţie prin valori echivalente, Jj, pentru care se pot defini vitezele unghiulare, ωj
Analiza dinamică a mecanismelor de transmitere din construcţia AEC •
Pentru o pârghie de formă tipică ce intră în componenţa unui mecanism de transmitere din construcţia AEC, având masa m de exemplu, cu centrul de greutate G ≡ O, se pot scrie relaţiile
m1 + m 2 = m
m1 ⋅ l1 − m 2 ⋅ l 2 = 0 m1 ⋅ l12 + m 2 ⋅ l 22 ≅ J •
Rezultând:
l2 l1 m1 = m ⋅ , m2 = m ⋅ l1 + l 2 l1 + l 2 •
Prin sumarea acestor mase concentrate se poate evalua masa totala în diferite puncte ale mecanismului, mi si final energia cinetica a ansamblului q n Ect: E c t = 1 ⋅mi ⋅vi2 + 1 ⋅J j⋅ 2j i =1 2 j=1 2
∑
∑
ω
Analiza dinamică a mecanismelor de transmitere din construcţia AEC (mred) •
Comparând această expresie cu energia cinetică totală la nivelul punctului de reducere a maselor, presupus ca având doar o mişcare de translaţie, cu viteza vK a contactului mobil :
mred ⋅v2K Ecred = 2 •
Se obtine expresia masei reduse, mred(x): n
( )
mred =∑mi ⋅ vi vK i =1 •
2
2
( )
ωj n +∑J j⋅ ≅∑mi ⋅ vi vK j=1 v K i =1 q
2
deci expresia masei reduse nu este constantă ci funcţie de poziţia mecanismului de transmitere, x, prin valorile raportului (vi / vK).
Analiza dinamică a mecanismelor de transmitere din construcţia AEC (Fred) •
Pentru a realiza reducerea forţelor mecanice (active sau rezistente), Fi, ce intervin în funcţionarea dispozitivului de acţionare (a mecanismului de transmitere), se apelează la o relaţie ce corespunde de fapt conservării lucrului mecanic elementar
dx i dx K Fi ⋅ = Fired ⋅ dt dt •
Obtinându-se:
sau
Fired
vi = Fi ⋅ vK
Fred = ∑ Fired i =1
•
Ecuatia dinamica a miscarii în raport cu punctul de reducere « K » este
2 v d mred( x )⋅ K =Fred( x ) dx 2
Ecuatia de miscare pentru DA ale AEC •
Rezolvarea acestei ecuaţii diferenţiale cu coeficienţi variabili corespunzatoare miscarii punctului « k » al mecanismului de transmitere (de obicei a contactelor AEC), implică dificultăţi de calcul deosebite, dar permite obţinerea legii de mişcare x(t) pentru contactul mobil, eventual cu restricţii impuse corespunzătoare bunei funcţionări a AEC
•
Este posibilă apoi revenirea, în sensul definirii legilor de mişcare, şi implicit a vitezelor de exemplu, pentru orice alt punct al ansamblului
Ansamblul de execuţie al DA ale AEC •
Ansamblul de executie cuprinde contactele mobile si elementele care se misca împreuna cu acestea
•
Trebuie menţionat faptul că se impune respectarea unei anumite distribuţii a vitezelor de deplasare a contactului mobil, în concordanţă cu amplasarea elementelor active ale camerei de stinge si cu constructia AEC
•
O problemă importantă pentru ansamblul de execuţie al AEC cu funcţionalitatea de întrerupător, se refera la energia mecanică necesară deconectării, acumulată în resorturi elastice în timpul procesului de conectare, inferioară deci energiei mecanice disponibile la conectare Stingerea arcului electric de comutaţie pe de altă parte, necesită viteze de deplasare mai mari ale contactelor mobile la deconectare Cum energia disponibilă este mai redusă la întrerupere, ansamblul de execuţie include un mecanism de liberă deschidere, ce asigură separarea cinematică a contactelor mobile de celelalte componente ale DA, reducând astfel masa în mişcare, şi permiţând obţinerea vitezelor de deconectare mari pentru contactele mobile Această particularitate funcţională este favorizată de utilizarea DA cu « punct mort » pentru AEC
• •
•
Amortizoare şi accesorii din construcţia DA ale AEC • În cazul AEC de curenţi nominali mari, şi mai ales în cazul AE de înaltă tensiune, valorile energiei cinetice a contactelor mobile, atât la conectare cât şi la deconectare, sunt importante • Ciocnirile mecanice la sfârşitul cursei lor de închidere respectiv de deschidere, pot provoca deformaţii plastice ale acestora, ce produc uzura lor prematură sau deteriorarea contactelor • Din această cauză, se folosesc frecvent amortizoare mecanice de sfârşit de cursă. Cele mai raspândite sunt amortizoarele ce utilizează resorturi elastice, dar adesea se utilizează şi amortizoare cu lichid. • Acestea trebuie să preia energia cinetică a ansamblului mobil pe ultima porţiune a cursei contactelor mobile, practic pe o distanţă de 0,1·δc, unde δc reprezintă cursa totală a contactelor mobile la deconectare
Amortizoare şi accesorii din construcţia DA ale AEC • Un amortizor mecanic cu resort elastic, foloseşte de obicei un resort spiral convenabil amplasat, caracterizat printr-o valoare mare a constantei sale elastice, k*, astfel încât pentru o valoare cunoscută a energiei cinetice a ansamblului mobil, Wc, se poate scrie relaţia:
1 2 Wc = ⋅ k * ⋅(0,1 ⋅ δ c ) 2 • Eficacitatea acestor amortizoare mecanice nu e deosebită, şi în plus pot genera oscilaţii mecanice la deconectare
Amortizoare şi accesorii din construcţia DA ale AEC •
Amortizorul cu lichid se prezintă sub forma unui corp de pompă, umplut cu lichid, în care deplasarea unui piston de sectiune Sp, pe durata funcţionării, se obţine prin trecerea uleiului (incompresibil) prin orificii convenabil calibrate situate pe suprafaţa pistonului, de sectiune So; forta ce actioneaza asupra pistonului este F iar viteza acestuia scade de la vo la v1 pentru o cursa de deplasare δc
•
Se poate accepta în primă aproximaţie că presiunea creată prin acţiunea forţei F asupra pistonului, p, se regăseşte doar ca presiune dinamică (legea lui Bernoulli), astfel încât se pot scrie relaţiile
ρu ⋅ v 2u F p= ≈ Sp 2
S p ⋅ v = So ⋅ v u
Energia cinetică initiala a ansamblului mobil al unui AEC este: 2
m⋅v0 Ec0 = 2
dx v= dt
Amortizorul pneumatic de fine de cursa •
Ecuatia de miscare a pistonului se scrie:
d 2x m⋅ 2 =−p⋅Sp dt
d2x ρ u⋅S3p 2 =−k⋅v , k = , v( 0) =v0 2⋅m⋅S0 dt 2
•
Sau sub forma echivalenta:
•
unde m este masa echivalenta în miscare.
•
După o primă cuadratură a acestei ecuaţii diferenţiale cu variabile separabile rezultă v0 dx
=
1+ k⋅v0⋅t dt
•
astfel încât final obţinem legea de mişcare a tijei pistonului amortizorului cu lichid, x(t), cu xo pozitia initiala a pistonului :
1 x ( t ) = ⋅ ln(1 + k ⋅ v o ⋅ t ) + x o k
Amortizorul pneumatic de fine de cursa •
Dupa o durata de functionare
τ
care se obtine ca solutie a ecuatiei:
∆x = x (τ) − x (o) = 0,1 ⋅ δ c = •
Se defineste viteza finala a pistonului, v1 :
1 ⋅ ln(1 + k ⋅ v o ⋅ τ) k
v(τ) = v1 •
si se apreciaza eficienta amortizorului prin variatia energiei cinetice:
m⋅( v02 −v12 ) ∆Wc = 2 Semnalăm faptul că prin alegerea convenabilă a formei şi dimensiunilor orificiilor prin care uleiul trece către partea superioară a pistonului, este chiar posibil să se obţină legi de mişcare impuse pentru tija pistonului mobil. Accesoriile dispozitivelor de acţionare a AEC cu contactepot fi diverse, începând cu carcasele de protecţie şi sfârşind cu elemente ce adaptează eforturile mecanice pentru conectare la posibilităţile fizice ale operatorului uman obişnuit
Exemple de DA pentru AEC •
Schema cinematica pentru un ĂŽntrerupator automat de curent continuu
Exemple de DA pentru AEC •
Schema cinematica a DA pentru ĂŽntrerupatoarele din seria USOL