Technik_instrumentow_muzycznych_311[18].O1.04

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1.

Czujniki i przetworniki pomiarowe

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2.

Maszyny elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3.

Urządzenia sterujące

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4.

Regulatory

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5.

Sterowniki programowalne PLC

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o stosowaniu układów sterowania

i regulacji wykorzystywanych przy róŜnego rodzaju pracach związanych z budową
instrumentów muzycznych.

W poradniku zamieszczono:

–

wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

–

cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

–

materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,

–

zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści,

–

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

–

sprawdzian postępów,

–

sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,

–

literaturę uzupełniającą.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp

i instrukcji przeciwpoŜarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac. Wiadomości
dotyczące przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz ochrony
ś

rodowiska znajdziesz w jednostce modułowej 311[18].O1.01 „Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpoŜarowej oraz ochrony środowiska”.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[18].O1

Techniczne podstawy

zawodu

311[18].O1.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy,

ochrony przeciwpoŜarowej, ochrony

rodowiska oraz wymogów ergonomii

311[18].O1.02

Wykonywanie rysunków technicznych z

wykorzystaniem komputerowego

wspomagania projektowania

311[18].O1.03

Wykonywanie pomiarów

wielkości fizycznych

311[18].O1.04

Stosowanie układów

sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

korzystać z róŜnych źródeł informacji,

–

obsługiwać komputer,

–

współpracować w grupie,

–

wykonywać rysunki techniczne,

–

wykonywać pomiary wielkości geometrycznych,

–

projektować procesy produkcyjne,

–

wykonywać pomiary wielkości elektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,

–

rozróŜnić rodzaje silników i prądnic elektrycznych,

–

podłączyć i uruchomić silniki elektryczne prądu stałego i przemiennego,

–

zbadać charakterystykę silników i prądnic elektrycznych,

–

obsłuŜyć maszyny i urządzenia elektryczne,

–

sklasyfikować typy regulatorów: P, I, PI, PD, PID,

–

zbadać charakterystykę skokową regulatorów typu P, I, PI, PID,

–

wyjaśnić zasadę działania przetworników pomiarowych,

–

scharakteryzować rolę przetwornika pomiarowego, regulatora, nastawnika w układzie
automatycznej regulacji,

–

dobrać przetworniki pomiarowe do układów regulacji automatycznej,

–

wyjaśnić zasadę sprzęŜenia zwrotnego,

–

rozróŜnić podstawowe struktury układów regulacji,

–

sporządzić schemat blokowy automatycznego sterowania i regulacji,

–

określić zadania układów automatycznej regulacji stałowartościowej, programowanej,
nadąŜnej oraz sterowania optymalnego,

–

posłuŜyć się programem komputerowym do modelowania i analizy układów automatyki
przemysłowej,

–

zaprojektować elementarne układy regulacji i automatyki,

–

zmontować według schematu prosty układ automatyki przemysłowej,

–

obsłuŜyć urządzenia zabezpieczające i kontrolno-pomiarowe,

–

obsłuŜyć urządzenia automatycznej kontroli i sterowania procesem produkcji,

–

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwpoŜarowej
podczas wykonywania prac na stanowiskach pomiarowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1.

Czujniki i przetworniki pomiarowe

4.1.1. Materiał nauczania

Sygnał mierzony oddziałuje bezpośrednio na czujnik pomiarowy. W niewielu

przyrządach  sygnał  z  czujnika  jest  wielkością  odczytywaną  przez  uŜytkownika  najczęściej
zachodzi  potrzeba  zamiany  sygnału  na  sygnał  bardziej  uŜyteczny  do  współpracy  z innymi
przyrządami (rys. 1).

wielkość

mierzona

Rys. 1. Przekształcenie sygnału mierzonego

W zaleŜności od wpływu mierzonej wielkości nieelektrycznej na postać sygnału

wyjściowego elektrycznego z czujnika dzielimy je na:
1) czujniki parametryczne (pasywne) – mierzona wielkość powoduje zmianę parametru

elektrycznego takiego jak: oporność, indukcyjność, pojemność oraz wymagają
dostarczenia do układu pomiarowego energii z zewnątrz,

2) czujniki generacyjne (aktywne) – mierzona wielkość nieelektryczna powoduje

wytworzenie siły elektromotorycznej, której wartość jest proporcjonalna do mierzonej
wielkości.
Ze względu na charakter mierzonej wielkości czujniki dzielimy na: analogowe

i dyskretne.

Wśród analogowych czujników pomiaru wielkości ruchu wyróŜniamy: czujniki

połoŜenia, czujniki prędkości, czujniki przyspieszenia.
Pomiary połoŜenia

W zaleŜności od wykorzystywanych zjawisk fizycznych czujniki połoŜenia dzielimy na:

a)  czujniki potencjometryczne,
b)  czujniki indukcyjne,
c)  czujniki pojemnościowe,
d)  czujniki optyczne,
e)  czujniki ultradźwiękowe.
Czujniki potencjometryczne

W czujnikach rezystancyjnych zmiana połoŜenia kątowego lub liniowego styku powoduje

zmianę rezystancji. Na wyjściu z czujnika zmiana rezystancji jest odbierana jako zmiana
napięcia:

–

dla czujnika kątowego,

Uo = k

⋅Φ

–

czujnika liniowego

⋅

gdzie:
Uz – napięcie zasilania,
Uo – napięcie wyjściowe czujnika kątowego,
Uw – napięcie wyjściowe czujnika liniowego,

Czujnik

Przetwornik

Wynik

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

– połoŜenie kątowe,

– połoŜenie liniowe,

– współczynnik proporcjonalności.

Rys. 2.

Czujniki potencjometryczne: a) kątowy, b) liniowy [6]

Czujniki pojemnościowe

W czujnikach pojemnościowych zmiana połoŜenia powoduje zmianę pojemności

elektrycznej. Pojemność kondensatora płaskiego przedstawionego na rys. 3 opisana jest
zaleŜnością,

Rys. 3.

Schemat kondensatora płaskiego

· ε

· S

C =

gdzie:
ε

–

przenikalność elektryczna próŜni,

– względna przenikalność elektryczna ośrodka (dielektryka) wypełniającego przestrzeń

między okładkami,

S – powierzchnia czynna okładek kondensatora,
d – odległość między okładkami.

W zaleŜności od konstrukcji kondensatora zmianę pojemności powoduje:

zmiana odległości między elektrodami,

zmiana powierzchni czynnej elektrod,

zmiana przenikalności dielektrycznej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) 1

b) 1

c) 2 3

2 2 2

Rys. 4.

Schematy czujników pojemnościowych: a) zmiana odległości między elektrodami, b) zmiana
powierzchni czynnej, c) zmiana przenikalności dielektrycznej, 1 – elektroda ruchoma,
2 – elektroda nieruchoma, 3 – dielektryk

Czujniki indukcyjne

W czujnikach indukcyjnych zmiana połoŜenia ferromagnetycznego powoduje zmianę

indukcyjności własnej lub wzajemnej.

Rys. 5.

Czujniki indukcyjne o zmiennej indukcji własnej: a) dławikowe o zmiennej szczelinie
powietrznej, b) o zmiennym połoŜeniu rdzenia magnetycznego, c) dławikowe o zmiennym
przekroju szczeliny powietrznej

Czujniki indukcyjne działające w oparciu o zmianę indukcji wzajemnej, dzielimy na:

transformatorowe i solenoidalne.

Rys. 6.

Schemat budowy czujnika transformatora róŜnicowego: 1 – uzwojenie wtórne,
2 – uzwojenie pierwotne, 3 – zwora

Zaletą transformatora róŜnicowego jest zmiana fazy napięcia wzbudzonego, uzaleŜniona

od względnego przesunięcia zwory z połoŜenia środkowego.

Czujnik indukcyjny rezolwer (rys. 7) stosowany jest do dokładnych pomiarów połoŜenia

kątowego. Rezolwer zbudowany jest podobnie jak silinik synchroniczny. Zawiera dwa

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

nieruchome uzwojenia stojana 1 i jedno ruchome wirnika 2. Uzwojenia stojana są zasilane
jednakowymi napięciami przesuniętymi w fazie o 90

. Wirnik sprzęgnięty jest z wałem

silnika. Miarą połoŜenia (kąta obrotu

) jest przesunięcie fazowe indukowane w uzwojeniu

wirnika. Czujnik moŜe pracować równieŜ w układzie, w którym wartość napięcia
generowanego w wirniku jest miarą połoŜenia.

Rys. 7.

Schemat rezolwera [6]

Czujnik optyczny

Wiązka promieniowania o określonej fazie jest kierowana na obiekt, sygnał odbity od

obiektu jest kierowany do fotodetektora/

W przypadku wykorzystania promieniowania modulowanego impulsowo (rys. 8a)

impulsy  docierające  do  odbiornika  są  zliczane  w  liczniku  impulsów  od  chwili  rozpoczęcia
wysyłania  sygnału.  Liczba  zliczonych  impulsów  jest  funkcją  szukanej  odległości.  JeŜeli
sygnał  z  czujnika  ma  postać  ciągłą  (rys.  8b),  to  powstaje  róŜnica  faz  między  sygnałem
wysłanym a odbitym od obiektu. Ta róŜnica jest miarą mierzonej odległości.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 8.

Schemat czujnika laserowego optycznego: a) promieniowania modulowanego
impulsowo, b) promieniowania ciągłego [6]

Czujniki dyskretne moŜna podzielić na dwie grupy:
1) czujniki binarne – sygnał wyjściowy charakteryzują dwie wartości,
2) czujniki cyfrowe – sygnał wyjściowy ma postać liczby lub ciągu impulsów.
Czujniki binarne

Pojemnościowy sygnalizator krańcowy

Rys. 9.

Schemat pojemnościowego sygnalizatora krańcowego [11]

W czujniku pojemnościowym zbliŜający się przedmiot metalowy powoduje zmianę

pojemności kondensatora. Przy wzroście pojemności pojawiają się oscylacje, które wykrywa
komparator. Z prostownikiem dwupołówkowym na wejściu. Sygnał z komparatora po
wzmocnieniu umoŜliwia sterowanie układów wykonawczych.

Symbol graficzny

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Indukcyjny bezstykowy sygnalizator krańcowy

Rys. 10. Schemat indukcyjnego sygnalizatora krańcowego [11]

Czujnik indukcyjny generuje zmienne pole elektromagnetyczne. JeŜeli w polu

oddziaływania  czujnika  znajdzie  się  przedmiot  metalowy,  powstaną  w  nim  prądy  wirowe,
które  tłumią  pole  elektromagnetyczne.  Przy  pewnej  charakterystycznej  dla  danego  czujnika
zmianie  na  wyjściu  z  komparatora  następuje  skokowa  zmiana  napięcia.  Napięcie  to  po
wzmocnieniu umoŜliwia sterowanie elementów wykonawczych.
Czujniki pola magnetycznego
Kontaktron

W kontaktronie zestyki zbudowane są z ferromagnetycznych, cienkich blaszek

umieszczonych  w  obudowie  wypełnionej  gazem  szlachetnym.  Odległość  między  blaszkami
wynosi  0,5  mm.  JeŜeli  w  pobliŜu  pojawi  się  pole  magnetyczne  blaszki  ulegają
namagnesowaniu,  zwierają  się  i  zamykają  obwód  elektryczny.  Po  zaniku  pola,  blaszki
odchylają się rozwierając połączenie elektryczne.

Rys. 11. Kontaktron a) symbol, b) schemat budowy pojedynczego kontaktronu: 1 – szklana

obudowa wypełniona gazem szlachetnym, 2 – blaszka spręŜysta, 3 – złocone zestyki
[10]

Czujniki fotoelektryczne

Czujniki fotoelektryczne wykorzystują zjawisko powstania napięcia pod wpływem

padającego światła.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 12. Symbol czujnika

Czujniki optyczne

Zasada działania czujników optycznych opiera się na wysyłaniu wiązki przez nadajnik

i odbieraniu jej przez odbiornik.

Rys. 13.

Schemat działania: a) czujnika optycznego odbiciowego, b) czujnika optycznego
refleksyjnego, c) jednowiązkowa bariera świetlna

W czujniku odbiciowym nadajnik i odbiornik umieszczone są we wspólnej obudowie.
JeŜeli w polu działania znajdzie się przeszkoda, promienie odbijają się od niej i część

trafia do odbiornika.

W czujniku refleksyjnym nadajnik i odbiornik umieszczone są w jednej obudowie

i skierowane w końcowy punkt zasięgu, w którym umieszczony jest specjalny reflektor
odblaskowy. Wiązka promieni świetlnych odbija się od reflektora. Napotkana na drodze
promieni przeszkoda powoduje przerwanie wiązki światła.

W barierach optycznych czujnik i nadajnik umieszczone są w oddzielnych obudowach.

Napotkana na drodze promieni przeszkoda powoduje przerwanie wiązki światła.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie są rodzaje czujników połoŜenia?

Jaka jest zasada działania czujników potencjometrycznych?

Jaka jest zasada działania czujników indukcyjnych?

Jaka jest zasada działania czujników pojemnościowych?

Jaka jest zasada działania czujników optycznych?

Jaka jest zasada działania czujników binarnych pojemnościowych?

Jaka jest zasada działania czujników kontaktronowych?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz charakterystykę czujnika indukcyjnego analogowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zamocować czujnik indukcyjny na stanowisku pomiarowym,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2) przysunąć mierzoną próbkę materiału do czujnika aŜ do zetknięcia,
3)

podłączyć czujnik do aparatury pomiarowej,

zmieniając połoŜenie próbki, odczytać jej połoŜenie oraz wartość sygnału wyjściowego
czujnika,

zanotować wyniki,

wykonać wykres zaleŜności wartości sygnału czujnika w funkcji odległości próbki od
czujnika,

wykonać pomiary dla próbek z róŜnych materiałów (stal ST37, aluminium, miedź),

porównać uzyskane wyniki i zapisać wnioski.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

czujnik indukcyjny,

–

próbki wykonane ze stali, aluminium, miedzi,

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę rezystancyjnego czujnika połoŜenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zamocować czujnik na stanowisku pomiarowym,

podłączyć czujnik do aparatury pomiarowej,

zmieniać połoŜenie obiektu połączonego z czujnikiem rezystancyjnym,

odczytać zmiany sygnału wyjściowego z czujnika w funkcji zmian połoŜenia obiektu,

wykreślić charakterystykę czujnika.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

czujniki: indukcyjny, pojemnościowy, optyczny,

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

Ćwiczenie 3

Określ reakcję wybranych czujników na przeszkody wykonane z róŜnych materiałów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zamocować czujnik na stanowisku pomiarowym,

zamocować przesłonę na stanowisku pomiarowym,

przemieszczać przesłonę w kierunku czujnika, aŜ do momentu zaświecenia się diody
LED na czujniku,

zanotować przy badanym czujniku reakcję lub brak reakcji na przysłonę,

sformułować i zanotować wnioski.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

czujniki: indukcyjny, pojemnościowy, optyczny,

–

przysłony wykonane z materiałów: stali, mosiądzu, aluminium, trwały magnes, tworzywo
sztuczne koloru czerwonego, tworzywo sztuczne kolory czarnego,

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić zasadę działania czujników optycznych?

scharakteryzować rodzaje czujników połoŜenia?

wyjaśnić zasadę działania czujnika kontaktronowego?

dobrać czujnik odpowiedni do mierzonej wielkości fizycznej?

podłączyć czujnik do układu posługując się kartą katalogową?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.

Maszyny elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

Maszyny elektryczne mają jedną wspólną cechę – zachodzą w nich przemiany energii

dokonywane za pośrednictwem pola magnetycznego i prądu elektrycznego płynącego w ich
uzwojeniach. Ze względu na rodzaj przemiany energii rozróŜnia się trzy rodzaje maszyn
elektrycznych:

−

prądnice, w których energia mechaniczna jest przekształcana na energię elektryczną,

−

silniki, w których energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną,

−

transformatory,  w  których  energia  elektryczna  prądu  przemiennego  przekształca  się
w energię  elektryczną  prądu  przemiennego  o  innych  parametrach,  przy  niezmienionej
częstotliwości,  w  praktyce  oznacza  to,  Ŝe  transformator  słuŜy  do  podwyŜszania  lub
obniŜania napięcia.

W kaŜdej z maszyn przekształcających energię mechaniczną na elektryczną lub

odwrotnie, czyli w prądnicy lub w silniku elektrycznym, moŜna wyróŜnić dwie
charakterystyczne części:

−

magneśnicę składającą się z elektromagnesów lub magnesów trwałych, stanowiącą źródło
pola magnetycznego,

−

twornik, w którym wytwarzana jest siła elektromotoryczna (w przypadku prądnicy) lub
elektrodynamiczna (w przypadku silnika).

Prądnice i silniki są nazywane maszynami wirującymi. Nieruchoma obudowa to stojan,

moŜe on pełnić funkcję magneśnicy lub twornika. Wewnątrz stojana obraca się wirnik.
Maszyny elektryczne dzieli się na maszyny prądu stałego i prądu przemiennego.

Maszyny prądu przemiennego buduje się do pracy zarówno w układach jednofazowych,

jak i trójfazowych. Maszyny prądu stałego odznaczają się bardziej skomplikowaną budową
niŜ maszyny prądu przemiennego.

KaŜda maszyna elektryczna powinna być zaopatrzona w tabliczkę znamionową, na której

podane są dane znamionowe (parametry znamionowe). Są to znamionowe parametry
elektryczne:

−

napięcie znamionowe,

−

prąd znamionowy,

−

częstotliwość napięcia przemiennego (w przypadku maszyn prądu przemiennego),

−

współczynnik mocy,

a takŜe znamionowe parametry mechaniczne:

−

moc znamionowa,

−

sprawność,

−

prędkość wirowania,

−

masa.
Na tabliczce znamionowej umieszcza się równieŜ informacje uzupełniające:

−

typ maszyny,

−

nazwę producenta,

−

rok produkcji,

−

numer seryjny urządzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Budowa i zasada działania prądnicy prądu jednofazowego

ródłami napięcia sinusoidalnie zmiennego są prądnice. Najprostszym modelem prądnicy

jest zwój w postaci ramki, wirujący ze stałą prędkością kątową w polu magnetycznym
równomiernym o indukcji stałej w czasie. Uproszczony model takiej prądnicy przedstawia
rys. 14.

Rys. 14. Uproszczony model prądnicy prądu jednofazowego [7 s.76]

JeŜeli ramka znajduje się w połoŜeniu poziomym, to strumień magnetyczny przenikający

powierzchnię  ramki  jest  największy.  JeŜeli  ramka  obróci  się  o  pewien  kąt,  to  strumień
magnetyczny będzie się zmniejszał i w połoŜeniu pionowym ramki przyjmie wartość równą 0.
Dalszy  obrót  ramki  powoduje  zwiększanie  się  strumienia  magnetycznego  przenikającego
powierzchnię  ramki.  Wartość  maksymalną  osiągnie  strumień  przy  poziomym  połoŜeniu
ramki. Przy kolejnym obrocie ramki sytuacja będzie się powtarzać. JeŜeli do zacisków ramki
dołączymy  odbiornik,  to  powstanie  obwód  elektryczny,  w  którym  płynie  prąd  o takiej samej
zmienności  w  czasie,  jaką  ma  indukowane  napięcie,  czyli  popłynie  prąd  sinusoidalnie
zmienny. W prądnicy rzeczywistej mamy nie jeden zwój, lecz N zwojów.

Prądnica prądu trójfazowego

Do wytwarzania napięć w układzie trójfazowym słuŜą prądnice (generatory) trójfazowe.

Uproszczony schemat takiej prądnicy pokazuje rys.15.

Rys. 15.

Uproszczony schemat pracy prądnicy prądu trójfazowego [4 s. 98] a) wzajemne połoŜenie
przewodów, b) zaleŜność siły elektromotorycznej e od ωt, c) wykres wektorowy wartości
skutecznych sił elektromotorycznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Prądnica składa się ze statora (stojana), w którym umieszczone są uzwojenia i rotora

(wirnika), który wiruje ze stałą prędkością kątową. Zasada działania takiej prądnicy polega na
przecinaniu trzech, przesuniętych przestrzennie o kąt 120º uzwojeń stojana przez stały
strumień magnetyczny wytworzony w wirniku. Uzwojenia stojana są umieszczone
w specjalnych Ŝłobkach, przy czym boki kaŜdego zwoju znajdują się w dwóch przeciwległych
Ŝ

łobkach. Uzwojenia poszczególnych faz są wykonane w jednakowy sposób. W kaŜdym

uzwojeniu  indukuje  się  napięcie  źródłowe  sinusoidalne,  przy  czym  ze  względu  na  symetrię
układu  i  przesunięcie  przestrzenne  uzwojeń  o  ten  sam  kąt,  w  fazach  indukują  się  napięcia
o jednakowej  częstotliwości,  jednakowych  amplitudach  i  przesunięte  względem  siebie  o  1/3
okresu. Prądnica o takiej konstrukcji jest prądnicą symetryczną. W prądnicy symetrycznej jest
wytwarzany  układ  napięć  symetryczny.  Jedną  z  faz  prądnicy  przyjmujemy  jako  fazę
podstawową i względem napięcia źródłowego tej fazy określamy pozostałe napięcia źródłowe.

Prądnica prądu stałego

Podstawą fizyczną działania prądnicy jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Podstawową prądnicą jest ramka z przewodnika obracana w polu magnetycznym. Głównymi
częściami  prądnicy  są  stojan  (nieruchoma  część  związana  z  obudową)  oraz  wirnik  (rotor,
część wirująca wewnątrz stojana). Wirnik słuŜy do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiruje
on  w  polu  magnetycznym  wytwarzanym  przez  magnes  stały  lub  uzwojenie  stojana  zasilane
zewnętrznym  źródłem  prądu  stałego.  Uzwojenie  cewki  umieszczonej  w  wirniku  prądnicy
przecina  linie  sił  pola  magnetycznego  wytwarzanego  przez  uzwojenie  wzbudzające  i  dzięki
temu  indukuje  się  w  nim  zmienna  siła  elektromotoryczna.  Rozwiązania  elektrotechniczne
prądnic są analogiczne do rozwiązań silników elektrycznych – kaŜdy silnik elektryczny moŜe
stać  się  prądnicą  i  odwrotnie,  w  zaleŜności  od  tego,  w  jakiej  formie  dostarcza  się  energii
i gdzie  się  ją  odbiera.  W  prądnicy  prądu  stałego  zmienna  siła  elektromotoryczna
odprowadzana  jest  z  twornika  za  pomocą  komutatora  prostującego  przebieg  prądu  do
ś

lizgających się po nim szczotek. ZaleŜnie od sposobu zasilania uzwojenia wzbudzającego

(uzwojenia elektromagnesów) rozróŜnia się prądnice prądu stałego:

−

prądnice z magnesami trwałymi, w których pole magnetyczne jest wytwarzane przez
magnesy trwałe,

−

obcowzbudne (zasilanie uzwojenia wzbudzającego następuje z obcego źródła napięcia)
oraz samowzbudne (zwane dawniej dynamomaszyną – wynalezioną w 1866 roku przez
W. von Siemensa),

−

samowzbudne, w których uzwojenia elektromagnesów są zasilane napięciem
wytwarzanym przez samą prądnicę.
W zaleŜności od stosowanego układu połączeń stojana i wirnika rozróŜnia się prądnice

bocznikowe, szeregowe lub szeregowo-bocznikowe. Najprostszą prądnicą prądu stałego jest
dzisiaj dynamo rowerowe. Prądnice prądu stałego stosowane są jako maszyny robocze
w elektrowniach prądu stałego oraz do bezpośredniego zasilania, np. spawarek.

Budowa i zasada działania silnika prądu stałego

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do

siebie biegunami róŜnoimiennymi, w taki sposób, aby pomiędzy nimi było pole magnetyczne.
Pomiędzy  magnesami  znajduje  się  przewód  w  kształcie  ramki  podłączony  do  źródła  prądu
poprzez  komutator  i  ślizgające  się  po  nim  szczotki.  Przewód  zawieszony  jest  na  osi  tak,  Ŝe
moŜe  się  swobodnie  obracać.  Na  przewód,  w  którym  płynie  prąd  elektryczny,  działają  siły
oddziaływania prądu i pola magnetycznego, tworzące moment obrotowy. Ramka wychyla się
z  połoŜenia  poziomego,  obracając  się  wokół  osi.  W  wyniku  swojej  bezwładności  mija
połoŜenie  pionowe,  (w  którym  moment  obrotowy  jest  równy  zero,  a  szczotki  nie  zasilają

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ramki).  Po  przejściu  połoŜenia  pionowego  ramki,  szczotki  znów  dotykają  styków  na
komutatorze,  ale  odwrotnie,  prąd  płynie  w  przeciwnym  kierunku,  dzięki  czemu  ramka
w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku
Schemat budowy silnika prądu stałego pokazuje rys. 16.

Rys. 16.

Schemat budowy silnika prądu stałego 1 – stojan z magnesem trwałym, 2 – wirnik
z uzwojeniem twornika – prostokątną ramka z drutu, 3 – szczotki doprowadzające

prąd do uzwojenia twornika, 4 – komutator – pierścień ze stykami

5 – wyjścia do

zasilania

Opisany wyŜej silnik ma wiele wad. JeŜeli ramka zatrzyma się w połoŜeniu pionowym,

silnik nie ruszy. Dlatego rzeczywiste silniki posiadają więcej ramek połączonych szeregowo,
których  połączenia  przyłączone  są  do  komutatora.  Ramka  składająca  się  z  pojedynczego
przewodu  w  rzeczywistych  silnikach  jest  zastępowana  zwojnicą.  Podczas  przełączania
kolejnych  zwojnic  następuje  jej  zwarcie,  powodujące  iskrzenie  na  komutatorze  oraz  utratę
energii zgromadzonej w polu magnetycznym wytwarzanym w tej zwojnicy. By zmniejszyć te
zjawiska, wirnik dzielony jest nawet na kilkadziesiąt zwojnic.

Rodzaje silników prądu stałego

Rys.16 a. Schematy połączeń uzwojeń twornika i uzwojeń wzbudzających w maszynie prądu

stałego:

a) obcowzbudnej,

bocznikowej,

szeregowej,

szeregowo-bocznikowej [1]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zachowanie się poszczególnych rodzajów silników przedstawiają tzw. charakterystyki

zewnętrzne  (rys.  16  b).  Charakterystyki  te  przedstawiają  zaleŜność  prędkości  obrotowej
(kątowej)  od  momentu  silnika,  przy  stałej  wartości  napięcia  zasilającego  i stałych
rezystancjach obwodu wzbudzenia i twornika.

Rys. 16 b. Charakterystyki zewnętrzne (mechaniczne) silników prądu stałego

Regulacja prędkości kątowej (obrotowej) silników prądu stałego

Właściwości ruchowe silników prądu stałego określa się na podstawie zaleŜności:

⋅

w których:

– prędkość kątowa,

– napięcie zasilające twornik,

– prąd twornika,

– rezystancja twornika,

c – stała zaleŜna od cech konstrukcyjnych silnika,

– strumień uzwojenia wzbudzającego,

M – moment obciąŜenia.

Prędkość obrotową silnika prądu stałego reguluje się przez: zmianę napięcia zasilającego

silnik (najczęściej stosowana), zmianę rezystancji obwodu twornika (włączenie rezystora
dodatkowego) oraz zmianę strumienia głównego.

Silniki prądu przemiennego

Silniki komutatorowe prądu przemiennego są zbliŜone konstrukcyjnie do silników

szeregowych prądu stałego, z tym, Ŝe zarówno stojan jaki i wirnik są w nich wykonane
z blach. Są one zwykle zasilane z sieci jednofazowej. Charakteryzują się dość duŜym
momentem rozruchowym i duŜą prędkością obrotową. Znajdują zastosowanie w urządzeniach
gospodarstwa domowego, a w przemyśle do napędu urządzeń automatyki.

Silniki indukcyjne buduje się w dwóch odmianach, jako jednofazowe i trójfazowe. Są one

powszechnie stosowane w przemyśle stanowiąc około 90% silników tam uŜywanych. Zasada
działania silnika indukcyjnego polega na wykorzystaniu wirującego pola magnetycznego.

Wirujące pola magnetyczne w maszynach elektrycznych uzyskuje się w wyniku

nakładania się na siebie zmiennych pól magnetycznych wytworzonych przez poszczególne
uzwojenia stojana zasilane prądem trójfazowym. Pole to oddziałuje na przewody

1 – bocznikowego i obcowzbudnego przy pominięciu

oddziaływania twornika

2 – bocznikowego i obcowzbudnego z uwzględnieniem

oddziaływania twornika

3 – szeregowo-bocznikowego
4 – szeregowego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

nieruchomego  na  początku  wirnika  i  na  zasadzie  indukcji  elektromagnetycznej,  powoduje
wzbudzenie  w  nich  przepływu  prądu  elektrycznego.  Przewody  uzwojeń  wirnika,  w  których
płyną  zaindukowane  prądy,  „pociągane”  są  przez  wirujące  pole  magnetyczne,  wprawiając
wirnik  w  ruch  obrotowy.  Wirnik  obraca  się  zawsze  wolniej  niŜ  wirujące  pole  magnetyczne,
nie  będąc  z niezsynchronizowanym.  Gdyby  wirnik  obracał  się  z  prędkością  wirowania  pola,
jego  uzwojenia  nie  przecinałyby  linii  pola  i  wówczas  w  uzwojeniach  wirnika  nie
indukowałyby się prądy, a co za tym idzie nie powstałby moment obrotowy.

W trójfazowym silniku elektrycznym stojan wyposaŜony jest w trzy uzwojenia. Na

tabliczce zaciskowej znajduje się sześć zacisków, do których przyłącza się początki i końce
uzwojeń stojana. Ich początki mają oznaczenia U1, V1, W1, zaś końce: U2, V2, W2.

Uzwojenia mogą być połączone w:

–

gwiazdę – gdy początki uzwojeń są przyłączone do poszczególnych faz źródła zasilania
(U1 do L1, V1 do L2, W1 do L3), a końce uzwojeń połączone są razem.

–

trójkąt, gdy początek jednego uzwojenia połączony jest z końcem drugiego(U1 z W1, V1
z U2, W1 z V2), a do kaŜdego z tych połączeń przyłączona jest jedna faza źródła
zasilania ( L1, L2, L3).

Bez względu na to, czy uzwojenia połączone są w trójkąt czy w gwiazdę, po załączeniu

do  źródła  napięcia  wewnątrz  stojana  tworzy  się  wirujące  pole  magnetyczne.  Wynika  to
z faktu,  Ŝe  przez  odpowiednio  rozmieszczone  uzwojenia  poszczególnych  faz  stojana,  płyną
prądy  przesunięte  względem  siebie  w  fazie  o  120º.  KaŜde  z  tych  uzwojeń  wytwarza  wokół
siebie zmienne pole magnetyczne. Trzy pola nakładają się na siebie, tworząc pole wirujące.

W zaleŜności od rodzaju zastosowanego wirnika, wyróŜnia się dwa typy trójfazowych

silników elektrycznych:

−

klatkowy, w którym wirnik ma uzwojenie w postaci prętów o zwartych końcach,

−

pierścieniowy,  w  którym  wirnik  ma  uzwojenia  trójfazowe  połączone  w  gwiazdę.  KaŜda
z  końcówek  gwiazdy  jest  doprowadzone  do  jednego  z  trzech  pierścieni  ślizgowych
umieszczonych  na  końcu  wału;  poprzez  ślizgające  się  po  pierścieniach  szczotki,
uzwojenia wirnika połączone są z układem rezystorów rozruchowych.
Oba typy silnika działają na podobnej zasadzie. Zasilane prądem trójfazowym uzwojenia

stojana powodują powstanie w jego wnętrzu wirującego pola magnetycznego, co jest
przyczyną przepływu prądu w zamkniętych obwodach uzwojeń wirnika (na zasadzie indukcji
elektromagnetycznej). Na uzwojenia wirnika zaczynają działać siły elektrodynamiczne, które
powodują jego obrót w kierunku zgodnym z kierunkiem wirowania pola.

Silnik klatkowy ma bardzo prostą budowę, dzięki czemu jest on tani w produkcji

i eksploatacji oraz niezawodny. Poza tym cechuje go niewielka zmienność prędkości

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 16 c. Statyczne charakterystyki mechaniczne a) silników elektrycznych, b) maszyn napędzanych [1]

obrotowej przy duŜych zmianach obciąŜenia i dość łatwy rozruch. Zaletą jest równieŜ

moŜliwość przeciąŜania go w znacznym zakresie.

Wadą jest duŜy prąd pobierany podczas rozruchu i niewielki współczynnik mocy

(cosφ = 0,7–0,85), a takŜe znaczny wpływ wahań napięcia zasilającego na moment obrotowy
silnika. Silniki klatkowe stosowane są do napędu obrabiarek, dźwigów, róŜnego rodzaju
maszyn przemysłowych.

Silnik pierścieniowy ma bardziej skomplikowaną budowę, jednak równieŜ odznacza się

niewielkimi zmianami prędkości obrotowej przy zmianach obciąŜenia, pobiera mały prąd
podczas rozruchu. Do wad moŜna zaliczyć mały współczynnik mocy i podatność na wahania
napięcia zasilającego. Silniki te są zwykle silnikami duŜej mocy, nadają się do napędu maszyn
uruchamianych pod pełnym obciąŜeniem.
Transformator

Transformator jest to urządzenie elektryczne, w którym energia elektryczna prądu

przemiennego  jednego  napięcia  zamieniana  jest  na  energię  elektryczną  innego  napięcia.
Transformatory  stosuje  się  zarówno  do  przetwarzania  energii  prądu  jednofazowego,  jak
i  trójfazowego.  RozróŜnia  się  zatem  transformatory  jednofazowe  i  trójfazowe.  Zasada
działania transformatora pokazana jest na rys. 17.

1 – silniki synchroniczne
2 – silniki indukcyjne, silniki

bocznikowe prądu stałego

3 – silniki szeregowe prądu

stałego

4 – spręŜarki tłokowe
5 – pompy
6 – wentylatory
7 – nawijarki folii, papieru,

taśm stalowych

8 – dźwignice

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 17. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator zbudowany jest z następujących części:

−

uzwojenie dolnego napięcia – cewka o liczbie zwojów n

−

uzwojenie górnego napięcia – cewka o liczbie zwojów n

−

rdzeń, na który nałoŜone są oba uzwojenia.
Uzwojenie wykonane jest z miedzianego drutu lakierowanego. Stosunek liczby zwojów

uzwojenia górnego do uzwojenia dolnego nazywa się przekładnią zwojową transformatora.

Rdzenie transformatora wykonuje się zwykle z blach stalowych (jest to tzw. blacha

transformatorowa, krzemowa, walcowana na zimno), izolowanych między sobą. Pionowe
elementy rdzenia, na których umieszczone są uzwojenia nazywa się kolumnami, a elementy
poziome, łączące kolumny – jarzmami.
Uzwojenie transformatora, do którego załączone jest źródło zasilania nazywa się uzwojeniem
pierwotnym, a uzwojenie, do którego przyłącza się odbiornik – uzwojeniem wtórnym.

Zasada działania transformatora opiera się na elektromagnetycznym oddziaływaniu

uzwojeń sprzęŜonych ze sobą magnetycznie. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym n

wytwarza  w  rdzeniu  zmienne  pole  magnetyczne.  Ze  względu  na  duŜą  przenikalność
magnetyczną  rdzenia,  pole  to  rozchodzi  się  po  całym  rdzeniu.  W  tym  zmiennym  polu
magnetycznym  znajduje  się  uzwojenie  wtórne  n

. W wyniku zjawiska indukcji

elektromagnetycznej w uzwojeniu wtórnym transformatora powstaje napięcie U

WyróŜnia się trzy charakterystyczne stany pracy transformatora:

−

stan jałowy,

−

stan obciąŜenia,

−

stan zwarcia.
W stanie jałowym obwód uzwojenia wtórnego jest otwarty, a więc nie płynie w nim prąd.

W  uzwojeniu  pierwotnym  transformatora  płynie  prąd  o  bardzo  małym  natęŜeniu  zwany
prądem  jałowym.  Prąd  ten  powoduje  powstanie  strumienia  magnetycznego  w  rdzeniu.  Moc
czynna  pobierana  przez  transformator  jest  równa  stratom  mocy  w  rdzeniu.  Napięcia  na
uzwojeniach  pierwotnym  i  wtórnym  w  stanie  jałowym  są  napięciami  znamionowymi
transformatora.

W stanie obciąŜenia uzwojenie wtórne jest połączone z odbiornikami energii. Przez

uzwojenie wtórne przepływa prąd, którego wartość zaleŜy od siły elektromotorycznej
indukowanej w uzwojeniu wtórnym i od impedancji odbiornika. Jest to normalny stan pracy
transformatora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W stanie zwarcia transformatora uzwojenie wtórne jest zwarte tzn. końcówki uzwojeń są

połączone ze sobą. Uzwojenie pierwotne przyłączone jest do źródła zasilania. W tym stanie
w obu uzwojeniach transformatora płyną prądy o bardzo duŜym natęŜeniu, powodujące
wydzielanie się duŜych ilości ciepła i występowanie znacznych sił elektrodynamicznych. Stan
zwarcia jest niebezpieczny i moŜe prowadzić do uszkodzenia transformatora.

Transformator jest maszyną elektryczną pracującą z bardzo duŜą sprawnością.

W transformatorach energetycznych straty mocy nie przekraczają 1% ich mocy znamionowej.

Transformatory energetyczne produkuje się zwykle jako trójfazowe. Trzy transformatory

jednofazowe moŜna połączyć w jeden transformator trójfazowy, gdyŜ przy identycznym
obciąŜeniu wszystkich faz warunki elektryczne i magnetyczne pracy tych transformatorów się
nie zmienią. Moc transformatorów trójfazowych jest bardzo duŜa i moŜe sięgać kilkuset
megawoltamperów.

Transformatory mogą słuŜyć do podwyŜszania i obniŜania napięcia w sieciach

przesyłowych.

Transformatory jednofazowe znajdują zastosowanie w róŜnych obwodach pomiarowych,

sygnalizacyjnych i zabezpieczających, a takŜe w układach zasilania urządzeń spawalniczych
prostownikowych. Bardzo małe transformatory jednofazowe instaluje się w zasilaczach
urządzeń elektronicznych.

Autotransformatory, których uzwojenia nawinięte są na wspólnym obwodzie

magnetycznym uŜywane są w urządzeniach rozruchowych trójfazowych silników klatkowych.

Przekładniki, czyli transformatory pomiarowe, wykorzystywane są w układach do

pomiaru  duŜych  napięć  i  prądów  w  elektroenergetyce.  Za  pośrednictwem  przekładnika
moŜliwe jest odseparowanie układu pomiarowego od przewodów elektrycznych będących pod
wysokim napięciem. Produkuje się przekładniki prądowe i napięciowe. Przekładnik prądowy
pracuje  z  obwodem  wtórnym  w  stanie  zwarcia(zwartym  poprzez  amperomierz  o  znikomej
rezystancji).  Przekładnik  napięciowy  pracuje  w  stanie  zbliŜonym  do  jałowego
(z woltomierzem

przyłączonym

zacisków

uzwojenia

wtórnego).

Przekładniki

produkowane są w izolacji Ŝywicznej lub olejowej.

Transformatory bezpieczeństwa są przeznaczone do zasilania odbiorników małej mocy

np. lamp przenośnych w warsztatach samochodowych. Są one zasilane napięciem sieciowym
230V, dostarczają niskie napięcie np. 24 V, uwaŜane za napięcie bezpieczne dla obsługi.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jaką maszynę nazywamy silnikiem elektrycznym?

Jaka jest zasada budowy silnika elektrycznego prądu stałego?

Jaka jest zasada działania silnika elektrycznego prądu stałego?

Jaka jest zasada budowy silnika elektrycznego prądu przemiennego?

Jakie znasz rodzaje silników elektrycznych prądu przemiennego?

Jaka jest zasada działania silnika elektrycznego prądu przemiennego?

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu przemiennego?

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego?

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę mechaniczną silnika prądu stałego?

10.

Jak przebiega badanie silnika elektrycznego prądu przemiennego?

11.

Jakie urządzenie nazywamy transformatorem?

12.

Jak przebiega badanie transformatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj, jak są oznaczane zaciski uzwojeń maszyn prądu stałego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać, w literaturze i źródłach pozatekstowych, informacje o oznaczeniach zacisków
uzwojeń maszyn prądu stałego,

zanotować, jak są oznaczane zaciski uzwojeń maszyn prądu stałego.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu,

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 2

Wykonaj badanie transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

zapoznać się z wiadomościami na temat budowy i działania transformatora,

zapoznać się z przebiegiem badania transformatora znajdującym się w instrukcji do tego
ć

wiczenia,

połączyć elementy zestawu według schematu znajdującego się w instrukcji,

wykonać badanie posługując się zestawem do wykonania tego ćwiczenia,

wykonać protokół badania,

zaprezentować efekty swojej pracy,

dokonać oceny pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zestaw do wykonania badania transformatora,

−

instrukcja do wykonania ćwiczenia,

−

kartka papieru formatu A4,

−

przyrządy kreślarskie,

−

przybory do pisania,

−

poradnik dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie silnika prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

zapoznać się z wiadomościami na temat budowy i działania silnika prądu stałego,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zapoznać się z przebiegiem badania silnika prądu stałego znajdującym się w instrukcji do
tego ćwiczenia,

ustalić zakres badania,

zestawić elementy zestawu według schematu znajdującego się w instrukcji,

wykonać badanie posługując się zestawem do wykonania tego ćwiczenia,

wykonać protokół badania,

zaprezentować efekty swojej pracy,

dokonać oceny pracy.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−

zestaw do wykonania badania silnika prądu stałego,

−

instrukcja do wykonania ćwiczenia,

−

kartki papieru formatu A4,

−

przyrządy kreślarskie,

−

przybory do pisania,

−

poradnik dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

opisać budowę i działanie prądnicy prądu stałego?

ustalić przebieg wyznaczania charakterystyki zewnętrznej prądnicy
prądu stałego?

opisać budowę i działanie prądnicy prądu przemiennego?

ustalić przebieg wyznaczania charakterystyki zewnętrznej prądnicy
prądu przemiennego?

połączyć elementy zestawu pomiarowego według schematu?

wyjaśnić działanie i opisać budowę silnika prądu stałego?

ustalić zakres i przebieg badania silnika prądu przemiennego?

sporządzić protokół badania silnika prądu przemiennego?

wyjaśnić działanie i opisać budowę silnika prądu przemiennego?

10)

ustalić zakres i przebieg badania silnika prądu przemiennego?

12)

opisać budowę i działanie transformatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.

Urządzenia sterujące

4.3.1. Materiał nauczania

Układy sterowania elektrycznego urządzeń i systemów (rys. 18), składają się z: układów

zasilających,

elektrycznych

urządzeń

sterujących

i elektromechanicznych

urządzeń

wykonawczych.

Rys. 18. Schemat blokowy układu sterowania elektrycznego

Urządzenia sterujące słuŜą do sterowania pracą urządzeń wykonawczych. Składają się

z aparatury łączeniowej i zabezpieczającej.

Urządzenia wykonawcze słuŜą do przetwarzania energii elektrycznej w energię

mechaniczną. Dzieli się je, ze względu na zasadę działania, na silniki i urządzenia z napędem
elektromagnetycznym, np.: sprzęgła, hamulce, cewki rozdzielaczy.

Urządzenia sterujące i wykonawcze mogą być zasilane z jedno – lub trójfazowej linii

napięcia przemiennego, bezpośrednio lub przy uŜyciu transformatorów i urządzeń
energoelektronicznych.

Podstawowym układem sterującym jest układ „załącz – wyłącz” lub „start – stop”

przedstawiono na rysunku 18 a.

F1F

L1
L2

F1F

1 3

lub

3/N ~ 50 Hz/ TN - S

Rys. 18 a. Stycznikowy układ „załącz – wyłącz”

Urządzenia

sterujące

Układ

zasilający

Urządzenie

wykonawcze

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Opis działania układu sterowania

Po naciśnięciu przycisku S2 (start) zostaje zamknięty obwód elektryczny, w którym

znajduje się cewka elektromagnesu stycznika K1. Przepływ prądu przez cewkę K1 powoduje
przyciągnięcie zwory napędzającej styki ruchome torów głównych i pomocniczych stycznika.
Styki ruchome K1 zwierają tory główne, powodując przepływ prądu przez uzwojenia silnika.
Silnik zaczyna wirować.

W tym samym czasie zostaje zwarty styk pomocniczy „no” stycznika K1 powodując

mostkowanie  (zwarcie)  przycisku  S2.  Zwolnienie  przycisku  S2  nie  spowoduje  wyłączenia
stycznika,  poniewaŜ  cewka  stycznika  zasilana  jest  przez  zamknięty  styk  „no”  K1,  jest  to
samopodtrzymanie  się  stycznika.  Aby  wyłączyć  stycznik,  naleŜy  nacisnąć  przycisk  S1.
Samoczynne  wyłączenie  stycznika  nastąpi  równieŜ  w przypadku  zadziałania  przekaźnika
termicznego F1F, który zabezpiecza silnik przed przeciąŜeniem.

Z analizy działania tego układu wynika, Ŝe działa on podobnie jak przerzutnik RS.

Funkcję przycisku R (reset) pełni przycisk S1, a S (set) przycisk S2. Układ ten pamięta jeden
bit informacji i moŜe pełnić funkcję pamięci.

Podział łączników

Łącznikami nazywamy aparaty słuŜące do zamykania, otwierania lub przełączania

obwodów elektrycznych, uruchamianych ręcznie lub zdalnie.

Łączniki dzielimy ze względu na:

−−−−

napięcie znamionowe – niskiego i wysokiego napięcia;

−−−−

uŜycie styków – bezstykowe i zestykowe;

−−−−

znamionową zdolność wyłączania – izolacyjne, robocze i zwarciowe;

−−−−

przeznaczenie – instalacyjne i przemysłowe;

−−−−

miejsce zainstalowania – główne i pomocnicze.
Łącznikami niskiego napięcia nazywa się łączniki o napięciu znamionowym do 1 kV.
Łącznik bezstykowy słuŜy do załączania i wyłączania prądu w obwodzie poprzez

sterowanie przewodnością elementu półprzewodnikowego.

Łącznik zestykowy słuŜy do zamykania, otwierania i przełączania obwodów za pomocą

zestyków.

Łączniki izolacyjne mają bardzo małą zdolność wyłączania (prąd wyłączalny znacznie

mniejszy od prądu znamionowego) i słuŜą do łączenia w stanie bezprądowym. Zalicza się do
nich odłączniki.

Łączniki robocze (rozłączniki, styczniki, łączniki krzywkowe), mają zdolność wyłączania

prądów roboczych i przeciąŜeniowych (do 10 I

Łączniki zwarciowe tj. bezpieczniki, przeznaczone są do jednorazowego wyłączenia

prądów występujących przy przeciąŜeniach i zwarciach oraz wyłączniki, które mogą wyłączać
prądy zwarciowe.

Łączniki główne są włączone do obwodów głównych, a łączniki pomocnicze (łączniki

przyciskowe, łączniki krańcowe, przełączniki) do obwodów pomocniczych: sterowniczych,
sygnalizacyjnych i zabezpieczających.

Zestyk tworzy zespół dwóch styków, z których jeden jest ruchomy (napędzany), a drugi

nieruchomy. Styk ruchomy moŜe być napędzany przez uŜycie siły fizycznej człowieka lub siły
mechanicznej. WyróŜniamy dwa rodzaje zestyków:

−−−−

zestyk normalnie otwarty (zwierny) „no”, który pod wpływem działania siły zewnętrznej
zamyka obwód elektryczny,

−−−−

zestyk normalnie zamknięty (rozwierny) „nc” lub „nz”, który pod wpływem działania siły
zewnętrznej otwiera obwód elektryczny.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 19. Symbole graficzne zestyków

Zestyki mogą być obciąŜane prądami:

−−−−

roboczymi (prąd w obwodzie nie przekracza prądu znamionowego styku),

−−−−

przeciąŜeniowymi (prąd w obwodzie jest nieznacznie większy od prądu znamionowego
styku),

−−−−

zwarciowymi (prąd w obwodzie jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego
styku).

Łączniki pomocnicze

Łączniki przyciskowe, zwane dalej przyciskami, składają się najczęściej z jednego lub

kilku zestyków „no” i „nc” oraz napędu. Działanie ich polega na zwieraniu lub rozwieraniu
styków pod wpływem nacisku wywołanego przez człowieka (dłoń, palec, noga). Po usunięciu
nacisku styki wracają do połoŜenia początkowego.

Przyciski słuŜą do załączania lub wyłączania układów sterowania elementami

wykonawczymi.

Przełączniki ręczne słuŜą w elektrycznych układach sterowania do załączania lub

wyłączania  obwodów.  Mogą  składać  się  z  kilku  łączników  migowych  (rys.  20),  które
napędzane  są  za  pomocą  dźwigni,  przycisku  lub  przycisku  przechylnego.  Cechą
charakterystyczną  tych  przełączników  jest  to,  Ŝe  pozostają  w  pozycji,  w  jakiej  zostały
ustawione.

Rys. 20. Mikrołącznik [9]

Przełączniki

zatrzaskowe

najczęściej

stanowią

elementy

stykowe

urządzeń

zabezpieczających. Załączenie styku przełącznika powoduje napięcie spręŜyny, która w takim
stanie jest utrzymywana przez zamek (zapadkę blokującą). Zwolnienie zamka i otwarcie
styków moŜe nastąpić przez naciśnięcie przycisku lub samoczynnie za pomocą dodatkowych
urządzeń wyzwalających, takich jak: wyzwalacze termiczne lub elektromagnetyczne,
wyłączniki prądu przeciąŜenia i wyłączniki napięciowe wzrostowe i zanikowe.

Łącznik krańcowy to zespół styków napędzanych za pomocą popychacza, dźwigni lub

rolki.  Łączniki  te  uruchamiane  są  za  pomocą  zderzaków,  krzywek  itp.  W  układach
sterowniczych  najczęściej  słuŜą  do  sygnalizowania  osiągnięcia,  przez  ruchome  części
urządzeń  i  maszyn,  określonego  połoŜenia  (np.  nie  moŜna  uruchomić  tokarki,  jeŜeli  nie  jest
zamknięta osłona wrzeciona).

1 – element napędowy
2 – spręŜyna stykowa
3 – styk stały
4 – styk ruchomy
5 – spręŜyna powrotna
F – kierunek działania siły napędowej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Łączniki robocze

Łączniki krzywkowe stosuje się w układach sterowania do przełączania obwodów oraz

do załączania i wyłączania urządzeń w stanie obciąŜenia (wyłączniki główne).

KaŜdy łącznik krzywkowy składa się z komory gaszeniowej komory z mechanizmem

przerzutowym  osi  łącznika  i  pokrętła.  Jego  moŜliwości  łączeniowe  zaleŜą  od  ilości  komór
gaszeniowych  oraz  kształtu  krzywek  napędzających  popychacze  zwór.  PołoŜenie  krzywek,
przymocowanych  na  stałe  do  osi  łącznika,  w komorach  gaszeniowych  zaleŜne  jest  od
połoŜenia pokrętła napędzającego oś. Komora z mechanizmem przerzutowym skonstruowana
jest w taki sposób, Ŝe pokrętło moŜe się obrócić skokowo o ściśle określony kąt (30

, 45

, 60

czy 90

). W komorach tych istnieje równieŜ moŜliwość instalowania ograniczników kąta

obrotu tak, Ŝe pokrętło przyjmuje określoną ilość połoŜeń.

Styczniki naleŜą do grupy elektromagnetycznych elementów sterujących, które mają za

zadanie załączanie i wyłączanie obwodów głównych zasilających elementy wykonawcze
silników napędowych, hamulców lub sprzęgieł elektromagnetycznych.

W kaŜdym styczniku z napędem elektromagnetycznym (rys. 21) wyróŜnia się następujące

elementy:

−−−−

styki nieruchome i uspręŜynowane styki ruchome tworzące zestyk podstawowy
umieszczany w głównym torze prądowym (załączającym lub wyłączającym odbiornik),

−−−−

komorę gaszeniową (gaszącą łuk elektryczny powstający przy wyłączaniu odbiorników),

−−−−

elektromagnes, składający się z nieruchomego rdzenia magnetycznego wraz z cewką oraz
ruchomej zwory elektromagnesu, która napędza styki ruchome torów głównych
i pomocniczych,

−−−−

zestyki zwierne (no) i rozwierne (nz lub nc), umieszczone w torach prądowych
pomocniczych (słuŜą do budowania układów sterowania i sygnalizacji),

−−−−

spręŜyny powrotne,

−−−−

obudowa.

Rys. 21. Budowa stycznika powietrznego [9]

Układ ruchomy stycznika stanowią: zwora elektromagnesu oraz zestaw z ruchomymi

stykami  zestyków  podstawowych  i  pomocniczych.  Zasilanie  odpowiednim  napięciem  cewki
elektromagnesu,  powoduje  przyciągnięcie  zwory  do  rdzenia  z  jednoczesnym  ruchem  styków
w torze  głównym  i  pomocniczym  stycznika.  Podczas  zamykania  stycznika  są  przestawiane
styki  zestyków  podstawowych  i pomocniczych  (jednoczesność  działania  styków)  oraz
napinane  są  spręŜyny  powrotne.  Styk  zwierny  (no)  pozostaje  w  stanie  zamkniętym,  a  styk
rozwierny (nz) w stanie otwartym tak długo, dopóki cewka elektromagnesu jest zasilana.

1 – styk nieruchomy
2 – styk ruchomy
3 – komora gaszeniowa
4 – zaciski przyłączowe
5 – rdzeń nieruchomy elektromagnesu
6 – zwora ruchoma elektromagnesu
7 – uzwojenie elektromagnesu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Oznaczenia końcówek stycznika roboczego przedstawiono na rys. 22.

Rys. 22. Oznaczenie końcówek stycznika roboczego

Przekaźnik pełni w układzie elektrycznym te same funkcje, co stycznik pomocniczy,

słuŜy  jako  sterowany  łącznik.  RóŜni  się  od  stycznika  budową,  wielkością  i wartością  mocy
przełączanej.  W przekaźniku  (rys.  23),  ruchoma  zwora  elektromagnesu,  do  której  jest
przymocowany  styk  przełączający,  jest  przyciągana  przez  pole  magnetyczne  cewki.  Po
załączeniu  napięcia  do  cewki,  następuje  rozwarcie  styku  „nz”,  a  zwarcie  styku  „no”.  Po
wyłączeniu napięcia styki wracają do stanu początkowego.

Rys. 23. Przekaźnik [5]

Przekaźniki czasowe, w układach sterowania realizują opóźnione załączenie, wyłączenie

lub przełączenie. W jednej obudowie znajduje się człon czasowy oraz przekaźnik. Występują
dwa  rodzaje  przekaźników  czasowych:  ze  zwłocznym  załączeniem  i  ze  zwłocznym
zwolnieniem  (wyłączeniem).  W  przypadku  przekaźnika  ze  zwłocznym  załączeniem,  po
załączeniu  napięcia  na  zaciski  zasilające,  jego  styki  przełączające  zmienią  połoŜenie  po
nastawionym czasie, a po wyłączeniu napięcia zasilającego, natychmiast wracają w połoŜenie
wyjściowe.  Przekaźnik  ze  zwłocznym  wyłączaniem  działa  odwrotnie.  Przedstawiają  to
diagramy czasowe (rys. 24).

Napi

cie na cewce

Styk

zamkni

otwarty

Przeka

nik ze zwłocznym zał

czeniem

przeka

nik ze zwłocznym wył

czeniem

czas

Napi

cie na cewce

otwarty

zamkni

Styk

Rys. 24. Diagramy czasowe

Przekaźnik skokowy (impulsowy) jest elektromagnetycznym przełącznikiem dwu lub

wielopołoŜeniowym. Podanie impulsu na jego cewkę powoduje przyciągnięcie zwory i ruch
koła zapadkowego o jedno połoŜenie. Obrót koła zapadkowego, z którym sprzęgnięta jest

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

krzywka powoduje zmianę stanu łącznika. W układach sterowania wykorzystywane są one
jako urządzenia o charakterze programowym.

Przekaźniki termobimetalowe w skrócie zwane termikami, są przeznaczone głównie do

zabezpieczania  silników  przed  długotrwałym  przepływem  przez  ich  uzwojenia  prądu
przeciąŜeniowego.  Są  one  dołączane  do  styczników  (kaŜdy  producent  styczników  produkuje
równieŜ przekaźniki termobimetalowe dostosowane do tych styczników).

Przekaźniki te, przyjmując jako kryterium sposób powrotu styku pomocniczego do stanu

początkowego po jego zadziałaniu, moŜemy podzielić na: z ryglem – powrót następuje po

Rys. 25. Zasada działania wyzwalacza termobimetalowego i elektromagnesowego [9]

wciśnięciu przycisku i bez rygla – powrót następuje po ostygnięciu bimetali.

Wyłączniki posiadają najczęściej trzy tory prądowe, których zestyki ruchome mogą być

napędzane

ręcznie

lub

maszynowo. WyposaŜane są w rozmaite wyzwalacze:

termobimetalowe,  elektromagnesowe,  prądowe,  napięciowe  (zanikowe,  wzrostowe)  lub
róŜnicowoprądowe,  które  powodują  automatyczne  wyłączenie  wyłącznika  w  przypadku
przekroczenia  nastawionych  wartości.  Zadaniem  wyłączników  jest  wyłączanie  prądów
roboczych, przeciąŜeniowych i zwarciowych.

Wyłączniki instalacyjne wykonywane są jako konstrukcje modułowe jedno, dwu, trzy lub

czterotorowe (liczba styków głównych) o charakterystykach wyzwalania A, B, C, D.
WyposaŜone są w wyzwalacze termiczne i elektromagnetyczne, które powodują samoczynne
zadziałanie wyłącznika w przypadku przeciąŜenia lub zwarcia. Zasada działania wyzwalacza
termobimetalowego i elektromagnetycznego przedstawiona jest na rys.25.

Wyłączniki, chronią ludzi, przewody zasilające i urządzenia, przed skutkami przepływu

prądu zwarciowego i przeciąŜeniowego.

Rys. 26. Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników instalacyjnych [9]

1 – pasmo działania wyzwalaczy termobimetalowych
2 – pasmo działania wyzwalaczy elektromagnesowych

1 – bimetal
2 – uzwojenie grzejne
3 – pokrętło nastawcze
4 – zamek wyłącznika

5 – styki główne wyłącznika

1 – rdzeń elektromagnesu
2 – spręŜyna
3 – zamek

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Charakterystyki czasowo-prądowe wyłączników (rys. 26) przedstawiają zaleŜność czasu

zadziałania wyłącznika od krotności prądu znamionowego płynącego przez wyłącznik.

Odbiorniki elektryczne, które znajdują się w obwodzie elektrycznym zabezpieczanym

tymi  wyłącznikami,  decydują  o  wyborze  rodzaju  charakterystyki:  A  –  obwody,  w  których
znajdują  się  urządzenia  elektroniczne;  B  –  obwody,  w  których  znajdują  się  odbiorniki
rezystancyjne  (Ŝarówki,  grzałki,  silniki  małej  mocy);  C  –  obwody,  w  których  znajdują  się
odbiorniki

indukcyjne

(silniki,

transformatory,

cewki

sprzęgieł

hamulców

elektromagnetycznych); D – obwody z silnikami, których praca polega na częstych
hamowaniach i zmianach kierunku wirowania (praca nawrotna).

Wyłączniki róŜnicowoprądowe są stosowane jako zabezpieczenie w ochronie

przeciwporaŜeniowej,  do  samoczynnego  wyłączenia  obwodu  w chwili  wystąpienia
niebezpiecznego  napięcia  dotykowego  groŜącego  poraŜeniem.  Mogą  posiadać,  oprócz
wyzwalacza  róŜnicowoprądowego,  wyzwalacz  termiczny  i  elektromagnetyczny.  JeŜeli  nie
posiadają tych wyzwalaczy, to kaŜdy tor prądowy wyłącznika róŜnicowoprądowego musi być
zabezpieczony  wyłącznikiem  instalacyjnym.  Zasadę  działania  wyłącznika  z  wyzwalaczem
róŜnicowoprądowym przedstawiono na rys. 27.

Wyłącznik samoczynny jest łącznikiem o napędzie ręcznym (przycisk) słuŜącym do

załączania  i  wyłączania  odbiorników  elektrycznych.  Po  naciśnięciu  przycisku  start  (przycisk
czarny),  następuje  zamknięcie  torów  głównych  wyłącznika,  ściśnięcie  i  blokada  spręŜyny
zamka  wyłącznika.  Mechanizm  blokujący  zamek  utrzymuje  tory  prądowe  w  stanie
zamkniętym,  aŜ  do  chwili,  gdy  zostanie  odryglowany  zamek.  Odryglowanie  zamka  moŜe
nastąpić

wyniku:

naciśnięcia

przycisku

(czerwony),

zadziałania

elementów

termobimetalowych znajdujących się w kaŜdym torze prądowym, lub wyzwalacza
nadprądowego.

PoniewaŜ wyłącznik ten posiada wyzwalacz termobimetalowy i wyzwalacz nadprądowy

(rys. 28), dla których moŜna nastawiać wartość prądu zadziałania, stosowany jest do
załączania silników. Charakterystyka czasowo-prądowa tego wyłącznika jest podobna do
charakterystyki wyłącznika instalacyjnego.

Rys. 27. Zasada działania wyłącznika z wyzwalaczem róŜnicowoprądowym [9]

1 – wyzwalacz elektromagnesowy
2 – wyzwalacz termobimetalowy
3 – przekładnik sumujący
4 – wyzwalacz róŜnicowoprądowy
5 – zamek wyłącznika
6 – przekaźnik napięciowy zanikowy
P

– przycisk kontrolny

– rezystor do wymuszania prądu róŜnicowego kontrolnego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 28. Budowa i charakterystyka wyłącznika samoczynnego [3]

Bezpieczniki topikowe są łącznikami słuŜącymi do przerywania obwodu, w którym prąd

przekracza określoną wartość w dostatecznie długim czasie. Są one powszechnie
wykorzystywane w sieciach o napięciu poniŜej 1 kV do zabezpieczania odbiorników
i obwodów instalacji elektrycznych.

Topik lub zespół topików (drut lub płaskownik z materiału przewodzącego o odpowiednim

przekroju),  umieszczony  w  porcelanowym  korpusie,  wypełnionym  piaskiem  kwarcowym
i zakończonym  metalowymi  okuciami  nazywamy  wkładką  topikową.  Wkładka  topikowa
umieszczana  jest  w  gnieździe  (rys.  29)  lub  w podstawie  szczękowej  (rys.  30).  Bezpieczniki
topikowe  umieszczane  w podstawach  szczękowych  nazywane  są  bezpiecznikami  mocy  lub
krótko BM.

Rys. 29. Bezpiecznik instalacyjny gwintowy [3]

Rys. 30. Bezpiecznik przemysłowy szczękowy [3]

1 – główka

bezpiecznikowa

2 – topik
3 – wkładka topikowa
4 – pierścień ochronny
5 – wstawka

ograniczająca
wkrętowa

6 – gniazdo

bezpiecznikowe

1 – podstawa

bezpiecznikowa

2 – wkładka

topikowa

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wkładki topikowe mają róŜne charakterystyki czasowo-prądowe. Mogą być o charakterystyce
zwłocznej WT/T (dawniej WTo), które to stosowane są najczęściej, szybkiej WT/F (dawniej
WTs – rys. 31) i bardzo szybkiej, które zabezpieczają elementy półprzewodnikowe.

Rys. 31. Charakterystyka czasowo-prądowa wkładki topikowej typu Bi-WTs 20 A

Działanie wkładki topikowej polega na przerwaniu obwodu prądowego w wyniku

przepalenia się topika. Przepalone bezpieczniki topikowe nie podlegają naprawie, a jedynie
wymianie na nowe. JeŜeli wkładka topikowa jest dobrana prawidłowo, to działanie jej jest tak
szybkie, Ŝe w przypadku wystąpienia zwarcia, prąd zwarciowy nie uzyskuje swojej
maksymalnej wartości.

Dobór łączników

Dobór łączników pomocniczych polega na określeniu znamionowego napięcia izolacji

oraz dodatkowo: kategorii uŜytkowania, prądu łączeniowego obwodu, największej częstości
łączeń i trwałości łączeniowej. Dla przycisków sterowniczych dodatkowo określa się kształt
i barwę.

Dobór styczników polega na określeniu znamionowego napięcia, znamionowego prądu

ciągłego, a ponadto: kategorii uŜytkowania obwodu, najmniejszej trwałości łączeniowej w tej
kategorii oraz największej częstości łączeń. Znamionowe parametry stycznika dla określonej
kategorii uŜytkowania powinny być równe lub większe od obliczonych parametrów obwodu.

Dobór wyłączników polega na określeniu: znamionowego napięcia izolacji,

znamionowego  prądu  ciągłego  oraz  dodatkowo:  znamionowej  zdolności  wyłączania,  która
powinna  być  większa  od  prądu  zwarciowego  wyłączalnego  w  obwodzie,  przy  załoŜonym
czasie  wyłączania  zwarcia,  napięciu  w obwodzie  i  współczynniku  mocy  obwodu;
wyposaŜenie w wyzwalacze, ich charakterystyki i nastawy.

Dobór bezpieczników sprowadza się do określenia: napięcia znamionowego

bezpiecznika,  które  powinno  być  równe  lub  większe  od  napięcia  w  obwodzie;  zdolności
wyłączania  prądu  zwarciowego,  która  powinna  być  równa  lub  większa  od  największego
obliczonego prądu zwarcia
w  obwodzie;  prądu  znamionowego  bezpiecznika  i  jego  charakterystyki,  przez  porównanie
charakterystyki

czasowo-prądowej

bezpiecznika

charakterystyką

obciąŜenia

zabezpieczanego obiektu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie bloki funkcjonalne wyróŜniamy w układach sterowania elektrycznego i jaką funkcję
spełniają?

Jakie znasz rodzaje łączników?

Jakie znasz rodzaje zestyków i jakie są ich symbole graficzne?

W jakich łącznikach i w jakim celu stosuje się komory gaszeniowe?

Jakie wielkości charakteryzują łącznik?

Z jakich elementów składa się łącznik?

Jak zbudowany jest stycznik roboczy i jak oznaczamy jego styki?

Czym róŜni się przekaźnik od stycznika roboczego?

Jaką funkcję spełniają przekaźniki czasowe w układach sterowania elektrycznego?

10.

Jakie wyzwalacze stosuje się w wyłącznikach?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj zastosowanie łączników.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wypisać, na podstawie materiałów dydaktycznych i literatury, rodzaje łączników,

wyszukać w katalogach i literaturze, informacje o zastosowaniu poszczególnych
rodzajów łączników,

wymienić i opisać zastosowanie odpowiednich rodzajów łączników.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

karty katalogowe łączników róŜnych firm,

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 2

Określ, na podstawie charakterystyki, czas, po jakim nastąpi wyłączenie bezpiecznika

topikowego zwłocznego o prądzie znamionowym 10 A, jeśli w obwodzie popłynie prąd 40 A.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać w katalogach charakterystyki bezpieczników topikowych,

przeanalizować charakterystyki bezpiecznika topikowego zwłocznego,

odczytać i zapisać czas, po jakim nastąpi zadziałanie bezpiecznika.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

karty katalogowe bezpieczników topikowych,

−−−−

literatura.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Wyjaśnij zasadę działania wyłącznika róŜnicowoprądowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje o wyłączniku róŜnicowoprądowym,

wyszukać, w źródłach tekstowych i pozatekstowych, informacje o zasadzie działania
wyłącznika róŜnicowoprądowego,

zapisać informacje o zasadzie działania wyłącznika róŜnicowoprądowego.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 4

Opisz budowę przekaźnika nadprądowego termobimetalowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje o przekaźniku nadprądowym
termobimetalowym,

wyszukać, w źródłach tekstowych i pozatekstowych, informacje o budowie przekaźnika
nadprądowego termobimetalowego,

zapisać informacje o budowie przekaźnika nadprądowego termobimetalowego.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wymienić bloki funkcjonalne układów sterowania elektrycznego?

wyjaśnić zasadę działania łączników, z uwzględnieniem ich
budowy?

zinterpretować parametry i charakterystyki czasowo-prądowe
łączników?

dobrać łączniki do określonych warunków?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.

Regulatory

4.4.1. Materiał nauczania

Jednym z podstawowych zadań układów lub systemów automatyki jest regulacja

określonej  grupy  parametrów  charakteryzujących  pewien  proces  technologiczny.  NaleŜy
załoŜyć, Ŝe na proces oddziaływają zakłócenia. Aby parametry sterowanej wielkości spełniały
narzucone technologią kryteria muszą być poddane procesowi kontrolnemu przez regulatory,
które  w  przypadku  oddalania  się  od  celu  regulacji  (w  efekcie  pojawiających  się  zakłóceń),
powinny sygnałami sterującymi oddziaływać korekcyjnie na przebieg procesu.

Przyjmując, Ŝe system sterowania jest całością i jedne jego elementy powinny wzajemnie

komunikować  się  z  drugimi  (niezbędność  wymiany  informacji),  rolę  kontrolerów  przejmą
urządzenia  mikroprocesorowe:  sterowniki  lub  regulatory cyfrowe. Do celów regulacji uŜywa
są  przewaŜnie  urządzeń,  których  główną  funkcją  jest  realizacja  w  określonej  strukturze
i konfiguracji  algorytmu  regulacji.  Nie  oznacza  to  wcale,  Ŝe  takie  urządzenie  nie  realizuje
funkcji  logicznych.  WyposaŜone  jest  równieŜ  w  logikę  funkcyjną,  ale  pomocną  w  realizacji
układów  regulacji.  ChociaŜ  regulator  w  urządzeniu  zbudowany  jest  w  oparciu
o  mikrokontroler,  to  uŜywany  moŜe  być  w  regulacji  procesów  ciągłych,  np.  w  regulacji
temperatury,  przepływu,  prędkości,  połoŜenia  itd.,  których  zmiany  są  ciągłymi  funkcjami
czasu.  Zawdzięcza  to  wyposaŜeniu  go  w  układy  przetwarzające  sygnały  ciągłe  na  cyfrowe
i odwrotnie.

Regulatorem nazywa się urządzenie techniczne, słuŜące do wytworzenia sygnału

sterującego (OUT) na podstawie uchybu regulacji (e), tzn. róŜnicy między wartością zadaną
sygnału regulowanego (SP) i aktualnie zmierzoną (PV) (rys. 32).

Rys. 32.

Ogólny schemat blokowy regulatora cyfrowego [2]

Analogowy sygnał uchybu: e = SP – PV, przetworzony zostaje w przetworniku A/D

(analogowo-cyfrowym) na sygnał cyfrowy e

. Sygnał ten jest następnie dynamicznie

formowany w cyfrowy sygnał sterujący x

. Z kolei sygnał x

zostaje przetworzony na sygnał

analogowy x

w przetworniku D/A, sterujący obiektem. Współcześnie produkowane

regulatory  mają  architekturę  uniwersalną,  umoŜliwiającą  zastosowanie  ich  w  róŜnorodnych
procesach  i  strukturach.  Mogą  być  stosowane  zarówno  do  regulacji  ciągłej,  jak  teŜ
dwustawnej,  trójstawnej,  trójstawnej  z  zewnętrznym  lub  wewnętrznym  sprzęŜeniem
zwrotnym.

W układzie automatycznym regulator zastępuje operatora który w układzie sterowania

ręcznego pozwala kontrolować przebieg procesu.

Zadania regulatora:

−

porównanie wartości rzeczywistej (mierzonej) parametru kontrolowanego z wartością
zadaną (określenie wartości odchyłki regulacji)

−

wytwarzanie sygnału wyjściowego o wartości zaleŜnej od wartości odchyłki regulacji,
czasu występowania odchyłki i szybkości jej zmian

−

zapewnienie sygnałowi wyjściowemu postaci i mocy potrzebnej do uruchomienia
urządzeń wykonawczych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Regulator jako urządzenie zawiera dodatkowo urządzenia do nastawiania wartości

zadanej na daną wartość, przełączniki rodzaju pracy, urządzenia do sterowania ręcznego oraz
mierniki mierzące regulowane wielkości.
Dawniejsze rozwiązania regulatorów to regulatory bezpośredniego działania o małej
dokładności regulacji, obecnie stosuje się regulatory korzystające z energii pomocniczej
pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne.

W zaleŜności od postaci sygnału wyjściowego rozróŜniamy:

regulatory z sygnałem wyjściowym nieciągłym dostawne, trójstawne, krokowe, impulsowe
regulatory z sygnałem wyjściowym ciągłym hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne.
W zaleŜności od sposobu kształtowania sygnału wyjściowego rozróŜniamy regulatory:

–

proporcjonalne P,

–

róŜniczkujące D,

–

proporcjonalno-całkowe PI,

–

proporcjonalno – całkowo – róŜniczkowe PID,

–

całkowite.

Regulator całkowy I

Zaletą tego regulatora jest moŜliwość sprowadzenia prawie do zera odchyłki regulacji.

Regulator I charakteryzuje stała czasowa zwana czasem zdwojenia. Jest ona równa

=ε*∆t/∆y,

-odchyłka regulacji

-x,

-syg wyj zadany,

x-syg rzecz.

W regulatorze I prędkość zmian sygnału wyjściowego jest tym większa im mniejsza jest

stała czasowa całkowania T

. Im charakterystyka y(t) jest linią bardziej pionową tym stała T

jest mniejsza a więc regulator szybciej działa.
Regulator proporcjonalny P

Parametrem charakteryzującym ten regulator jest zakres proporcjonalności x

który jest

odwrotnością wzmocnienia regulatora proporcjonalnego P. x

=1/K

. W układzie

z regulatorem  P  dokładność  jest  tym  większa  im  większe  jest  wzmocnienie.  Zastosowanie
tych regulatorów nie eliminuje całkowicie zakłóceń. Jest to człon bezinercyjny tzn. Ŝe bardzo
szybko  uzyskiwana  jest  zamierzona  wartość  sygnału  wyjściowego  (zaleta).  Wadą  jest
występujące  odchyłka  regulacji  która  jest  odwrotnie  proporcjonalna  do  wzmocnienia
regulatora.
Regulator proporcjonalno-całkowy PI

Regulator PI powstaje przez połączenie równoległe regulatora P i I. Łączy zalety P

(bezinercyjności) oraz I (moŜliwość zmniejszania uchybu regulacji prawie do zera).
Wielkością charakteryzującą ten regulator jest stała czasowa T

zwana czasem zdwojenia.

Regulator róŜniczkujący D

Regulator ten jest członem róŜniczkującym.
Człon róŜniczkujący zwany teŜ wyprzedzającym, wprowadza się w celu przyspieszenia

przebiegów  zachodzących  w  układzie  regulacji.  Sygnał  wyjściowy  członu  typu  D  jest
proporcjonalny  do  prędkości  zmian  sygnału  wejściowego  natomiast  niezaleŜny  od  wartości
tego  sygnału.  W  przypadku  regulatora  dodanie  członu  typu  D  wprowadza  do  sygnału
wyjściowego składnik zaleŜny od zmian odchyłki regulacji.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Regulator proporcjonalno-całkowo-róŜniczkujący PID

Jest to najbardziej uniwersalny regulator. Powstaje przez dołączenie do regulatora PI

członu róŜniczkującego D. Regulator PID łączy zalety wszystkich składowych tzn uchyb
regulacji ε sprowadzony praktycznie do zera, przyspiesza czas regulacji człon P, oraz działa
szybciej niŜ PI dzięki członowi D.

Parametry charakteryzujące PID:

−−−−

człon I char. Ti

−−−−

człon P char. K

– współczynnik wzmocnienia, x

– zakres proporcjonalności, x

=1/K

−−−−

człon D char. T

– czas wyprzedzenia

Nastawianie regulatorów

Wszystkie dotychczas omówione regulatory produkuje się jako uniwersalne tzn moŜna je

stosować w układach regulacji róŜnych wielkości. W regulatorach uniwersalnych stosowane
są najczęściej następujące zakresy poszczególnych parametrów:

–

zakres proporcjonalności x

=3÷500%

–

czas zdwojenia T

=3s÷75min

–

czas wyprzedzenia T

=0÷16min

JeŜeli na przykład zmieniając wartości jednego z tych parametrów wpływamy

jednocześnie  na  wartość  pozostałych  parametrów.  Mówimy  Ŝe  między  poszczególnymi
nastawami  występuje  zjawisko  interakcji.  Zmieniając  nastawy  regulatora  uniwersalnego
kształtujemy jego charakterystykę dynamiczną oraz charakterystykę statyczną dopasowując ją
do  potrzeb  określonego  obiektu.  Od  prawidłowego  doboru  proporcji  zaleŜy  jakość  regulacji.
JeŜeli  w regulatorze  PID  ustawimy  wartość  maksymalną  T

otrzymamy regulator

o wartościach zbliŜonych do PD.

– charakterystyka skokowa członu
proporcjonalnego

–

charakterystyka skokowa członu całkującego,

gdzie

– charakterystyka skokowa członu proporcjonalno-całkującego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Człon PI opisany jest wzorem:













⋅

∫

)

(

)

(

)

(

, gdzie T – jest nazywane

czasem zdwojenia, czyli czasem, po jakim sygnał wyjściowy ma wartość 2k. Podobnie jak
w przypadku członu całkującego

Dla obiektów charakteryzujących się właściwościami inercyjnymi pierwszego lub

wyŜszych rzędów – nazywanych obiektami statycznymi – stosuje się przewaŜnie regulatory PI
lub PID(rys. 33). Regulator PI stosuje się w przypadku szybkich zmian wartości wiodącej – w.
W układach regulacji stałowartościowej, np. regulacji temperatury, stosuje się regulator PID.

Rys. 33.

Regulacja obiektów statycznych [10]

Dla obiektów charakteryzujących się właściwościami całkującymi, zawierającymi co

najmniej jeden człon całkujący – nazywanych obiektami astatycznymi – stosuje się
w układach regulacji nadąŜnej regulatory P (rys. 34).

Rys. 34. Układ regulacji nadąŜnej obiektu astatycznego [10]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przykładem układu regulacji nadąŜnej niech będzie układ regulacji połoŜenia pisaka

rejestratora  kompensacyjnego.  Pisak  rejestratora  powinien  podąŜać  za  zmianami  sygnału
rejestrowanego  jako  sygnału  wiodącego  –  w.  W  przykładzie  wielkością  rejestrowaną  są
zmiany  temperatury,  której  pomiar  dokonywany  jest  za  pośrednictwem  termorezystora
(rys. 35).

Rys. 35. Schemat blokowy ciągłego układu regulacji połoŜenia pisaka w rejestratorze

Rolę regulatora w powyŜszym przykładzie pełni blok wzmacniaczy 2, który steruje

silnikiem 3 (w tym przypadku silnik jest członem całkującym). Wysterowanie wzmacniacza
zaleŜy od stanu nierównowagi mostka pomiarowego. Silnik napędza pisak rejestratora
sprzęŜony z potencjometrem pomiarowym R3 i równowaŜy mostek pomiarowy.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jaką rolę pełni regulator?

Jak zorganizowana jest struktura funkcjonalna regulatora?

Proszę podać interpretację składowych algorytmu PID.

Na czym polega sterowanie przyrostowe?

Kiedy stosowana jest realizacja algorytmu w postaci PD-PI?

Co to jest czas regulacji i przeregulowanie?

Jakiego typu regulatory stosuje się do regulacji obiektów statycznych?

4.4.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zapoznaj się z budową, działaniem i danymi technicznymi modułów we/wy regulatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z opisem regulatora wskazanego przez prowadzącego,

opisać i narysować bloki algorytmiczne regulatora,

poznać moŜliwości modułów wejściowych i wyjściowych regulatora.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,

–

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Zapoznaj się ze strukturą funkcjonalną regulatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

poznać podstawowe bloki funkcyjne regulatora wskazanego przez prowadzącego,

poznać metodę konfiguracji regulatora i parametryzacji wskazanych bloków.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,

–

regulator z odpowiednimi dla niego tablicami konfiguracyjnymi,

– literatura z rozdziału 6.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

scharakteryzować typy wejść i wyjść regulatorów cyfrowych?

opisać strukturę funkcjonalną regulatora cyfrowego?

rozróŜnić typy regulatorów?

wykonać prosty algorytm sterowania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.

Sterowniki programowalne PLC

4.5.1. Materiał nauczania

Sterowniki programowalne PLC (Programmable Logic Controllers) są komputerami

przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego:

−

zbierają pomiary za pośrednictwem modułów wejściowych z analogowych
i dyskretnych czujników oraz urządzeń pomiarowych,

–

transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych,

−

wykonują

programy

aplikacyjne

podstawie

przyjętych

parametrów

i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie,

−

generują sygnały sterujące zgodnie z wynikami obliczeń tych programów
i przekazują je poprzez moduły wyjściowe do elementów i urządzeń wykonawczych,

−

realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.

Wartości pomiarów zmiennych procesowych są wejściami sterownika, zaś obliczone

zmienne sterujące stanowią wyjścia sterownika.

Głównym zadaniem sterownika jest więc reagowanie na zmiany wejść oraz obliczanie

wyjść według zaprogramowanych reguł sterowania lub regulacji. Reakcja ta moŜe być zaleŜna
od  wyników  operacji  arytmetyczno-logicznych  wykonanych  dla  aktualnych  wartości  wejść
sterownika,  jego  zmiennych  wewnętrznych  oraz  od  zaprogramowanych  warunków
czasowych.  MoŜe  ona  takŜe  zaleŜeć  od  operacji  wykonanych  na  danych  transmitowanych
w  sieciach  łączących  wiele  elementów  pomiarowych,  sterowników,  regulatorów,  czy  teŜ
komputerów.

Ze względu na architekturę sterowniki PLC dzieli się na:

–

kompaktowe,

–

modułowe.
Sterowniki kompaktowe naleŜą do tzw. rodziny Micro (np. GE Fanuc, Easy)

i charakteryzują się sztywną architekturą i małymi wymiarami. W jednej obudowie znajduje
się tu zasilacz, CPU oraz niewielka liczba wejść i wyjść cyfrowych, rzadziej analogowych.
Czasem występuje takŜe wejście szybkiego licznika. Przeznaczone są głównie do sterowania
niewielkimi urządzeniami lub aparatami.

PoniŜej (rys.36) przedstawiony został jeden z reprezentantów tej rodziny.

Sterownik ten zasilany jest napięciem 24V DC i ma zegar czasu rzeczywistego, wyświetlacz
i klawiaturę  umoŜliwiającą  programowanie  bez  programu  na  PC  –  ta.  WyposaŜony  jest
w  oprogramowanie  opcjonalne  EASY-SOFT  lub  EASY-SOFT-PRO  i  kabel  do  połączenia
z PC-tem: EASY-PC-CAB. MoŜliwe jest dołączanie rozszerzeń we/wy.

–

Zasilanie – 24VDC

–

Liczba wejść cyfrowych 24 VDC – 12

–

Liczba wejść analogowych 0-10VDC – 2

–

Liczba wyjść tranzystorowych 24VDC – 8

–

Dostępnych linii programu – 121

–

Elementów w linii programu – 4

Rys. 36. Wygląd sterownika serii EASY [5]

W przypadku złoŜonych zadań sterowania o głębokości przetwarzania powyŜej 100

DI/DO najczęściej wykorzystuje się sterowniki o budowie modułowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Do zamontowania takiego sterownika niezbędna jest płyta łączeniowa (CPU baseplate),

zwana takŜe kasetą (rack), która posiada gniazda (slots) do podłączenia wybranych modułów,
w tym dwóch niezbędnych: zasilacza PWR (PoWeR Supply) oraz modułu jednostki centralnej
CPU.  Zasilacz  naleŜy  podłączyć  do  źródła  napięcia  120/240  VAC,  ale  często  teŜ  stosuje  się
zasilacze  podłączone  do  źródła  12/24/48  VDC.  Pozostałe  gniazda  moŜna  wykorzystać  do
włączenia  innych  modułów  sterownika.  Najnowsze  konstrukcje  zakładają  instalowanie
modułów  bezpośrednio  na  szynie  montaŜowej  DIN  i  łączenie  ich  ze  sobą  łączami
zatrzaskowymi. Podstawowe moduły, najczęściej wykorzystywane, to:
–

moduły wejść i wyjść dwustanowych DI, DO;

–

moduły wejść i wyjść analogowych AI, AO;

–

moduł szybkiego licznika HSC (High – Speed Counter) do obsługi wejść dwustanowych
zmieniających się zazwyczaj nie szybciej niŜ 100 kHz, a pochodzących najczęściej
z tzw. enkoderów, generujących impulsy o liczbie proporcjonalnej do obrotu
obsługiwanej osi;

−

moduł pozycjonowania osi APM (Axis Positioning Module), który zapewnia obsługę
sygnałów generowanych przez enkodery z moŜliwością doboru profilu prędkości oraz
ograniczenia przyspieszeń dla łagodnego rozruchu i zatrzymywania napędów, zasilanych
przez przetwornice częstotliwości;

–

moduł komunikacyjny CCM (Communications Coprocessor Module) z dwoma łączami
szeregowymi RS-232 i RS-422/485 z określonymi protokołami komunikacyjnymi;

–

moduł komunikacyjny sieci sterownikowych do połączenia sterowników w sieci lokalnej;

–

moduł kontrolera sieci do zapewnienia dodatkowych funkcji kontrolnych sieci;

–

moduł komunikacyjny sieci Ethernet, który stanowi łącze między sterownikami i siecią
Ethernet TCP/IP LAN;

–

moduł  programowalnego  koprocesora  PCM  (Programmable  Coprocessor  Module),
wyposaŜony  zwykle  w  koprocesor, pamięć EPROM i podtrzymywaną bateryjnie pamięć
RAM. UmoŜliwia on programowanie funkcji specjalnych w językach wyŜszego poziomu
MegaBasic lub w języku C. Moduł posiada łącza szeregowe i moŜe być wykorzystywany
do  programowania  niestandardowych  protokołów  komunikacyjnych.  Często  teŜ  spełnia
funkcje buforowania przetworzonych danych.
Przykładem  sterownika  modułowego  moŜe  być  produkt  firmy  SIEMENS,  sterownik

SIMATIC  S7-400  (rys.  37).  MoŜe  on  być  stosowany  do  realizacji  skomplikowanych  funkcji
sterowania  oraz  do  automatyzacji  duŜych  obiektów  technologicznych.  S7-400  dostępny  jest
w dwóch wersjach, w wersji standardowej i odpornej na uszkodzenia – „fault tolerant”.

Rys. 37. Wygląd sterownika SIMATIC S7 – 400 f-my SIEMENS

Charakterystyka S7-400

–

max. liczba I/O cyfrowych: 131056/131056

–

max. liczba I/O analogowych: 8192/8192

–

max. pamięć programu: 4 Mbytes

–

komunikacja: MPI, PROFIBUS, Ethernet

–

bardzo krótki czas wykonania instrukcji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

konstrukcja bez wentylatora

–

duŜy wybór procesorów, modułów I/O, opcji komunikacyjnych, modułów funkcyjnych

–

moŜliwość pracy wieloprocesorowej

–

interfejsy do systemów IT i sieci WWW

Zasada działania sterowników PLC

Podstawową zasadą pracy sterowników jest praca cykliczna (rys.38), w której sterownik

wykonuje kolejno po sobie pojedyncze rozkazy programu w takiej kolejności, w jakiej są one
zapisane  w  programie.  Na  początku  kaŜdego  cyklu  program  odczytuje  "obraz"  stanu  wejść
sterownika  i  zapisuje  ich  stany  (obraz  wejść  procesu).  Po  wykonaniu  wszystkich  rozkazów
i  określeniu  (wyliczeniu)  aktualnego  dla  danej  sytuacji  stanu  wyjść,  sterownik wpisuje stany
wyjść  do  pamięci  będącej  obrazem  wyjść  procesu,  a  system  operacyjny  wysterowuje
odpowiednie  wyjścia,  sterujące  elementami  wykonawczymi.  Tak  więc  wszystkie  połączenia
sygnałowe  spotykają  się  w  układach  (modułach)  wejściowych  sterownika,  a  program  śledzi
ich obraz i reaguje zmianą stanów wyjść w zaleŜności od algorytmu.

W cyklu wykonywane są następujące
działania:
1.

Inicjacja cyklu.

Czytanie sygnałów wejściowych.

Wykonanie programu uŜytkownika.

Aktualizacja sygnałów wyjściowych.

Transmisja danych.

Komunikacja systemowa.

Wykonanie funkcji diagnostycznych.

Rys. 38. Fazy cyklu programowego sterownika PLC [7]

Konstrukcja mechaniczna

Integralnymi elementami S7-400 są: magistrala komunikacyjna–„backplane”, zasilacz,

procesor  CPU  z  interfejsami  komunikacyjnymi  do  modułów  rozproszonych,  moduły
sygnałowe  do  obsługi  wejść  i  wyjść  dwustanowych  oraz  analogowych,  procesory
komunikacyjne, moduły funkcyjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat blokowy sterownika PLC

Sterownik PLC zawiera (rys. 39):

–

jednostkę centralną – procesor (CPU),

–

pamięć programu,

–

układy wejścia i wyjścia (WE/WY).
System operacyjny określa sposób przydziału zasobów pamięci sterownika, dzieląc

dostępną pamięć systemu na trzy klasy:

Pamięć danych uŜytkownika – dla zmiennych danych, które podlegają modyfikacji

w trakcie wykonywania programu.

Pamięć konfiguracji systemu – do przetwarzania tablic danych systemu takich jak mapa

WE/WY i wartości nastaw sterownika. Informacja o konfiguracji określa następujące
zagadnienia:
–

tryb pracy sterownika PLC – tj. samodzielna jednostka centralna, lub jako rozszerzenie;

–

parametry portów komunikacyjnych PLC;

–

liczbę i zakres obszarów pamięci WE/WY (I/O) obsługiwanych PLC.
Pamięć programu uŜytkownika – w której jest tworzony i poddawany edycji program

logiczny. Pamięć programu uŜytkownika jest podzielona na dwa segmenty:
–

układ logiczny drabinkowy przeznaczony do zastosowań standardowych;

–

układ logicznego podprogramu.

Rys. 39. Struktura zespołów funkcjonalnych sterownika [7]

W jednostce centralnej znajduje się równieŜ pamięć Flash, w której rezyduje system

operacyjny sterownika PLC. Zawartość pamięci Flash nie wymaga podtrzymania bateryjnego.

System operacyjny znajdujący się w pamięci Flash stanowi zbiór programów

nadzorczych, które określają toŜsamość sterownika PLC poprzez:
–

określenie języka, w którym napisano program uŜytkowy – np. logika drabinkowa;

–

przydzielenie zasobów pamięci jednostki centralnej określonym celom, określenie
struktury, w jakiej sterownik PLC przechowuje w pamięci dane i operuje nimi.
Sterownik PLC moŜe zostać skonfigurowany do pracy w jednym z trzech trybów:

–

tryb samodzielny – sterownik działa jako wydzielony programowalny system sterowania
zarządzający własnym kompletem wejść/wyjść;

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

–

tryb centralny – sterownik działa jako jedyny sterownik w połączeniu rozszerzającym
WE/WY, którego jednostka centralna CPU moŜe zarządzać zasobem WE/WY naleŜących
do wszystkich połączonych ze sobą sterowników;

–

tryb  podporządkowany  –  sterownik  działa  jako  sterownik  w  połączeniu  rozszerzającym
WE/WY,  który  zezwala,  aby  niektóre  albo  wszystkie  jego  WE/WY  były  dostępne
i zarządzane przez sterownik centralny uczestniczący w połączeniu.
Pamięć  systemowa  zawiera  zmienne,  nazywane  takŜe  operandami,  na  których

wykonywane są operacje programu. Zmienne te zbierane są w wydzielone obszary, nazywane
obszarami operandów. Wielkość tych obszarów zaleŜy od zastosowanego CPU.

Operandy CPU:

–

zmienne wejściowe – I (ang. Input): dostarczane jako argumenty przetwarzania
programowego przez moduły wejściowe,

–

zmienne wyjściowe – Q (ang. Quit): argumenty uŜyte w celu zwrócenia wyniku
przetwarzania programowego przez moduły wyjściowe,

–

zmienne markujące – M (ang. Marker): zmienne wewnętrzne informujące o stanie
przetwarzania,

–

zmienne czasowe – T (ang. Timer): generowane przez bloki funkcyjne wykorzystywane
do realizacji uwarunkowań czasowych lub odmierzania czasu,

–

zmienne licznikowe – C (ang. Counter): przetwarzane przez bloki funkcyjne realizujące
programowo liczenie zdarzeń (dodawanie i odejmowanie).

Rys. 40.

Schemat podłączeń wejść [10]

Część wejściowa sterownika podzielona jest na moduły obejmujące przewaŜnie 8, 16

lub 32 wejść binarnych (rys.40). Moduł wejściowy zawiera układy elektroniczne,
zamieniające sygnały pochodzące z urządzeń zewnętrznych na sygnały logiczne akceptowane
przez sterownik. Mogą to być, np. dzielniki napięć z dodatkowymi filtrami RC dla tłumienia
zakłóceń. Moduły wejść prądu stałego wyposaŜone są dodatkowo w diody chroniące właściwą
polaryzację (najczęściej “ze wspólnym plusem”), a moduły wejść prądu przemiennego
– w mostkowe układy prostownicze.

Dla izolacji potencjałowej obwodów wejściowych i magistrali sterownika stosowane są

optoizolacje (fotodioda – fototranzystor). Stan poszczególnych bitów bufora danych modułu
wejściowego sygnalizowany jest diodami LED. Multiplekser sterowany jest przez dekoder
adresów.

Część wyjściowa sterownika podzielona jest teŜ na moduły obejmujące 8 lub 16 wyjść

binarnych (rys. 41). Moduł wyjściowy zawiera układy wzmacniające, np. łącznik
tranzystorowy dla obwodów wyjściowych prądu stałego (np. 24VDC, 200 mA) lub łącznik
triakowy dla bezpośredniego wysterowania obwodów wyjściowych z obciąŜeniem prądowym,
indukcyjnym i pojemnościowym (np. 50 Hz, 230 VAC).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 41. Schemat podłączeń wyjść [10]

Stan poszczególnych wyjść modułu określa demultiplekser sterowany przez CPU

sterownika. W dekoderze adresów zostaje odkodowany adres wybranego przez mikroprocesor
wyjścia i odpowiednia wartość binarna przesłana z magistrali danych przez demultiplekser do
układów wyjściowych modułu.

Podstawowe funkcje sterownikowe
Funkcje logiczne

Podstawowymi operatorami słuŜącymi do realizacji funkcji logicznych są operatory:
I (AND) – koniunkcji, LUB (OR) – alternatywy, NIE (NOT) – negacji, TAK
– powtórzenia (rys. 15). Operacje zapisywane są symboliką językową:

–

FBD (Function Block Diagram) – język schematów blokowych;

–

LD (Ladder Diagram) – język schematów drabinkowych;

–

IL (Instruction List) –język list instrukcji.

Rys. 42.

Podstawowe operacje logiczne w zapisie symbolicznym [10]

Przerzutniki SR i RS

Przerzutniki bistabilne SR i RS zostały zaliczone do funkcji przekaźnikowych (relay

functions),  poniewaŜ  są  one  realizowane  w  drabinkowym  schemacie  za  pomocą  pary  cewek
sprzęŜonych:  S  (Set  –  ustawiająca)  i  R  (Reset  –  kasująca)  przypisanych  do  jednej  zmiennej
binarnej. Cewki te mogą być takŜe z zapamiętywaniem stanu (retentive set coil, retentive reset
coil).  RóŜnica  w  działaniu  przerzutników  SR  i RS objawia się tylko wtedy, gdy oba wejścia
w  realizacji  obu  przekaźników  polega  na  zmianie  kolejności  obwodów.  Stan  obwodu
późniejszego w realizacji (niŜszego w schemacie drabinkowym) jest dominujący (rys.43).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 43.

Realizacja funkcji przerzutnika stanu markera M 0.0: a) SR, b) RS [10]

Operacje wprowadzania i przekazania

Operator wprowadzania umoŜliwia przepływ informacji z pamięci do akumulatora

(akumulatory  to  dwa  rejestry  procesora  specjalnego  przeznaczenia,  wykorzystywane  jako
pamięć pośrednia, gdzie znajdują się wartości argumentów, na których procesor ma wykonać
operacje i do tych rejestrów procesor wpisuje wyniki wykonanych operacji).
W  trakcie  wprowadzania  odpowiedni  obszar  pamięci  jest  kopiowany  do  pierwszego
akumulatora.  Jednocześnie  poprzednia  wartość  pierwszego  akumulatora  jest  kopiowana  do
druiego  akumulatora.  Poprzednia  zawartość  drugiego  akumulatora  jest  tracona.  Obszar
pamięci, z którego ma być wykonane kopiowanie jest wskazywany przez argument operatora
wprowadzenia  (np.  L  IW  10,  co  oznacza:  wprowadź  dziesiąte  słowo  wejść).  W  przypadku
wprowadzenia  obszaru,  który  nie  wypełnia  w  całości  akumulatora  pozostałe  bity  zostają
wypełnione zerami. Operator przekazania umoŜliwia przepływ informacji z akumulatora do
pamięci.  W  trakcie  przekazania  zawartość  akumulatora  1  jest  kopiowana  do  odpowiedniego
obszaru pamięci. Obszar pamięci, do którego ma być skopiowana zawartość akumulatora jest
wskazywany przez argument operatora przekazania (np. T QW 7, co oznacza: przekazanie do
siódmego słowa wyjść). Symbole operacji wprowadzania i przekazania przedstawia rys. 44.

Rys.44.

Symbole operacji: a) wprowadzania, b) przekazania [10]

Detekcja zbocza sygnału

Za pomocą detekcji zbocza moŜna uchwycić zmiany stanu sygnału. Zbocze narastające

występuje przy zmianie wartości zmiennej logicznej z 0 na 1, w przeciwnym przypadku
występuje zbocze opadające. Detekcja zbocza moŜliwa jest zarówno na wyniku operacji
logicznej jak i na operatorze (w tym przypadku wynik detekcji poprzedza wykonanie operacji
logicznej). Elementy wykorzystywane dla detekcji przedstawia rys. 45.
Elementy detekcji moŜna wykorzystać równieŜ do pamiętania wartości sygnałów.

Rys. 45.

Elementy detekcji zbocza sygnału [10]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Czasomierze

ZaleŜności czasowe (rys. 46) moŜna programować za pomocą następujących operatorów:

SP – czasomierz impulsowy ( Pulse Timer),
SE  –  czasomierz  impulsowy  z  przedłuŜeniem
(Extended Pulse Timer),
SD  –  czasomierz  załączający  z  opóźnieniem
(On-Delay Timer),
SS  –  czasomierz  załączający  z  opóźnieniem
z zapamiętaniem (Stored On-Delay Timer),
SF  –  czasomierz  wyłączający  z  opóźnieniem
(Off-Delay Timer),
R – zerowanie czasomierza.

Rys. 46. Funkcje czasowe (TV – wartość czasu)

Czasomierz zostaje uruchomiony po zmianie wyniku operacji logicznej poprzedzającej

operator startu. Czasomierz wyłączający z opóźnieniem (SF) odmierza czas, gdy wynik
operacji logicznej zmienia się z 1 na 0 (zbocze opadające), wszystkie pozostałe – gdy zmienia
się z 0 na 1 (zbocze narastające). Wartość odmierzanego czasu wprowadzana jest do
czasomierza argumentem TV (Time Value).
Liczniki

Funkcje liczące, nazywane w technice sterownikowej licznikami, umoŜliwiają liczenie

impulsów. Licznik opisywany jest – w symbolicznej komórce – nazwami operatorów wejść
i wyjść (rys. 47). Adresuje się w postaci absolutnej lub symbolicznej, np. C4 lub “Liczba
elementów 1”.

Rys. 47. Licznik – funkcje [10]

Znaczenie wejść i wyjść: CU (Count Up) – licz w górę; CD (Count Down) – licz w dół;

PV (Programmed Value) – wprowadzona początkowa wartość liczenia np. C#50;
S (Set) – ustawienie licznika; R (Reset) – zerowanie licznika; CV/CV_BCD (Count Value) –
bieŜąca wartość licznika w kodzie BCD lub binarnym ; Q – status licznika (wartość Q=1, jeśli
bieŜąca wartość licznika jest większa niŜ 0). Przykładowy diagram pracy licznika ukazuje
rys. 48.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 48. Diagram pracy licznika [10]

Rys. 49 ukazuje zapamiętanie wartości liczbowej 5 w MW 10 (= MB 10 i MB 11).

Rys. 49.

Zapamiętanie wartości liczbowej [10]

Wyjaśnienie: „W” oznacza słowo (ang: Word), czyli 16-bitową liczbę całkowitą,

zapisaną w kodzie dopełnienia do dwóch i znajdującą się w zakresie od – 32768 do +32767.
Musi ona być zapisana w dwóch bajtach. Jeśli wskazujemy dla wartości 5 adres 10, to
zarezerwowane zostaną dwa bajty: jeden na młodszy bajt, drugi na starszy bajt słowa. W tym
przypadku adresem starszego bajtu jest 10, adresem młodszego bajtu jest 11. W bajcie 11
zostanie wpisana binarnie 5, czyli 00000101.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

Jakie główne zadania realizuje sterownik?

Jakie działania cyklicznie wykonuje sterownik?

Jakie podstawowe moduły zawiera sterownik?

Co zawiera pamięć systemowa CPU sterownika?

Do czego słuŜy moduł szybkich liczników sterownika?

Do jakich trybów pracy skonfigurować moŜna sterownik?

Jakie układy elektroniczne zawiera moduł wejściowy?

Jak realizowane są funkcje przekaźnikowe w sterowniku?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Zapoznaj się z budową, działaniem i danymi technicznymi modułów we/wy sterownika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

zapoznać się z opisem sterownika wskazanego przez prowadzącego,

narysować schemat budowy i działania sterownika,

przeanalizować moŜliwości modułów wejściowych i wyjściowych sterownika.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,

–

literatura zgodnie z punktem 6.

Ćwiczenie 2

Zapoznaj się ze strukturą funkcjonalną sterownika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

poznać podstawowe bloki funkcyjne sterownika wskazanego przez prowadzącego,

poznać metodę parametryzacji czasomierzy i liczników sterownika.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,

–

komputer PC, z odpowiednim dla sterownika oprogramowaniem.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić przeznaczenie podstawowych modułów sterownika?

wyjaśnić zasadę działania sterowników PLC?

scharakteryzować realizację operacji wprowadzania i przekazywania
danych?

rozróŜnić i realizować operacje czasowe procesu z uŜyciem
sterownika?

rozróŜniać i realizować operacje licznikowe sterownika?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.

Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

Test zawiera zadania z poziomu podstawowego oraz ponadpodstawowego i te mogą
przysporzyć Ci trudności, gdyŜ są one na poziomie wyŜszym niŜ pozostałe.

−

zadania 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 są poziomu
podstawowego,

−

zadania 5, 19, 20, są poziomu ponadpodstawowego.

Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

Na rozwiązanie testu masz 60 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Na rysunku przedstawiono symbol czujnika

optycznego.

kontaktronowego.

c) indukcyjnego.
d) pojemnościowego.

2. Przedstawiony na rysunku do zadania 1 czujnik zareaguje na pojawienie się w jego polu

działania przeszkody wykonanej
a)

ze szkła.

z porcelany.

z metalu.

d) z gumy.

3. Zjawisko gaszenia łuku nie występuje w

bezpiecznikach.

odłącznikach.

rozłącznikach.

wyłącznikach.

4. Rozruchu silnika klatkowego nie przeprowadzimy za pomocą

autotransformatora.

przełącznika gwiazda – trójkąt.

przeciwwłączenia.

włączenia rezystancji.

Rysunek przedstawia charakterystyki mechaniczne

= f(M) czterech silników

elektrycznych. Silnikowi szeregowemu prądu stałego odpowiada charakterystyka
oznaczona numerem

6. Maszyna zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną to

twornik.

prądnica.

magneśnica.

silnik elektryczny.

7. Transformator jest to urządzenie słuŜące do

podwyŜszania lub obniŜania napięcia.

zamiany prądu przemiennego na prąd stały.

wytwarzania siły elektromotorycznej.

wytwarzania siły elektrodynamicznej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8. Silnik elektryczny słuŜy do

wytwarzania siły elektrodynamicznej.

wytwarzania siły elektromotorycznej.

zmiany napięcia.

zmiany natęŜenia prądu.

9. Do silników prądu stałego nie naleŜy:

silnik szeregowy.

silnik bocznikowy.

silnik klatkowy.

silnik z magnesami trwałymi.

10. Do silników prądu przemiennego nie naleŜy

silnik szeregowo-bocznikowy.

silnik pierścieniowy indukcyjny.

silnik klatkowy.

silnik komutatorowy.

11. Normalny stan pracy transformatora to stan

wzbudzenia.

jałowy.

obciąŜenia.

zwarcia.

12. W urządzeniach rozruchowych trójfazowych silników klatkowych uŜywane są

transformatory bezpieczeństwa.

autotransformatory.

przekładniki prądowe.

przekładniki napięciowe.

13. Podstawą fizyczną działania prądnicy jest

indukcja elektromagnetyczna.

indukcja magnetyczna.

samoindukcja.

indukcja wzajemna.

14. Typ silnika podany na tabliczce znamionowej określa

zasadę działania silnika.

moc znamionową silnika.

napięcie znamionowe silnika

moment znamionowy.

15. W pomieszczeniach o duŜej wilgotności powietrza powinien być ustawiony silnik

o obudowie
a)

otwartej.

chronionej.

zamkniętej.

głębinowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16. Zakłócenie w pracy silnika polegające na długotrwałym wzroście prądu płynącego przez

jego uzwojenia to
a)

zwarcie międzyfazowe.

przeciąŜenie.

zwarcie doziemne.

zwarcie międzyzwojowe.

17. Do ochrony silnika przed zwarciem stosuje się

styczniki.

wyzwalacze termobimetalowe.

przekaźniki cieplne.

wyłączniki nadmiarowo-prądowe.

18. Potencjometr słuŜy jako przetwornik

temperatury.

ciśnienia.

połoŜenia.

siły.

19. W skład mikrosterownika nie wchodzi

procesor.

wyłącznik nadprądowy.

pamięć.

przetwornik.

20. Układem regulacji jest

układ, w którym występuje urządzenie sterujące.

układ sterowania programowego.

c) zamknięty układ sterowania.
d) układ, w którym rolę decyzyjną pełni człowiek.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko………………………………………………………………………………….

Stosowanie układów sterowania i regulacji

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1.  Bolkowski S. Elektrotechnika.WSiP, Warszawa 1993
2.  Brzóska J.: Regulatory cyfrowe w automatyce, MIKOM, Warszawa 2002.
3.  Hörnemann  E.,  Hübscher  H.,  Klaue  J.,  Schierack  K.,  Stolzenburg  R.:  Elektrotechnika.

Instalacje elektryczne i elektronika przemysłowa. WSiP, Warszawa 1998

4. Jabłoński W. Płoszajski G. Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 1996
5. Katalogi łączników, silników elektrycznych, elementów półprzewodnikowych róŜnych

firm

6. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996.
7. Legierski T., Wyrwał J., Kasprzyk J.,Hajda J.: Programowanie sterowników PLC,

Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 1998.

8. Nowicki J. Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla zasadniczych szkół

nieelektrycznych. WSiP, Warszawa 1999

9.  Poradnik elektryka. Praca zbiorowa. WSiP, Warszawa 1995
10.  Schmid Dietmar: Mechatronika, REA, Warszawa 2002.
11.  Szenajch  W.,  Koprzywa  W.,  Sawicki  L.:  Pneumatyka  i  hydraulika  maszyn

technologicznych. Wydawnictwo PWN, Warszawa 1990

12. Szenajch W.: Napęd i sterowanie pneumatyczne. WNT, Warszawa 1997.