PROJEKTOWANIE UKŁADÓW STEROWANIA MASZYN

Spis treści

WYKŁAD 1 ........................................................................................................................................................ 2

Działania fizjologiczne prądu na człowieka: ................................................................................................... 2

Skutki działania bezpośredniego: .................................................................................................................... 2

CZUCIE PRĄDU: ........................................................................................................................................... 3

ELEKTROTECHNIKA

.................................................................................................................................. 3

PRĄD PRZEMIENNY .................................................................................................................................... 6

II WYKŁAD ........................................................................................................................................................ 8

Prawo kirchoffa dla obwodu AC:

.................................................................................................................... 8

MOC W OBWODACH AC

............................................................................................................................ 9

REALIZACJA FUNKCJI LOGICZNYCH ELEMENTAMI STYKOWYMI

............................................. 10

KOMPONENTY UKŁADÓW STEROWANIA

.......................................................................................... 12

WYKŁAD 3 ...................................................................................................................................................... 15

1.

Sensoryka – wykrywanie obecności

................................................................................................... 15

CZUJNIKI INDUKCYJNE

........................................................................................................................... 16

CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE .................................................................................................................. 16

ZABUDOWA CZUJNIKÓW, HISTEREZA ................................................................................................ 17

CZUJNIKI OPTYCZNE/ULTRADZWIĘKOWE ........................................................................................ 18

CZUJNIKI POMIARU POŁOŻENIA .......................................................................................................... 18

ENKODERY

................................................................................................................................................. 18

CZUJNIKI PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ .......................................................................................................... 19

CZUJNIKI PRZEMIESZCZENIA

................................................................................................................ 19

WYKŁAD 4 ...................................................................................................................................................... 19

Komponenty układów sterowania ................................................................................................................. 19

NAPĘDY DC ................................................................................................................................................ 20

NAPĘDY AC ................................................................................................................................................ 20

BEZPIECZEŃSTWO .................................................................................................................................... 21

FALOWNIKI

................................................................................................................................................ 23

WYKŁAD 5 ...................................................................................................................................................... 24

1.

Napędy (silniki) impulsowe (krokowe) .............................................................................................. 24

2.

SZAFY STERUJĄCE ......................................................................................................................... 25

3.

RYSUNEK ELEKTRYCZNY

............................................................................................................ 25

WYKŁAD 1

Działania fizjologiczne prądu na człowieka:



DZIAŁANIA POŚREDNIE – nie płynie przez człowieka

o

Oparzenie prądem, ogniem

o

Metalizowanie naskórka

o Uszkodzenie wzroku (promieniowanie ultrafioletowe (wysuszenie), podczerwone

(podgrzanie))

o

Uszkodzenia mechaniczne na skutek działania prądu



DZIAŁANIA BEZPOŚREDNIE – przepływa przez ciało

o Zmiany chemiczne
o Zmiany biologiczne
o Zmiany fizyczne

Skutki działania bezpośredniego:



PRĄD STAŁY

o Elektroliza – kwasu żołądkowego, krwi, płynu mózgowego, komórek

mięśniowych lub nerwowych



PRĄD ZMIENNY

o Najniebezpieczniejszy jest prad 50-60Hz

o

W wyniku porażenia prądem zmiennym zaciskają się mięśnie – prąd zacisku:

10,5mA dla kobiet, 16mA dla mężczyzn.

o

Wysokie częstotliwości nie są bardzo szkodliwe (poparzenie na skórze)

o

Układ krwionośny – fibrylacja serca – trzepotanie 200-300/min, migotanie 600

uderzeń/min – PIERWSZA POMOC – (2-3min RKO -> 120-300J –

defibrylator -> RKO -> 1mg adrenaliny)

o

Układ oddechowy – (przy przejściu prądu na drodze głowa-noga, głowa-ręka)

może dojść do utraty automatycznego oddychania lub zablokowanie

oddychania w klatce piersiowej.

o

Układ nerwowy – pobudzenie jak po dragach (wydzielają się endorfiny),

obrzęk mózgu, jeśli temp ciała podniesie się o 5° to są zmiany odwracalne,

jeśli o 10° to powstają tkanki martwicze. Uszkodzenia mięśni na skutek

automatycznego zaciśnięcia się mięsni (można zerwać scięgna, mięśnie)

CZUCIE PRĄDU

:

stały

zmienny

Mężczyźni

5,6 mA

1,1mA

Kobiety

3,5mA

0,7mA

Niebezpieczne dla

zdrowia

20mA

Niebezpieczne dla życia

70mA

śmiertelne

100mA

ELEKTROTECHNIKA

Jednostki:



Gęstość prądu J [a/m2]



Ładunek elektryczny Q



Napięcie elektryczne U [V]



Siła elektromotoryczna E [V]



Prąd I[A]



Rezystancja (czynna) R



Reaktancja (bierna) X



Impedancja (pozorna) Z



Rezystywność – opór właściwy R [Ohm]



Przewodność G (simens)



Susceptancja B (simens)



Admitancja Y (simens)



Konduktywność σ



Pojemność elektryczna e



Indukcyjność własna



Okres



Czas



Częstotliwość f



Pulsacja omega

PRĄD – uporządkowane zjawisko płynięcia ładunków przez zadany przewodnik; stosunek
elementarnego ładunku w czasie.

Prąd przewodzenia – swobodne przemieszczanie się elektronów wzdłuż przewodnika (3m/s –
miedź)

Prąd przesunięcia – rozsunięcie się elektronów osobnie w każdym jądrze

Prąd unoszenia – (konwekcji) ruch ładunków razem z jakimiś cząsteczkami (kurz, para wodna)

Współczynnik temp. Rezystancji:

Najlepszym przewodnikiem jest srebro -> miedź przewodowa -> złoto (...)

szkło jest jednym z najgorszych.

Rezystancje można łączyć:

1) SZEREGOWO

2) RÓWNOLEGLE

3) Trójkąt – gwiazda

MOC ELEKTRYCZNA

I prawo kirchoffa

II prawo kirchoffa

Kondensator – gromadzi ładunki

zwiększenie pojemności – łączenie równolegle

Wzrost napięcia – łączenie szeregowe

PRĄD PRZEMIENNY

1)

2)

3)

II WYKŁAD

Prawo kirchoffa dla obwodu AC:

Dwójnik szeregowy RLC

Przesuwany: (przesuwamy tak, aby każdy następny zaczynał się w końcu poprzedniego)

RÓŻNE PRĄDY:

PRYKŁAD:

MOC W OBWODACH AC



Rezystor ma dodatnią:



Cewka – moc zeruje się



Kondensator

REALIZACJA FUNKCJI LOGICZNYCH ELEMENTAMI STYKOWYMI

wg. Normy pionowo

n – faza dla napięcia przemiennego

m – masa w zasilaniu stałoprądowym



AND



OR



NAND



NOR



EX-OR – wykrywa różnicę



EX-NOR

KOMPONENTY UKŁADÓW STEROWANIA



Aparaty elektryczne



Sensoryka

o

Cz. Obecności

o

Cz. Przemieszczenia liniowego i kątowego

o

Cz. Prędkości linionej i kątowej

o

Cz. Przyspieszenia liniowego i kątowego

o

Cz. Siły



Układy napędu siłowników elektrycznych



Układy zasilania maszyn i urządzeń

1) Aparaty elektryczne



Łączeniowe



Pomiarowe



Przeciwnapięciowe



Gr pr zwarciowych



Inne: rozrucjowo-regulacyjny, przełączniki trój-gniazdowe, softstarty

Łączeniowe



Ze względu na zasadę działania

o Elektromagnetyczne
o Elektryczne
o Indukcyjne
o Cieplne
o Kontraktonowe
o

Poółprzewodnikowe (SSR)



Ze względu na konflikt stykowy



Ze względu na wersję

o

Jedno/trójfazowe

o Bezp/..



Zasilanie styków

o Cewki DC 0-240 AC 12-450 [V]
o

Styków 0,05 – 500 [A]

Elektromagnetyczne

Termalno-cieplne

- w bimetalu

Po pewnym czasie, po nagrzaniu się wygnie

Kontakrtonowe – zbliżeniowy – zbliżamy magnes (może dojść do trwałego namagnesowania)

SPST –

NO:

SPST –NC:

SPDT:

SPCO

SPTT

DPST:

DPDT:

2PDT

STYCZNIK większy od PRZEKAŹNIKA

Zabezpieczenie

termiczne

Zabezpieczenie

prądowe

Zabezpieczenie

podnapięciowe (jeśli
spadnie do 0 to styki

rozłączone)

Termiczne

Różnicoo-prądowe

SSR – przekaźnik/stycznik



aparaty półprzewodnikowe, najszybsze



triaki, trystory, tranzystory, na wyjściu; stosowane w stopniu końcowym przekaźników są
delikatne i wymagają stosowania obwodu zabezpieczającego



niska odporność na zakłócenia występujące w sieci



Niska odp na wysokie temp – wymagane radiatory



Pomiędzy wejściem a wyjściem transoptory

WYKŁAD 3

1. Sensoryka – wykrywanie obecności



Czujniki obecności

o Stykowe
o Indukcyjne
o

Pojemnościowe

o Optyczne
o

Ultradźwiękowe



Czujniki przemieszczenia liniowego i kątowego

o Potencjometryczne (potencjometry liniowe i obrotowe)
o Indukcyjne
o

Ultradźwiękowe

o Magnetyczne
o Optyczne
o Enkodery



Czujniki p. lin. I kąt.

o

Prądnice tachometryczne

o

Pomiar pr. jako (..) położenia

Stosuje się głównie czujniki trójprzewodowe

Lepiej stosować czujniki PNP )ze względów bezpieczeństwa_

Czujniki uniwersalne, lub wielostykowe np.



Styki tego typu wykorzystuje się w układach zabezpieczających



Istnieją czujniki czteroprzewodowe analogowe



Czujniki bezpieczeństwa (kolor żółty lub czarny)



Kontaktrony – ‘końcówki” magnetyczne wrażliwe na prace w polu magnetycznym/spawanie

CZUJNIKI INDUKCYJNE



Zmienne pole elektromagnetyczne



Zmiana indukcyjności własnej wskutek przemieszczania metalowego elementu (prądy
wirowe)



Działa na ferromagnetyki



Praca bezdotykowa



Wysokie częstotliwości połączenia (kHz)



Strefa działania 1/2d



Dostępne w wielu wariantach

CZUJNIKI POJEMNOŚCIOWE



Stałe pole elektryczne



Zmiana pojemności el. Wskutek wprowadzenia elementu między okładki



Działa na materiały dielektryczne (nawet mięso, płyny)



Praca bezdotykowa



Wysokie częstotliwości przełączania (kHz)



Strefa działania 1xd



Dostępne w wielu wariantach

ZABUDOWA CZUJNIKÓW, HISTEREZA

WSPÓŁCZYNNIKI KORYGUJĄCE

Indukcyjne:



Stal – 1



AL. – 0,9



Mosiądz - 0,55

Pojemnościowe:



Metal – 1



Woda – 1



Szkło – 0,5



Drewno – 0,3-0,5

CZUJNIKI OPTYCZNE/ULTRADZWIĘKOWE

Typy:



Odbiciowe



Bariery



Podczerwień



Światlo widzialne



Ultrafiolet



Ultradzwiekowe

CZUJNIKI POMIARU POŁOŻENIA

Duelnik rezystancyjny:

Najprostszy – potencjometr
- czujniki LVDT

ENKODERY



Absolutne lub inkrementalne



Medium: optyczne lub magnetyczne



Resolwery (potencjometr-enkoder)

CZUJNIKI PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ



Prądnica tachometryczna

o

Prądu stałego

 Samowzbudna
 Obcowzbudna

o

Prądu przemiennego

 Syncgroniczna
 Asynchroniczna

o

Dobrze działają przy wysokich prędkościach obrotowych, słabo przy małych

CZUJNIKI PRZEMIESZCZENIA



Najprostszym sposobem jest pomiar drogi



Piezoelektryki



Akcelerometry/inklinometry

POMIAR SIŁY



Tensometry, mostki tensometryczne



Maty rezystancyjne

WYKŁAD 4

Komponenty układów sterowania
Napędy AC

EN 954-1, kat B1 (źródło ‘zagadnienia bezpieczeństwa” Moeller)

Urządzenie do oddzielenia ochronnego sieci z funkcją wyłączenia awaryjnego:

Wyłączenia awaryjne poprzez wysterowanie stycznika lub wyłącznika silników:

NAPĘDY DC

1) Silnik obcowzbudny



Z magnesem trwałym



Z elektromagnesem z osobnym uzwojeniem i zasilanym niezależnie

2) Silniki samowzbudne

Zmiana kierunku obrotów – zmiana kierunku prądu (mostek typu H)

Sterowanie prędkością:

NAPĘDY AC

1) Asynchroniczne

a. Pierścieniowe
b. Klatkowe

2) Synchroniczne

a. Wirnik z biegunami utajonymi

b. Wirnik z biegunami jawnymi

Rozruch silnika trójfazowego – bezpośredni (źr. Akademia falowników)

- zabezpieczenie nadprądowe

- zabezpieczenie termiczne

Rozruch silnika trójfazowego – gwiazda/trójkąt

- przekaźnik z częścią zg…

Zmiana kierunku obrotu – zmiana dwóch faz

BEZPIECZEŃSTWO
‘zagadnienia bezpieczeństwa” Moeller

- jeżeli nap spadnie styk zostanie rozłączony

- nie wraca, brak pozycji

Regulacja prędkości



Zmiana l. par bieg (istnieją silniki z przełączaną liczbą biegów).





Zmiana poślizgu

o Regulacja wirnika (możliwe w silnikach pierścieniowych, gdzie można wprowadzić

obwódrotora silnika na zewnątrz)

 Zmiana rezystancji
 Łączenie doskokowe?

o

Zmiana napięcia na stojanie (softstarty i falowniki w zakresie częstotliwości do 50Hz)



Zmiana częstotliwości

o falowniki

Jak działa falownik:

FALOWNIKI

1) Zasilanie przem. częst.

a. Jednofazowych

b. Trójfazowych

c. Zas DC

2) Zasilanie silnika

a. 1x230V – falownik z wyjściem jednofazowym

b. 230V Δ, 400V Y – falownik klasy 200V



Zasilanie jednofazowe



Zasilanie trójfazowe – silnik Y

c. 400V Δ, 660VY – falownik klasy 400V

d. 500V

3) Układy sterowania

a. Skalarne

b. Wektorowe

c. DTC (Direct Torque Control)

Silniki pierścieniowe – aby zastosować falownik należy zewrzeć wyprowadzenie azotek lub

zdemontować szczotki i zewrzeć pierścienie.

Sterowanie pracą silnika podłączamy do falownika

1) Włączamy obroty silnika

a. Cyfr. wej. Zezwolenia

b. Interfejsy komunikacyjne

2) Sterowanie prędkością silnika

a. Wejście analogowe



Napięciowe 0-10V



Prądowe 4-20mV



Częstotliwości

b. Wejścia cyfrowe

c. Interfejsy komunikacyjne

WYKŁAD 5

1. Napędy (silniki) impulsowe (krokowe)



Cechy mechaniczne:

o

Podziałka elementarna (liczba kroków na obr.)

o Moment trzymający [Nm]
o

Bezwładność rotoru [g-cm3]

o Charakterystyka



Cechy elektryczne

o Liczba faz
o

Konfiguracja uzwojeń

o

Rezystancja uzwojeń [Ω]

o

Indukcja uzwojeń [mH,H]

o

Nominalne napięcie [v] i prąd [A]

o

Częstotliwość rezonansów [Hz]

o

Częstotliwość maksymalna [hz]



Podział ze względu na liczbę przewodów:

o

Dla silników 2-fazowych (2cewki)

 4 przewody
 6 przewodów
 8 przewodów

Zasilanie silnika krokowego:

RUCH KROKOWY (pełnokrokowy)

RUCH PÓŁKROKOWY

RUCH FALOWY

2. SZAFY STERUJĄCE

Wymagania – zabezpieczenie układów przed wnikaniem do wnętrza obcych ciał i wody.



Oznaczenie wg. IP23(pył, woda; im większe numery tym lepsza ochrona)



Oznaczenie IK – odporność na drgania i uderzenia



‘zabudowa’ wnętrza szaf



Optymalizacja temp w szafie (20-25)



Doprowadzenie przewodów – przewody ekranowane

3. RYSUNEK ELEKTRYCZNY



Przykładowe oznaczenia komponentów

o B10-A1K2

o Stosowane kody literowe – norma IEC 750