operator urzadzen przemyslu spozywczego 827[01] o1 05 u

___________________________________________________________________________

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Tobiasz Budzyński

Analizowanie

układów

elektrycznych

sterowania

w maszynach i urządzeniach 827[01].O1.05

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Recenzenci:
mgr inż. Tomasz Jagiełło
mgr inż. Marek Rudziński

Opracowanie redakcyjne:
mgr Tobiasz Budzyński

Konsultacja:
mgr Radosław Kacperczyk

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 827[01].O1.05
„Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach”, zawartego
w programie nauczania dla zawodu operator maszyn i urządzeń przemysłu spożywczego.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Podstawy elektrotechniki. Obwody i instalacje elektryczne

4.1.1.

Materiał nauczania

4.1.2.

Pytania sprawdzające

4.1.3.

Ćwiczenia

4.1.4.

Sprawdzian postępów

4.2. Podstawy elektroniki. Maszyny elektryczne

4.2.1.

Materiał nauczania

4.2.2.

Pytania sprawdzające

4.2.3.

Ćwiczenia

4.2.4.

Sprawdzian postępów

4.3. Podstawy automatyki. Systemy komputerowe

4.3.1.

Materiał nauczania

4.3.2.

Pytania sprawdzające

4.3.3.

Ćwiczenia

4.3.4.

Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w poznaniu układów elektrycznych i sterowania

stosowanych w maszynach i urządzeniach.

W poradniku zamieszczono:

–

wymagania wstępne wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już 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 już opanowałeś określone treści,

–

ćwiczenia, 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.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

827[01].O1

Techniczne podstawy zawodu

827[01].O1.03

Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych w przemyśle

spożywczym

827[01].O1.01

Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i

higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej i

ochrony środowiska

827[01].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją techniczną

827[01].O1.05

Analizowanie układów

elektrycznych i sterowania w

maszynach i urządzeniach

827[01].O1.04

Rozpoznawanie elementów

maszyn, urządzeń i mechanizmów

827[01].O1.06

Stosowanie podstawowych technik

wytwarzania części maszyn

827[01].O1

Techniczne podstawy zawodu

827[01].O1.03

Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych w przemyśle

spożywczym

827[01].O1.01

Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa

i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej

i ochrony środowiska

827[01].O1.02

Posługiwanie się dokumentacją techniczną

827[01].O1.05

Analizowanie układów

elektrycznych i sterowania

w maszynach i urządzeniach

827[01].O1.04

Rozpoznawanie elementów

maszyn, urządzeń i mechanizmów

827[01].O1.06

Stosowanie podstawowych technik

wytwarzania części maszyn

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

przestrzegać przepisów

bhp, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska,

−

posługiwać się instrukcjami i dokumentacją techniczną,

−

posługiwać się podstawowymi jednostkami miar i wag,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami i wielkościami fizycznymi,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w elektronice,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w elektrotechnice,

−

posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w automatyce,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

obsługiwać komputer,

−

współpracować w grupie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

rozróżnić podstawowe wielkości określające energię elektryczną oraz określić ich
jednostki,

−

rozpoznać na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu stałego
i przemiennego,

−

scharakteryzować materiały: przewodzące, półprzewodzące izolacyjne, magnetyczne,

−

określić parametry maszyn i urządzeń elektrycznych na podstawie tabliczki
znamionowej,

−

zmierzyć natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego oraz przemiennego
jednofazowego i trójfazowego,

−

rozróżnić instalacje mieszkaniowe i przemysłowe,

−

dobrać właściwy układ zabezpieczeń w obwodzie elektrycznym,

−

określić średnicę przewodu w zależności od wielkości pobieranej mocy,

−

rozróżnić połączenia odbiorników szeregowe, równoległe, w gwiazdę i w trójkąt,

−

rozróżnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie,

−

zmierzyć rezystancję izolacji i uziemienia,

−

rozpoznać typowe usterki i uszkodzenia w obwodach instalacji i osprzęcie elektrycznym
maszyn i urządzeń,

−

wyjaśnić zasadę działania transformatora, prądnicy, silnika elektrycznego,

−

wskazać różnice w budowie i pracy między prądnicą, silnikiem i transformatorem,

−

rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne,

−

rozróżnić podstawowe elementy układu sterowania,

−

wyjaśnić zadanie podstawowych elementów układu sterowania,

−

rozróżnić elementy układów automatyki przemysłowej,

−

zinterpretować proste schematy układów automatycznej regulacji,

−

obsłużyć układy sterujące pracą maszyn i urządzeń,

−

rozpoznać zagrożenia spowodowane nieprawidłową obsługą układów sterujących,

−

rozpoznać zagrożenia występujące podczas pracy maszyn i urządzeń elektrycznych,

−

rozróżnić

rodzaje

przeznaczenie

zabezpieczeń

stosowanych

w maszynach

i urządzeniach,

−

określić zadania dozoru technicznego,

−

zastosować przepisy bezpiecznej pracy, ochrony przeciwporażeniowej prądem
elektrycznym, ochrony przeciwpożarowej podczas wykonywania pomiarów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Podstawy elektrotechniki. Obwody i instalacje elektryczne

4.1.1. Materiał nauczania

Poniżej zostaną omówione zagadnienia dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy oraz

ochrony przeciwporażeniowej związane z prądem elektrycznym.

Elektryczność statyczna powstaje wówczas, gdy na przedmiotach odizolowanych od

ziemi gromadzą się różnoimienne ładunki elektrostatyczne. Pojawia się ona w obiektach
przemysłowych zarówno podczas przesypywania ciał sypkich, przelewania cieczy
oraz przy przepływie gazów przez rurociągi. Zbliżenie do siebie przedmiotów naładowanych
ładunkami różnoimiennymi

może

spowodować

wyładowanie

iskrowe.

Jednak

w pomieszczeniach gdzie występuje zagrożenie pożarowe, wyładowanie iskrowe może
spowodować zapalenie się lub wybuch nagromadzonych substancji palnych. Niesie to za sobą
nie tylko straty materialne, ale także może być zagrożeniem dla życia i zdrowia ludzi
przebywających w pobliżu. Jednym ze sposobów przeciwdziałania elektryczności statycznej
jest uziemienie przedmiotów metalowych. Polega to na połączeniu części gromadzących
ładunki elektryczne z metalowym prętem umieszczonym bezpośrednio w ziemi. Przedmioty
niemetalowe można chronić przed nagromadzeniem ładunków poprzez nawilżanie powietrza
w pomieszczeniach. Cienka warstwa wody osiadająca na ściankach tych przedmiotów
powoduje odprowadzenie ładunków do ziemi lub innych przedmiotów o przeciwnym ładunku
elektrycznym.

Zasady prawidłowej eksploatacji i bezpiecznej obsługi maszyn elektrycznych wszystkie

urządzenia elektryczne posiadają instrukcję obsługi, zatem powinny być zgodnie z nią
eksploatowane i konserwowane. Najczęściej spotykanymi nieprawidłowościami pracy
maszyny mogą być drgania i stuki wynikające np. z uszkodzenia elementów maszyny. Może
to powodować nadmierne grzanie się elementów maszyny, a w konsekwencji ich trwałe
uszkodzenie. Kolejną oznaką awarii może być wystąpienie iskrzenia spowodowanego
uszkodzeniem instalacji elektrycznej lub zużyciem elementów ślizgowych czy komutatora
oraz szczotek. Największe zagrożenie stwarza brak osłon części wirujących lub pozostających
pod napięciem. Może to powodować zagrożenie dla zdrowia człowieka, a także doprowadzić
do uszkodzenia maszyny.

Podczas pracy z maszynami elektrycznymi należy bezwzględnie przestrzegać zarówno

ogólnych zasad bhp, jak i zasad bezpiecznej pracy z maszynami. Należy stosować się do
poniższych zaleceń:

−

remonty i konserwacje mogą wykonywać jedynie osoby posiadające odpowiednie
kwalifikacje,

−

przed uruchomieniem maszyny lub urządzenia należy dokonać oględzin wzrokowych jej
stanu technicznego,

−

przed wymianą żarówek i bezpieczników należy obwód odłączyć od napięcia,

−

w celu podłączenia lub odłączenia wtyczki należy chwytać ją za obudowę,

−

nie wolno dotykać części urządzeń mokrymi rękami,

−

po zauważeniu nieprawidłowości w pracy urządzeń należy odłączyć zasilanie.
Aby wykluczyć lub zmniejszyć prawdopodobieństwo powstania wypadków wskutek

rażenia prądem elektrycznym stosowane są środki ochrony przeciwporażeniowej. Poniżej
zostaną przedstawione środki techniczne stosowane w urządzeniach o napięciu znamionowym
poniżej 1000 V. Zostały one podzielone na trzy rodzaje:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim tak zwana ochrona podstawowa w tym
przypadku stosowany jest jeden z następujących środków:

−

izolacja podstawowa – powinna ona osłaniać wszystkie dostępne części, które mogą
się znaleźć pod napięciem roboczym, podczas normalnej pracy urządzenia,

−

osłona celem stosowania osłon jest zapewnienie ochrony przed dotknięciem dłonią
lub inną częścią ciała, części znajdującej się pod napięciem. Zadaniem osłon jest
również zapewnienie ochrony od części znajdujących się pod napięciem, drutem
o średnicy powyżej 1 mm. Otwarcie lub usunięcie osłon może być możliwe tylko
przy użyciu odpowiedniego klucza lub innych narzędzi. Nie jest to konieczne
w przypadku, jeśli usunięcie osłony, automatycznie wyłączy zasilanie,

−

ogrodzenie

celem

stosowania

ogrodzeń

jest

ochrona

człowieka

przed

niezamierzonym, bezpośrednim dotknięciem elementów będących pod napięciem.
Ogrodzenia stosowane są tylko w pomieszczeniach lub w terenie o ograniczonym
dostępie,

−

umieszczenie poza zasięgiem ręki części nieosłonięte, znajdujące się pod napięciem
roboczym, mogą się znajdować na wysokości minimum 2,5 m nad poziomem
stanowiska, oraz 1,25 m w bok lub w dół stanowiska. Tego rodzaju rozwiązanie
stosowane jest tylko w pomieszczeniach lub na terenach o ograniczonym dostępnie,

−

środki ochrony przed dotykiem pośrednim tak zwana ochrona dodatkowa – głównie
polega ona na zastosowaniu następujących środków:

−

samoczynnym wyłączeniu zasilania jest to jeden z najczęściej stosowanych środków
ochrony przed dotykiem pośrednim. Występuje ono w przypadku uszkodzenia
izolacji. Wyłączenie takiego obwodu musi nastąpić nie tylko samoczynnie, ale
również w bardzo krótkim czasie. Czas ten uzależniony jest od wartości prądu
zwarciowego i od typu urządzeń wyłączających obwód. Jednym ze stosowanych
wyłączników w tego typu rozwiązaniach jest wyłącznik różnicowoprądowy.
Wyłącznik ten umieszczany jest w zasilaniu obwodu,

−

zastosowaniu urządzeń II klasy ochronności polega na zastosowaniu izolacji oraz
obudowy izolacyjnej o co najmniej podwójnej wytrzymałości elektrycznej
i mechanicznej, w stosunku do wymagań, jakie są stawiane izolacji roboczej.
W związku z zastosowaniem takiego rozwiązania prawdopodobieństwo jej
uszkodzenia jest znikome,

−

separacji elektrycznej – ochrona wykorzystująca separację elektryczną polega na
zasilaniu obwodu odbiorczego w taki sposób, że możliwość zwarcia pomiędzy
uzwojeniem pierwotnym i wtórnym jest wykluczona,

−

środki ochrony przed dotykiem pośrednim i bezpośrednim jednoczesne zastosowanie
ochrony podstawowej i dodatkowej uzyskuje się dzięki zastosowaniu obwodów
odbiorczych, które są oznaczone skrótami SELV i PELV. Obwody tego typu muszą
mieć napięcie znamionowe nie przekraczające wartości 50V.

Bezpieczeństwo przeciwpożarowe – poniżej zostały przedstawione podstawowe zasady

dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego:

−

w trakcie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji obiektów należy przestrzegać
wymagań budowlanych, instalacyjnych i technologicznych,

−

obiekty należy wyposażyć w odpowiedni sprzęt i urządzenia przeciwpożarowe. Należy
zapewnić im utrzymanie właściwego stanu technicznego oraz prawidłowego dostępu do
nich,

−

obiekt należy przygotować do prowadzenia akcji ratowniczej,

−

należy przestrzegać wymagań bezpieczeństwa pożarowego, które są związane
z prowadzonymi procesami technologicznymi, mogącymi spowodować zagrożenie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

pożarem lub wybuchem. Należy zadbać przede wszystkim o sprawność urządzeń
zabezpieczających, a każdą awarie należy usuwać przed ponownym uruchomieniem linii
technologicznej lub procesu technologicznego,

−

należy przestrzegać prawidłowej eksploatacji instalacji technicznych (elektrycznej,
piorunochronnej, gazowej, kominowej i wentylacyjnej), oraz maszyn i urządzeń poprzez
zapewnienie ich okresowych przeglądów i konserwacji,

−

należy zaznajomić pracowników z przepisami przeciwpożarowymi i porządkowymi,
uwzględniając przy tym zasadę obsługi sprzętu przeciwpożarowego i prowadzenia
ewakuacji, oraz ustalić sposoby postępowania w przypadku pożaru lub innego
zagrożenia,

−

czynności z zakresu ochrony przeciwpożarowej należy powierzać osobom posiadającym
odpowiednie kwalifikacje,

−

należy opracować dla obiektów użyteczności publicznej „Instrukcję bezpieczeństwa
pożarowego”

oraz

wymagań

przeciwpożarowych

dotyczących

procesów

technologicznych w „Instrukcji technologiczno-ruchowej” przeznaczonej dla zakładów
przemysłowych,

−

do ochrony przeciwpożarowej należy stosować sprzęt, urządzenia, elementy, środki oraz
instalacje, które posiadają odpowiednie certyfikaty.
Poprzez pojęcie dozoru technicznego należy rozumieć działania zmierzające do

zapewnienia bezpiecznego funkcjonowania urządzeń technicznych. Dozór ten jest
wykonywany przez określone jednostki powołane do kontroli stanu technicznego urządzeń.

Dozorowi technicznemu podlegają urządzenia techniczne w toku ich projektowania,

wytwarzania (w tym także wytwarzania materiałów i elementów), naprawy i modernizacji,
obrotu oraz eksploatacji.

Urządzenia techniczne powinny być projektowane, wytwarzane, zgodnie z ich

przeznaczeniem, w sposób zapewniający bezpieczeństwo ich eksploatacji.

Dozór techniczny wydaje uprawnienia do wytwarzania, modernizacji, naprawiania

danych urządzeń technicznych, jeżeli spełnione są określone warunki koniecznie do realizacji
danego zadania.

Dokument potwierdzający przyznanie uprawnienia zawiera warunki stanowiące podstawę

do wytwarzania, naprawiania, modernizacji urządzeń technicznych. Dokument taki musi
zawierać:

−

specyfikacje techniczne, w których określa się, jakie cechy powinno posiadać dane
urządzenie techniczne w zakresie jakości, parametrów technicznych, bezpieczeństwa,
wymiarów, z uwzględnieniem odpowiedniego nazewnictwa, symboli, oznaczenia
urządzenia itd.,

−

technologie stosowane przy wytwarzaniu, naprawie lub modernizacji urządzenia,

−

zastosowane materiały,

−

wymagania dotyczące kontroli jakości urządzeń technicznych.
W toku wytwarzania urządzeń technicznych objętych dozorem technicznym dozór ten

sprawdza wykonanie materiałów i elementów stosowanych do wytworzenia danych urządzeń
oraz przeprowadza badania techniczne sprawdzające zgodność wykonania urządzeń
technicznych z dokumentacją i warunkami dozoru technicznego.

W przypadku eksploatacji urządzeń technicznych dozór techniczny przeprowadza

badania urządzenia w warunkach gotowości do pracy – badania odbiorcze; wykonuje
okresowe i doraźne badania techniczne; sprawdza zaświadczenia o kwalifikacjach osób
obsługujących i konserwujących urządzenia techniczne.

Urządzenia techniczne objęte dozorem technicznym mogą być eksploatowane jedynie

wówczas, gdy dozór wyda zezwolenie na ich eksploatację. Wcześniej dozór techniczny
przeprowadza badania urządzenia pod względem jego zgodności z dokumentacją techniczną

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

zatwierdzoną przez dozór oraz stanu urządzenia, jego wyposażenia i oznakowań.
Przeprowadzane także próby techniczne przed uruchomieniem urządzenia mają na celu
ustalenie, czy dane urządzenie pracuje w zakresie warunków technicznych ustalonych dla
poszczególnych rodzajów urządzeń.

Dozorowi technicznemu podlegają m.in. następujące urządzenia: kotły parowe

przeznaczone do wytwarzania pary z cieczy, szybkowary ciśnieniowe, kotły cieczowe
przeznaczone do podgrzewania cieczy, zbiorniki stałe i przenośne przeznaczone do
magazynowania lub transportowania cieczy lub gazów, rurociągi pary, przesyłowe
i technologiczne, zbiorniki do przewozu materiałów bezpiecznych i niebezpiecznych,
maszyny służące do przemieszczania osób lub ładunków (np. suwnice, wyciągi, podnośniki,
żurawie, podesty ruchome, urządzenia dla niepełnosprawnych, schody i chodniki ruchome),
dźwigi do transportu ludzi lub ładunków, przenośniki kabinowe i krzesełkowe, wyciągi do
przemieszczania osób, urządzenia załadowcze wyładowcze i podające ładunki, osobowe
i towarowe koleje liniowe itd.
Podstawowe prawa i elementy elektrotechniki

Zjawiska elektryczne zależą od wzajemnego oddziaływania atomów najmniejszych,

niepodzielnych składników materii. Składają się one z ładunków dodatnich protonów,
znajdujących się w jądrze atomu, oraz ujemnych elektronów, krążących po orbitach.
Ponieważ obydwa ładunki przyciągają się wzajemnie założono, iż są one przeciwnych
znaków tzn. protony posiadają ładunek dodatni, natomiast elektrony ujemny. Ogólnie
nazwano je ładunkami elementarnymi. Jednostkę ładunku elektrycznego nazwano kulombem
i oznaczono C.

Pewna grupa ciał składa się z atomów, w których elektrony swobodnie krążą po

zewnętrznych orbitach, czyli mogą przemieszczać się w obrębie całego ciała. Nazwano je
elektronami swobodnymi. Do grupy ciał posiadających swobodne elektrony należą metale
i ich stopy. W momencie poddania elektronów swobodnych działaniu sił zewnętrznych, ich
ruch stanie się uporządkowany. Zjawisko to nazywamy prądem elektrycznym.

Ponieważ w metalach nie zachodzą żadne zmiany chemiczne podczas przepływu prądu,

dlatego nazywamy je przewodnikami pierwszego rodzaju. Wyróżniamy też przewodniki
drugiego rodzaju tzn. takie, w których przepływ prądu elektrycznego powoduje
przemieszczenie się ładunków. Jony dodatnie kationy powstają przez pozbawienie atomu
kilku elektronów, które zostają przyłączone do atomów cząsteczki innego rodzaju.
Przewodniki te zwane są elektrolitami, a zaliczyć do nich można roztwory wodne kwasów,
zasad i soli.

Wartość przepływającego prądu elektrycznego I przez przewodnik określa się jako

stosunek liczby przepływających ładunków elektrycznych q w jednostce czasu t. Zależność tą
można zapisać w postaci wyrażenia:

Jeśli przez przewodnik w ciągu 1 s (sekundy) przepływa ładunek elektryczny o wartości

1C (kulomba) to mówimy, że przez przewodnik płynie prąd o wartości 1A (ampera).

Jak już wiadomo, aby uzyskać przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik, musimy

umieścić go w zasięgu działania sił elektrycznych zwanych polem elektrycznym. Badania
wykazały, że wartość siły wzajemnego oddziaływania ładunków elektrycznych zależy
również od charakteru środowiska przewodzącego zwanego przenikalnością elektryczną.

Prawo Coulomba siła wzajemnego oddziaływania ładunków jest proporcjonalna do

iloczynu ich wartości, a odwrotnie proporcjonalna do ich odległości. Kierunek działania siły
wyznacza prosta łącząca ładunki.

Natężeniem pola elektrycznego nazywamy stosunek siły działającej na ładunek

umieszczony w polu elektrycznym do jego wartości. Wartość natężenia pola maleje wraz ze

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wzrostem odległości od ładunku będącego jego źródłem. Zależność tą można zapisać
w postaci wyrażenia:

Ładunek przemieszczając się z punktu 1 do punktu 2 wykonuje pracę, której stosunek do

wartości tego ładunku nazywamy napięciem elektrycznym U, a jednostką napięcia jest
V (wolt). Napięcie elektryczne można zapisać w postaci wyrażenia:

Ponieważ praca wykonana przez ładunek podczas jego przemieszczania z punktu 1 do

punktu 2 zależy od ich położenia, dlatego właściwości energetyczne tych punktów są różne
i określamy je jako potencjał elektryczny punktu. Potencjał określa, więc stopień
naelektryzowania ciała. Jednostką potencjału jest wolt.

Prawo Ohma wartość prądu przepływającego przez przewodnik jest wprost

proporcjonalna do napięcia między jego końcami i odwrotnie proporcjonalna do jego
rezystancji. Prawo Ohma można przedstawić przy pomocy następującej zależności:

Rezystancja (opór czynny) przewodnika przy stałej temperaturze zależy od jego

wymiarów geometrycznych i rodzaju materiału, z którego jest wykonany. Jednostką
rezystancji jest

Ω

(om). Dla przewodników o długości l i stałym przekroju poprzecznym

S rezystancję można obliczyć z następującej zależności:

Każdy materiał ma własny opór elektryczny właściwy zwaną rezystywnością.

Odwrotnością rezystywności jest przewodność elektryczna właściwa – konduktywność.

Podczas przemieszczania ładunku z punktu 1 do punktu 2 zmienia on swoją energię.

Zmiana energii elektrycznej ładunku w jednostce czasu nazywana jest mocą elektryczną P.
Jednostką mocy jest W (wat). Moc elektryczna obliczana jest z następującej zależności:

Rodzaje prądu prąd, którego wartość zmienia się jedynie wtedy, gdy zmienia się pobór

mocy przez odbiorniki a kierunek jego przepływu w urządzeniach przesyłowych jest stały tzn.
nie zmienia znaku, nazywamy prądem stałym. W rozważaniach teoretycznych prądem stałym
nazywamy prąd, którego wartość nie zmienia się w czasie.

Prąd, którego wartość zmienia się sinusoidalnie, ze względu na charakter zmian zarówno

wartości jak i znaku nazywamy prądem przemiennym.

Miernictwo elektryczne elektryczne przyrządy pomiarowe służą do pomiaru wielkości

elektrycznych takich jak prąd, napięcie, moc, pojemność, impedancja czy rezystancja, a także
do określania ich zmian w czasie. Głównymi ich elementami składowymi są ustrój
pomiarowy, urządzenie odczytowe oraz obudowa.

Ustroje pomiarowe przetwarzają mierzone wielkości na sygnały i przekazują je do

urządzeń odczytowych. Mogą być one skonstruowane jako przetworniki elektromechaniczne
lub elektroniczne. Ustroje pomiarowe elektromechaniczne wytwarzają moment napędowy
równy wartości wielkości mierzonej, który jest porównywany z momentem zwrotnym
sprężyny spiralnej. Ustroje pomiarowe elektroniczne przetwarzają wartość wielkości
mierzonej na sygnał impulsowy. Z uwagi na fakt, iż wielkość mierzona jest sygnałem
ciągłym, przetwarzanie takiego sygnału polega na pobieraniu próbek wielkości mierzonej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

w określonych odstępach czasu. Wynikiem tego jest otrzymanie na wyjściu zmieniającego się
skokowo napięcia.

Urządzenia odczytowe analogowe prezentują mierzoną wartość za pomocą wskazówki

wychylającej się o odpowiednią liczbę działek podziałki. Urządzenia odczytowe cyfrowe,
działając na zasadzie sumowania sygnałów z układu pomiarowego wskazują wielkości
mierzone jako uporządkowany zbiór cyfr określających bezpośrednio ich wartość liczbową.

Wskazania wartości mierzonych mogą być odczytywane bezpośrednio lub też

rejestrowane za pomocą urządzeń zewnętrznych takich jak rejestrator mechaniczny,
oscylograf czy drukarka.

Obudowa pełni funkcję łączącą ustroju pomiarowego z rejestratorem oraz zabezpiecza

przed działaniem czynników zewnętrznych. Obudowy wykonuje się z materiałów
izolacyjnych. Na obudowę wyprowadzone są zaciski, do których podłącza się obwody
pomiarowe.

Przyrządy pomiarowe produkuje się w różnych konfiguracjach ustrojów pomiarowych

i urządzeń odczytowych. Mamy więc zarówno przyrządy z ustrojem elektronicznym, jak
i elektrotechnicznym o odczycie cyfrowym jak i analogowym.

Oddzielną grupę stanowią przyrządy działające na zasadzie wykorzystania metody

zerowej. Polega ona na tym, iż różnicę pomiędzy znaną wartością wielkości mierzonej
i wielkością mierzoną tej samej wartości sprowadzamy do zera.

Każdy przyrząd pomiarowy posiada określone wielkości charakteryzujące jego pracę.

Zakres pomiarowy określa granice wartości, w jakich można wykonywać pomiary
z określoną dokładnością. Większość przyrządów konstruowana jest jako wielozakresowe
z możliwością nastawiania żądanego zakresu.

Pomimo dużej dokładności wykonywania pomiarów każdy wynik odbiega w pewnym

stopniu od wartości rzeczywistej na skutek niedoskonałości przyrządów pomiarowych.
Różnica ta nosi nazwę błędu bezwzględnego pomiaru i oznaczana jest symbolem

∆

z indeksem mierzonej wielkości.

∆

= X

– X

gdzie:

−

∆

– błąd bezwzględny pomiaru,

−

– wartość mierzona,

−

– wartość rzeczywista,

Błędem względnym pomiaru nazywamy wartość błędu bezwzględnego w odniesieniu do

wartości rzeczywistej.

∆

Często wyrażany jest on w procentach.
W przyrządach analogowych z ustrojem elektromechanicznym błąd pomiaru wyznacza

się na podstawie określonej klasy przyrządu. Jest to maksymalna wartość błędu określona
procentowo. Przyrządy te buduje się w następujących klasach dokładności: 0,05; 0,1; 1,0; 1,5;
2,5 i 5,0. Przy czym 0,05 jest to największa dokładność pomiarowa, a 5,0 najmniejsza.

Kolejną ważną cechą przyrządów pomiarowych jest ich zdolność do reagowania na

zmiany wielkości mierzonej zwana czułością. W przyrządach wskazówkowych jest ona
równa stosunkowi zmiany odchylenia kąta wskazówki do zmiany wielkości mierzonej.

Przyrządy wskazówkowe o stałej czułości mają określoną stałą przyrządu. Jest to

stosunek wartości zakresu pomiarowego do liczby działek na podziałce.

Wśród przyrządów pomiarowych elektromechaniczne można wymienić:

−

przyrządy magnetoelektryczne,

−

przyrządy elektromagnetyczne,

−

przyrządy elektrodynamiczne,

−

przyrządy indukcyjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 1 został przedstawiony przykładowy przyrząd z grupy przyrządów

elektromechanicznych elektromagnetyczny.

Rys. 1.

Przyrząd pomiarowy elektromagnetyczny: a) zasada budowy, b) symbol graficzny [1, s. 161]

Na rysunku oznaczono:
1 – cewka,
2 – rdzeń,
3 – sprężyna zwrotna,
4 – tłumik nadający wskazówce ruch płynny.

Przyrządy elektroniczne odznaczają się większą dokładnością i szybkością

dokonywanych pomiarów niż przyrządy elektromechaniczne. Umożliwiają one wykonywanie
pomiarów w szerokim paśmie częstotliwości, pobierając tym samym małą ilość energii
z obwodu badanego. Dzięki możliwości bezpośredniego odczytu wyniku przez obserwatora,
niweluje to błędy odczytu spotykane w przyrządach wskazówkowych. Przyrządy tego typu
wyposażone są w następujące elementy:

−

wzmacniacze,

−

przetworniki,

−

filtry,

−

zasilacze,

−

generatory sygnałów,

−

układy sterujące,

−

przerzutniki,

−

wyzwalacze,

−

bloki logiczne itp.
Do najczęściej spotykanych pomiarowych przyrządów elektronicznych można zaliczyć:

−

woltomierze cyfrowe,

−

mierniki uniwersalne zwane również multimetrami,

−

częstościomierze elektroniczne,

−

oscyloskopy,

−

oscylografy.
Na rysunku 2 został przedstawiony przykładowy przyrząd z grupy przyrządów

pomiarowych elektronicznych multimetr.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 2.

Płyta czołowa multimetru: a) typu DM-53, b) typu MX-280 [1, s. 166]

Na rysunku oznaczono:
1 – wyświetlacz,
2 – wyłącznik zasilania,
3 – przełącznik wielkości mierzonych i zakresu wartości,
4 – gniazdo wejściowe – 10A, 20A,
5 – gniazdo wejściowe – 200 mA,
6 – gniazdo wejściowe – common,
7 – gniazdo wejściowe – V, A,

Ω

8 – gniazdo wejściowe – V,

Ω

, F,

9 – przełącznik DC/AC,
10 – gniazdo – test diody lub tyrystora,
11 – gniazdo – test kondensatora,
12 – przełącznik U

12E

Obwody elektryczne wykorzystanie energii elektrycznej wymaga stworzenia

odpowiednich warunków do przepływu prądu ze źródła do odbiorników i z powrotem.
Odbiornik wraz ze źródłem musi tworzyć obwód zamknięty, dlatego połączenie powinno być
zrealizowane przynajmniej dwoma przewodami stanowiącymi drogę dla prądu.

Ze względu na rodzaje prądu elektrycznego rozróżniamy dwa rodzaje obwodów

elektrycznych. Są to:

−

obwody prądu stałego,

−

obwody prądu przemiennego.
W obwodach prądu stałego źródłem energii jest ogniwo lub akumulator magazynujący

energię, a także prądnica prądu stałego, która zmienia dostarczoną energię mechaniczną na
elektryczną. Źródła prądu charakteryzują się dwoma zasadniczymi parametrami:

−

siła elektromotoryczna, oznaczana jako E, jest napięciem uzyskanym na zaciskach
w warunkach braku rezystancji wewnętrznej źródła,

−

rezystancja wewnętrzna, oznaczana jako R

, charakteryzuje straty energii powstające

w samym źródle.
W warunkach rzeczywistych przy uwzględnieniu rezystancji napięcie uzyskane na

zaciskach jest mniejsze od siły elektromotorycznej w samym źródle. Można to zapisać przy
pomocy następujących zależności:

U = E – R

Każdy odbiornik energii elektrycznej, silnik, urządzenie grzejne czy źródło światła,

posiada rezystancję. Przewody łączące odbiornik ze źródłem wykonane z materiałów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

przewodzących również posiadają rezystancję powodującą zmianę części przesyłanej energii
elektrycznej w cieplną powodując w ten sposób jej straty.

Wartość płynącego prądu w obwodzie nierozgałęzionym jest w każdym jego punkcie

jednakowa. Wynika to a faktu, iż obwód nie posiada miejsc, w których mógłby gromadzić się
ładunek. Gdyby taki punkt zaistniał, to gromadziłby on ładunek równy iloczynowi prądu
i czasu jego przepływu. Jednocześnie napięcie panujące na zaciskach źródła jest równe sumie
napięć na innych elementach obwodu, gdzie energia elektryczna zamieniana jest na inne
rodzaje energii.

Prawo Ohma dla pojedynczego elementu mówi, że pomiędzy jego punktami skrajnymi

panujące napięcie jest równe iloczynowi przepływającego prądu i jego rezystancji.

Jeśli obwód nierozgałęziony posiada jedno źródło napięcia to między prądem płynącym

w obwodzie, poszczególnymi rezystancjami elementów obwodu oraz siłą elektromotoryczną
źródła zachodzi zależność

W obwodzie nierozgałęzionym, o kilku źródłach wartość prądu wynika z poniższej

zależności:

Stąd też uogólnione prawo Ohma można zapisać w następujący sposób: prąd płynący

w obwodzie elektrycznym nierozgałęzionym jest równy sumie sił elektromotorycznych
podzielonej przez sumę rezystancji łącznie z rezystancjami wewnętrznymi źródeł.

Obwody rozgałęzione – w przypadku, jeśli w obwodzie elektrycznym płynący prąd ma

więcej niż jedną drogę przepływu to nazywamy go rozgałęzionym. Odcinki drogi, na których
prąd nie zmienia swojej wartości to gałęzie obwodu, a punkty połączenia przynajmniej trzech
gałęzi to węzły. Gałęzie tworzące zamkniętą drogę przepływu prądu tak, że po usunięciu
jednej z gałęzi pozostałe nie stanowią drogi zamkniętej, nazywamy oczkiem. W skład
poszczególnych gałęzi mogą wchodzić połączone szeregowo zarówno źródła napięcia jak
i elementy odbiorcze.

I Prawo Kirchhoffa sformułowane dla węzła mówi o tym, że suma prądów wpływających

do węzła jest taka sama jak suma prądów z niego wypływających, czyli algebraiczna suma
prądów gałęzi zbiegających się w punkcie węzłowym obwodu rozgałęzionego jest równa
zeru.

I = 0

II Prawo Kirchhoffa sformułowane dla napięć panujących w oczku obwodu

elektrycznego mówi, że algebraiczna suma sił elektromotorycznych jest równa sumie
algebraicznej iloczynów rezystancji i prądów gałęzi należących do tego oczka.

E =

Biorąc pod uwagę przeciwne zwroty sił elektromotorycznych i napięć na elementach

gałęzi możemy powiedzieć, że algebraiczna suma sił elektromotorycznych oraz spadków
napięcia w gałęziach oczka jest równa zeru.

(E,

∆

U) = 0

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obwody prądu przemiennego w przypadku, gdy przewód będzie poruszany przez siłę

zewnętrzną po drodze tworzącej okrąg, to wartość indukowanej w przewodzie siły
elektromotorycznej będzie się zmieniać. Przy stałej prędkości liniowej v przewodu, składowa
prędkości v

, która jest prostopadła do linii sił pola magnetycznego, zmienia swą wartość

w zależności od chwilowego położenia przewodu tzn. od kąta

pomiędzy wektorem

prędkości v a liniami sił pola.

= v sin

Wynika z tego. że zmiana prędkości v

powoduje zmianę wartości indukowanej

w przewodzie siły elektromotorycznej. Jeśli przewód przemieszcza się po drodze tworzącej
okrąg następuje zmiana wartości siły elektromotorycznej i jej znaku. Powstawanie zmiennej
siły elektromotorycznej przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3.

Powstawanie zmiennej siły elektromotorycznej - rysunek a; wykres indukowanej siły
elektromotorycznej w zależności od kąta

- rysunek b. [1, s. 82]

Wartość siły elektromotorycznej i prądu w dowolnym czasie, przy dowolnym kącie

wektora prędkości

nazywamy wartością chwilową. Pojedynczy przedział czasu, w którym

występuje pełny przebieg wielkości okresowej nazywamy okresem T, a jego odwrotność
częstotliwością f. Jednostką okresu jest jednostka czasu (sekunda), a częstotliwości herc [Hz].

f = 1/T [Hz] = [1/s]

Częstotliwość wyznacza liczbę cykli przebiegu wielkości okresowej w jednostce czasu.

Największą wartość siły elektromotorycznej występującej w przewodzie poruszającym się
w polu magnetycznym nazywamy amplitudą.

Wartość skuteczna prądu przemiennego jest to wartość, jaką posiada zastępczy prąd stały

powodujący w okresie T wydzielenie na rezystancji R takiej samej ilości ciepła, jak przy
przepływie prądu przemiennego. Wartość skuteczna prądu przemiennego jest równoznaczna
z wartością prądu stałego.

Tak jak w obwodach prądu stałego, tak i w obwodach prądu przemiennego posiadających

więcej niż jeden element odbiorczy lub gałąź, zachodzi potrzeba sumowania napięć na
elementach i prądów w węzłach obwodów. Dlatego dostosowano prawa Kirchhoffa dla
obwodów prądu przemiennego posługując się wartościami chwilowymi napięcia i prądu.

Na tej podstawie algebraiczna suma wartości chwilowych prądów w węźle obwodu jest

w każdym momencie równa zeru. Można to zapisać w postaci następującej zależności:

i = 0

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wynika z niej również, iż suma algebraiczna wartości chwilowych napięć na elementach

oczka obwodu jest równa zeru. Można to zapisać w postaci zależności:

u = 0

Prąd trójfazowy otrzymamy, podczas gdy w układzie dwóch biegunów jednorodnego

pola magnetycznego umieścimy trzy przewody przemieszczające się po drodze tworzącej
okrąg wokół jednej osi. Jeżeli do każdego przewodu podłączymy oddzielny obwód
elektryczny otrzymamy układ trzech źródeł napięcia i trzech obwodów odbiorczych. Układ
taki nazywamy układem trójfazowym.

Instalacją elektryczną nazywamy układ współpracujących ze sobą urządzeń

elektrycznych, które służą do doprowadzenia energii elektrycznej z sieci zasilającej do
odbiorników. Pracują one przy napięciu takim jak w sieci rozdzielczej, lub też w niższym za
pośrednictwem transformatorów.

Energia elektryczna przekazywana jest za pośrednictwem przewodów elektrycznych

izolowanych zbudowanych z żył rozdzielających je miedzy sobą oraz otoczeniem. Tory
przekazujące energię elektryczną tworzą sieć rozgałęzioną składającą się z obwodów
zasilających i odbiorczych. Sterowanie przepływem prądu w obwodach realizowane jest za
pomocą urządzeń załączających, wyłączających oraz przełączających działających
samoczynnie lub sterowanych przez człowieka. Urządzenia te to łączniki elektryczne.
W punktach gdzie jeden obwód rozdziela się na kilka stosuje się rozdzielnice. Na rysunku 4
przedstawiono elementy należące do obwodów rozdzielczych i odbiorczych instalacji
niskiego napięcia.

Rys. 4.

Elementy obwodów rozdzielczych i odbiorczych instalacji niskiego napięcia [1, s. 262]

Wszystkie elementy obwodów instalacji elektrycznej należy dobierać pod względem

wytrzymałości izolacji na panujące napięcie. Każdy element obwodu musi mieć odpowiednio

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

dobrane parametry oraz konstrukcję i obudowę zapewniającą ochronę urządzenia. Ze względu
na moc zasilanych odbiorników instalacje dzieli się na dwa rodzaje:

−

oświetleniowe z odbiornikami małej mocy,

−

siłowe.
Pod względem zagrożenia instalacje dzielimy na dwa rodzaje:

−

nieprzemysłowe, stosowane w budynkach mieszkalnych,

−

przemysłowe, gdzie zagrożenie dla instalacji stanowią warunki środowiskowe. Mają one
odmienną budowę i parametry.
Ze względu na funkcje pełnione przez elementy instalacji, występują w nich następujące

elementy:

−

złącza stanowiące element łączący sieć rozdzielczą z instalacją odbiorczą najczęściej za
pośrednictwem rozdzielnicy umieszczonej w skrzynce złączowej,

−

rozdzielnica główna zawiera wyłącznik główny oraz zabezpieczenia poszczególnych linii
wewnętrznych,

−

wewnętrzna linia zasilająca prowadzona jako instalacja przedlicznikowa, prowadzona jest
w łatwo dostępnych miejscach i łączy instalację odbiorczą z rozdzielnicą,

−

instalacja odbiorcza, którą stanowi instalacja znajdująca się za układem pomiarowym.
Przy braku takiego układu za początek instalacji odbiorczej uważa się zaciski wyjściowe
pierwszego urządzenia zabezpieczającego. W instalacjach odbiorczych wydziela się
obwody oświetleniowe oraz gniazd wtykowych.
Mieszkaniowa instalacja elektryczna zasilana poprzez rozdzielczą tablicę mieszkaniową

rozdziela obwód zasilający mieszkanie na poszczególne obwody odbiorcze. Posiada ona
zaciski przyłączeniowe przewodów oraz wyłączniki nadmiarowe i przeciwporażeniowe. Na
rysunku 5 przedstawiono plan elektrycznej instalacji odbiorczej w mieszkaniu.

Rys. 5.

Plan elektrycznej instalacji odbiorczej w mieszkaniu [1, s. 265]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
1 – tablica rozdzielcza mieszkaniowa,
2 – kanał piętrowy z wewnętrzną linią zasilającą i licznikami energii elektrycznej.

Łączniki elektryczne stosowane są do załączania i wyłączania obwodów elektrycznych.

Pod względem budowy mogą być stosowane do częstego załączania i wyłączania, lub też
jedynie do łączenia obwodów z małą częstotliwością. Łączniki służą zarówno do łączenia
obwodów z prądami roboczymi (manewrowe) jak i zwarciowymi (wyłączniki). Jak większość
urządzeń

elektrycznych

łączniki posiadają elementy przewodzące i izolacyjne.

Podstawowymi modułami łącznika są:

−

człon łączeniowy zwierane i rozwierane zestyki,

−

człon napędowy mechanicznie lub elektrycznie sterujący członem łączeniowym,

−

człon gaszeniowy gaszący powstający na zestykach łuk elektryczny.
Dodatkowo, mogą one posiadać urządzenia sygnalizujące położenie zestyków oraz

zabezpieczające przeciążeniowe i zwarciowe.

Łączniki wtyczkowe służą do łączenia obwodów ułożonych na stałe z elementami

obwodów odbiorników ruchomych. Stosuje się je do obwodów obciążonych prądami małej
wartości. Styki ruchome znajdujące się we wtyczce nie są na stałe połączone z konstrukcją
posiadającą styki nieruchome – gniazdem. Łączniki wtyczkowe mają głównie zastosowanie
w instalacjach nieprzemysłowych jednofazowych gdzie gniazda umieszczane są w puszkach
podtynkowych. Osprzęt instalacji podtynkowej został przedstawiony na rysunku 6.

Rys. 6.

Osprzęt instalacji podtynkowej: a) puszka instalacyjna poliwinylowa, b) gniazdo
wtyczkowe [1, s. 269]

Styki nieruchome wykonane są jako sprężynowe tulejki osadzone w korpusie gniazda.

Wtyczki posiadają styki wykonane jako nieosłonięte bolce. Niektóre gniazda posiadają
dodatkowo styki ochronne służące ochronie przeciwporażeniowej.

Łączniki wtyczkowe przemysłowe, ze względu na trudniejsze warunki środowiskowe,

mają bardziej złożoną budowę. Zazwyczaj są one łącznikami trójfazowymi, co powoduje
potrzebę zastosowania większej ilości zestyków. Najczęściej posiadają one trzy styki fazowe,
jeden neutralny i jeden ochronny. Na rysunku 7 przedstawiono gniazdo wtyczkowe
przemysłowe.

Rys. 7.

Gniazdo wtyczkowe przemysłowe: a) żeliwne okrągłe, b) żeliwne podłużne [1, s. 270]

Łączniki instalacyjne stosowane do łączenia instalacji nieprzemysłowych o niewielkich

prądach. Mają zastosowanie w instalacjach oświetleniowych, a montowane są w puszkach

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

podtynkowych. Uruchamiane są ręcznie za pośrednictwem klawisza powodującego szybkie
zamykanie i otwieranie obwodu unikając powstawania łuku i iskrzenia. Na rysunku
8 przedstawiono łącznik klawiszowy podtynkowy.

Rys. 8.

Łącznik klawiszowy podtynkowy [1, s. 270]

Łączniki warstwowe stosowane w instalacjach przemysłowych zasilających głównie

silniki o małej częstotliwości rozruchu. Rozróżniamy następujące rodzaje łączników
warstwowych:

−

łączniki warstwowe szczękowe zbudowane są w postaci komór z materiału izolacyjnego,
w których znajdują się styki ruchome i nieruchome. Styki ruchome w postaci szczęk
osadzone są na jednej osi połączonej z pokrętłem. Każda komora posiada dwa styki,
których zaciski znajdują się na zewnątrz. Umieszczenie nieruchomych styków różnych
warstw w różnych miejscach w komorach, umożliwia dzięki odpowiednim połączeniom
elektrycznym, uruchamianie różnych programów łączeniowych. Na rysunku 9
przedstawiono widok oraz przekrój przełącznika tego typu.

Rys. 9. Łącznik warstwowy szczękowy: a) przekrój, b) widok [1, s. 271]

Na rysunku oznaczono:
1 – pokrętło napędu ręcznego,
2 – osłona,
3 – oś napędu,
4 – sprężyna urządzenia napędowego,
5 – sworzeń mocujący komory,
6 – izolacyjna obudowa komór,
7 – styk ruchomy,
8 – styk nieruchomy,

−

łączniki warstwowe krzywkowe różnią się od łączników szczękowych sposobem
osadzenia styków oraz napędem styku ruchomego. Styki ruchome poruszane są za

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

pomocą krzywek, z których każda może mieć inny kształt. Na rysunku 10 został
przedstawiony przykładowy przełącznik warstwowy krzywkowy.

Rys. 10. Łącznik warstwowy krzywkowy: a) przekrój, b) w obudowie metalowej, c) bez obudowy [1, s. 272]

Na rysunku oznaczono:
1 – styk nieruchomy,
2 – styk ruchomy,
3 – zacisk przyłączeniowy,
4 – sprężyna dociskowa styku ruchomego,
5 – izolacyjna krzywka napędzająca styki ruchome,
6 – wałek napędowy,
7 – komora gaszeniowa.

Łączniki drążkowe służą do załączania i wyłączania obwodów przemysłowych z dużymi

prądami roboczymi. Łączenie realizowane jest za pomocą dźwigni poruszających zestyki
nożowe lub dociskowe. Styki ruchome wykonane z płaskowników łączone są ze stykami
nieruchomymi wykonanymi w postaci szczęk. W łącznikach dociskowych element ruchomy
i nieruchomy stykają się czołowo. Przyleganie elementów łącznika zapewniają sprężyny. Na
rysunku 11 został przedstawiony łącznik drążkowy nożowy.

Rys. 11. Łącznik drążkowy nożowy: a) bez komory gaszeniowej, b) z komorą gaszeniową [1, s. 273]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
1 – styk ruchomy nożowy,
2 – styk nieruchomy szczękowy,
3 – zacisk przyłączeniowy,
4 – rączka napędu ręcznego,
5 – uchwyt do mocowania łącznika do ścianki rozdzielnicy,
6 – komora gaszeniowa.

Styczniki stosowane są w obwodach o dużej częstotliwości łączeń. Posiadają one napęd

elektromagnetyczny zasilany napięciem elektrycznym z wzajemnie działającego układu
odbiorników. Sterowanie łącznikiem odbywa się za pomocą załączania i wyłączania obwodu
pomocniczego zasilającego elektromagnes. Na rysunku 12 pokazano zasadę działania, widok
stycznika, schemat elektryczny oraz zasadę działania stycznika termobimetalowego.

Rys. 12. Styczniki: a) zasada działania, b) widok stycznika bez obudowy, c) schemat elektryczny

sterowania załączaniem silnika za pomocą stycznika, d) zasada działania przekaźnika
termobimetalowego [1, s. 273]

Na rysunku oznaczono:
1 – zestyk główny,
2 – napęd elektromagnetyczny,
3 – sprężyna,
4 – zacisk przyłączeniowy przewodu,
5 – zacisk cewki elektromagnesu napędowego,
6 – zestyk pomocniczy,
7 – zacisk przyłączeniowy zestyku pomocniczego,
8 – element termobimetalowy,
9 – zestyk przekaźnika termobimetalowego,
10 – przycisk załączający,
11 – przycisk wyłączający.

Przekaźnik termobimetalowy stosowany jest jako zabezpieczenie przeciążeniowe

obwodu. Głównym elementem budowy jest pasek dwóch blach o różnych współczynnikach
rozszerzalności liniowej. Prądy robocze przepływające przez bimetal powodują wydzielanie
ciepła i nagrzewanie elementu, co skutkuje jego wygięciem w kierunku paska metalowego
o mniejszym współczynniku rozszerzalności. Przy prądach przeciążeniowych wygięcie paska
metalowego powoduje otwarcie zestyku przekaźnika.

Wyłączniki mają za zadanie załączanie, przewodzenie i wyłączanie prądów roboczych

i zakłóceniowych. Wyłączniki instalacyjne mocowane są na szynach montażowych lub
wkręcane w podstawy bezpiecznikowe. Wyłączanie obwodów przez wyłącznik w przypadku
wystąpienia zwarć lub przeciążeń następuje samoczynnie. Wyłącznik posiada zamek

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

utrzymujący styki w stanie zamkniętym. Otwarcie styków następuje po zadziałaniu
wyzwalacza

przeciążeniowego

termobimetalowego

lub

wyzwalacza

zwarciowego

elektromagnesu. Na rysunku 13 został przedstawiony wyłącznik instalacyjny serii S190.

Rys. 13.

Wyłącznik instalacyjny serii S190: a) jednobiegunowy, b) czterobiegunowy, c) sposób
mocowania wyłącznika na szynie montażowej, d) schemat elektryczny [1, s. 275]

Na rysunku oznaczono:
1 – dźwignia napędu ręcznego,
2 – otwór do wprowadzenia przewodu,
3 – śruba zaciskowa,
4 – przycisk szybkiego montażu wyłącznika na szynie,
5 – zaczep szybkiego montażu,
6 – szyna montażowa,
7 – zamek,
8 – zestyki główne,
9 – wyzwalacz termobimetalowy,
10 – wyzwalacz elektromagnetyczny.
Na rysunku 14 przedstawiono tradycyjny wyłącznik instalacyjny wkręcany.

Rys. 14. Wyłącznik instalacyjny wkręcany: a) widok, b) zasada działania [1, s. 275]

Na rysunku oznaczono:
1 – przycisk załączający,
2 – przycisk wyłączający,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3 – zestyk główny,
4 – wyzwalacz termobimetalowy,
5 – wyzwalacz elektromagnetyczny,
6 – zapadka,
7 – kotwiczka.

Wyłączniki przemysłowe działają na prądy o większych wartościach. Posiadają one

komory gaszeniowe powodujące gaszenie łuku powstającego podczas przerywania obwodu.
Niektóre wyłączniki wyposaża się dodatkowo w wyzwalacze napięciowe uruchamiające się
przy zbyt dużym spadku napięcia. Ze względu na duże rozmiary wyłączniki przemysłowe
posiadają napęd elektromagnetyczny lub silnikowy. Na rysunku 15 przedstawiono
przemysłowy wyłącznik silnikowy serii M250.

Rys. 15. Wyłącznik silnikowy serii M250 [1, s. 276]

Na rysunku oznaczono:
1 – dźwignia napędu ręcznego,
2 – otwory do przewodów przyłączeniowych,
3 – śruba zaciskowa.

Bezpieczniki są łącznikami, które samoczynnie wyłączają prądy zwarciowe

i przeciążeniowe. Elementem przerywającym obwód jest w tym przypadku drut metalowy,
który pod wpływem przepływającego prądu przepala się. Najczęściej stosowane są dwa
rodzaje bezpieczników. Są to:

−

bezpieczniki instalacyjne,

−

bezpieczniki przemysłowe.
Bezpieczniki

instalacyjne

posiadają

niewielką

zdolność

wyłączania

prądów

zwarciowych. Stosuje się je wówczas, gdy prądy robocze i spodziewane prądy zwarciowe są
niewielkie. Elementami bezpiecznika są: podstawa bezpiecznika służąca do jego mocowania
oraz przyłączania przewodów, wkładka topikowa zawierająca element topikowy oraz piasek
kwarcowy, główka bezpiecznika mocująca go w podstawie i wstawka dolna. Na rysunku 16
pokazano budowę oraz wygląd bezpiecznika instalacyjnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 16. Bezpiecznik instalacyjny: a) przekrój, b) widok [1, s. 277]

Na rysunku oznaczono:
1 – wkładka topikowa,
2 – topik,
3 – gniazdo bezpiecznikowe,
4 – główka,
5 – wziernik główki,
6 – wstawka dolna,
7 – zacisk przewodu obwodu elektrycznego.

W instalacjach odbiorczych budownictwa ogólnego stosowane są najczęściej

bezpieczniki o napięciu znamionowym 250V i prądach znamionowych: 6, 10, 16, 20 i 25A.

Bezpieczniki przemysłowe różnica pomiędzy bezpiecznikami tego typu a bezpiecznikami

instalacyjnymi wyrażona jest parametrami elektrycznymi oraz budową. Napięcie znamionowe
bezpieczników przemysłowych wynosi min. 400V, a prądy znamionowe sięgają wartości
1250A. Wyłączają one prądy zwarciowe rzędu kilkudziesięciu do kilkuset kiloamperów.
Zbudowane są z podstawy ze stykami szczękowymi oraz wkładek bezpiecznikowych. Na
rysunku 17 pokazano schemat bezpiecznika przemysłowego.

Rys. 17. Bezpiecznik przemysłowy [1, s. 278]

Na rysunku oznaczono:
1 – podstawa bezpiecznikowa,
2 – wkładka,
3 – zacisk przewodów,
4 – uchwyt izolacyjny do wyjmowania wkładki z podstawy i umieszczanie jej w podstawie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Światło jest wiązką fal elektromagnetycznych o długości od 380 do 760nm. Ma ono

zdolność podrażniania siatkówki ludzkiego oka, dzięki czemu człowiek widzi obrazy
przedmiotów, od których fale zostały odbite. Źródłem światła jest każde ciało wysyłające fale
elektromagnetyczne z zakresu widzialnego. Elektryczne źródła światła przetwarzają energię
elektryczną na energię promienistą, w tym także na światło widzialne. Źródła światła
charakteryzują się następującymi wielkościami:

−

strumieniem świetlnym,

−

światłością,

−

luminacją,

−

barwą światła,

−

napięciem elektrycznym,

−

mocą elektryczną,

−

skutecznością świetlną

−

trwałością.
Strumień świetlny

określa ilość energii promienistej emitowanej przez źródło.

Określany jest on jako moc promieniowania widzialnego ocenianą subiektywnie okiem
ludzkim. Jednostką strumienia jest lumen [lm].

Światłość I jest to gęstość przestrzenna promieniowania w określonym kierunku.

Jednostką światłości jest kandela [cd].

Luminacja L – jaskrawość w danym punkcie powierzchni świecącej określana jako iloraz

światłości i powierzchni źródła prostopadłej do rozpatrywanego kierunku. Jednostką
luminacji jest kandela na m

Długość fali promieniowania przeważnie określana jest wielkością temperatury

barwowej.

Napięcie oraz moc są podstawowymi parametrami elektrycznymi odbiornika

elektrycznego, jakim jest źródło światła.

Skuteczność świetlna jest ilorazem strumienia świetlnego wysyłanego przez źródło

światła i zużytej mocy elektrycznej.

Trwałość źródła to czas, w jakim ono pracuje ze stałym, co do wartości strumieniem.
Natężenie oświetlenia charakteryzuje oświetlenie powierzchni, na którą pada strumień

świetlny. Jednostką natężenia oświetlenia jest lux [lx].

Biorąc pod uwagę budowę i zasadę działania, elektryczne źródła światła dzielimy na:

−

lampy żarowe żarówki, są one najstarszymi wciąż stosowanymi elektrycznymi źródłami
światła. Głównym elementem emitującym światło jest żarnik wykonany z drutu
wolframowego. Jego duża rezystywność powoduje podczas przepływu prądu
elektrycznego nagrzewanie się do temperatury rzędu 2100–2700

C, co w efekcie

wywołuje wysyłanie fal elektromagnetycznych, w tym również fal widzialnych. Cienkie
druty doprowadzające prąd do żarnika z elementów umieszczonych na trzonku żarówki
znajdują się razem z żarnikiem w zamkniętej szklanej bańce. Budowę żarówki
przedstawiono na rysunku 18.

Rys. 18. Budowa żarówki [1, s. 251]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
1 – żarnik,
2 – bańka szklana,
3 – trzonek,
4 – przewody doprowadzające prąd do żarnika,
5 – słupek,
6 – nóżka,
7 – rurka pompowa.

Trzonek służy do połączenia metalowych części żarówki z elementami przewodzącymi

oprawy, a także do jej osadzenia w oprawie. Są one wykonywane jako gwintowane lub
bagnetowe. Aby zapobiec utlenianiu się wolframu jest on umieszczony w bańce szklanej
pozbawionej powietrza. Żarówki małej mocy wykonywane są jako próżniowe, natomiast
żarówki o większej mocy wypełniane są gazami neutralnymi takimi jak azot, argon, krypton
lub ksenon. Bańki żarówek wykonane są ze szkła przeźroczystego lub nieprzeźroczystego.
Szkło nieprzeźroczyste zapewnia bardziej równomierne rozproszenie światła ograniczając
jednocześnie strumień świetlny. Na rysunku 19 przedstawiono gwintowany i bagnetowy
trzonek żarówki.

Rys. 19. Trzonki żarówek: a) gwintowany, b) bagnetowy [1, s. 251]

Na rysunku oznaczono:
1) metalowe styki łączące żarówkę z siecią zasilającą,
2) izolacja.

Po dodaniu do gazu znajdującego się w bańce żarówki i stworzeniu cyklu

regeneracyjnego polegającego na ponownym osiadaniu odparowanych cząstek wolframu na
żarniku otrzymano żarówki halogenowe. Cykl regeneracyjny w żarówce sprzyja
podwyższeniu temperatury żarnika. Mają one małe wymiary, strumień świetlny o dużej
wartości i stałym czasie oraz dużą trwałość i skuteczność świetlną. Budowane są w postaci
rurek, a styki w kształcie prętów lub płaskowników wciskane są do oprawki.

−

lampy fluorescencyjne – świetlówki, wykonuje się jako szklane rury zakończone po obu
stronach metalowymi denkami z osadzonymi stykami przyłączeniowymi po stronie
zewnętrznej, a elektrodami po stronie wewnętrznej. Rura świetlówki wypełniona jest
wewnątrz parami rtęci o niskim ciśnieniu, a jej ściany pokryte są substancją zwaną
luminoforem. Na rysunku 20 przedstawiono budowę oraz układ elektrycznych połączeń
w świetlówce.

Rys. 20. Świetlówka: a) budowa, b) układ elektryczny połączeń [1, s. 253]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
1 – elektroda,
2 – styk przyłączowy,
3 – przewody łączące styk przyłączowy z elektrodą,
4 – rura szklana pokryta od wewnątrz luminoforem,
5 – świetlówka,
6 – zapłonnik,
7 – dławik,
8 – kondensator do poprawy współczynnika mocy,
9 – kondensator przeciwzakłóceniowy.

Doprowadzone do elektrod napięcie powoduje wyładowania elektryczne w parach rtęci.

Wyładowania te powodują emisję promieniowania nadfioletowego, które oddziałując na
luminofor powodują wysyłanie fal widzialnych. Świetlówki zasilane są z sieci prądu
przemiennego, wymagają jednak urządzenia zwanego zapłonnikiem wspomagającego proces
ich zapłonu. W celu poprawy współczynnika mocy w obwodzie świetlówki instaluje się
stabilizatory prądu i kondensatory. Zapłon świetlówki realizowany jest za pomocą zapłonnika
i dławika. W chwili przyłączenia świetlówki do obwodu zasilającego na elektrodach
zapłonnika zaczynają się wyładowania elektryczne. Elektrody zapłonnika nagrzewają się
i w efekcie dochodzi do ich zetknięcia. Następuje chwilowy wzrost napięcia pozwalający na
rozpoczęcie wyładowań w rurze świetlówki. Zastosowanie w układzie zapłonu dławika
zwanego statecznikiem ogranicza prąd podczas pracy świetlówki.

Lampy typu kompakt buduje się w różnych kształtach i barwach światła. Tradycyjny

zapłonnik i statecznik zostały w nich zastąpione układem elektronicznym. Układ
elektroniczny wmontowany jest w trzonek świetlówki i stanowi z nią jedną całość. Trzonek
posiada gwint pozwalający na montaż świetlówki w oprawach przeznaczonych dla żarówek.
Świetlówka typu kompakt została przedstawiona na rysunku 21.

Rys. 21. Świetlówka typu kompakt [1, s. 254]

−

lampy wyładowcze zalicza się do nich lampy rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe.
Lampy rtęciowe wysokoprężne emitują światło na skutek wyładowań w parach rtęci
znajdujących się w rurze szklanej pod zwiększonym ciśnieniem. Wysokie ciśnienie
pozwala na powstawanie w gazie podczas wyładowań fal elektromagnetycznych
w zakresie widzialnym. Wyładowania elektryczne następują w jarzniku wykonanym ze
szkła kwarcowego, wypełnionym argonem i małą ilością płynnej rtęci. Po podłączeniu do
sieci następuje wyładowanie elektryczne między elektrodą główną i zapłonową.
W wyniku wzrostu temperatury rtęć zaczyna parować. Po wypełnieniu jarznika parami
rtęci, wyładowania następują między elektrodami głównymi. Lampy rtęciowe
wyposażone są w stateczniki i kondensatory. Budowa lampy rtęciowej została
przedstawiona na rysunku 22.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 22. Budowa lampy rtęciowej. ]Na rysunku oznaczono:1 – trzonek,2 – bańka szklana

zewnętrzna,3 – elektrody główne,4 – elektroda zapłonowa,5 – jarznik [1, s. 254

Podobna zasada działania charakteryzuje lampy sodowe i neonowe. Lampy sodowe

wypełnione są parami sodu. Buduje się je jako nisko- i wysokoprężne.

Lampy neonowe wykonuje się w postaci rur wypełnionych neonem. Mają zastosowanie

głównie jako lampy do wykonywania reklam. Zaliczają się do nich również lampy
wypełnione argonem, helem lub ich mieszaninami z rtęcią.

Lampy ksenonowe pracują na zasadzie wyładowań w rurze ze szkła kwarcowego

zachodzących pomiędzy elektrodami z wolframu.

Oprawy oświetleniowe służą do zamocowania źródeł światła i doprowadzenia do nich

napięcia elektrycznego z sieci zasilającej. Elementami składowymi opraw oświetleniowych
są: oprawki służące do mocowania źródeł światła i połączenia ich z instalacją zasilającą;
odbłyśniki ukierunkowujące strumień świetlny; klosze stanowiące osłonę źródła światła;
siatki chroniące klosze od uszkodzeń; kadłuby opraw służące do zamocowania oprawek
i innych elementów oprawy. Oprawy świetlówek zawierają dodatkowe elementy elektryczne
lub elektroniczne potrzebne do zapoczątkowania procesu wyładowania w świetlówce. Na
rysunkach 23 i 24 przedstawiono budowę oprawki żarówki i oprawy oświetleniowej.

Rys. 23. Oprawka żarówek [1, s. 257]

Rys. 24. Budowa oprawy oświetleniowej [1, s. 257]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 23, oznaczono:
1 – przewód zasilający,
2 – styk środkowy,
3 – styk boczny,
4 – trzonek żarówki,
5 – bańka szklana żarówki.
Na rysunku 24, oznaczono:
1 – korpus główny,
2 – oprawka,
3 – odbłyśnik,
4 – źródło światła,
5 – klosz,
6 – siatka ochronna.

Każda oprawa zawiera kadłub i oprawkę dostosowaną do typu i budowy instalowanego

źródła światła. Pozostałe elementy zależą od warunków środowiskowych, estetycznych
i przeznaczenia oświetlenia.

Oprawy oświetleniowe można podzielić na:

−

oprawy zewnętrzne,

−

oprawy przemysłowe,

−

oprawy wnętrzowe ogólnego i specjalnego przeznaczenia.
Oprawy oświetleniowe zewnętrzne służą do oświetlania ulic, placów, terenów. Kierują

strumień światła w jednym kierunku i chronią źródło światła przed warunkami
atmosferycznymi.

Oprawy oświetleniowe przemysłowe służą do oświetlania pomieszczeń przemysłowych

oraz stanowisk pracy. Posiadają odbłyśniki, klosze, a czasem siatki chroniące. Często
wymaga się, aby były szczelne i odporne na wilgoć. Oprawy przemysłowe można podzielić
na zwykłe, odporne na pył i wodę oraz przeciwwybuchowe.

Oprawy oświetleniowe wnętrzowe ogólnego przeznaczenia mają zastosowanie

w pomieszczeniach mieszkalnych, biurowych, budynkach publicznych. Oświetlenie powinno
mieć zróżnicowaną barwę i natężenie, a oprawy powinny odznaczać się dużą estetyką.
Oprawy oświetleniowe o specjalnym przeznaczeniu to oprawy dla specjalnych źródeł światła
lub montowane w specjalnym otoczeniu, w nietypowych miejscach o dużym zagrożeniu
środowiskowym.

Ze względu na równomierność oświetlenia w czasie zaleca się rozdzielenie sieci

zasilającej źródła światła od sieci zasilającej odbiorniki powodujące wahania napięcia.
Rozkład luminacji w polu widzenia powinien zapewniać warunki dobrego rozróżnienia
obserwowanych przedmiotów od tła jednocześnie nie powodując efektu olśnienia.
W zależności od wymaganego natężenia oświetlenia powinno się stosować oświetlenie
złożone z oświetlenia ogólnego równomiernie oświetlającego całe pomieszczenie oraz
oświetlenia miejscowego.

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie są środki ochrony podstawowej?
2. Co to jest prąd elektryczny?
3. Jak brzmi prawo Ohma?
4. Co to jest rezystancja?
5. Jakie są rodzaje prądu?
6. Jakie są główne elementy przyrządów pomiarowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7. Jakie są rodzaje przyrządów elektromechanicznych?
8. Jakie elementy wchodzą w skład przyrządów elektronicznych?
9. Jakie elementy zaliczamy do urządzeń elektronicznych?
10. Jakie są rodzaje obwodów elektrycznych?
11. Jakimi parametrami charakteryzują się źródła prądu?
12. Co to są obwody rozgałęzione?
13. Jak brzmią prawa Kirchoffa?
14. Co to są obwody prądu przemiennego?
15. Co to jest instalacja elektryczna?
16. Jakie są rodzaje instalacji elektrycznych?
17. Jakie są podstawowe moduły łącznika elektrycznego?
18. Jakie są rodzaje łączników?
19. Jakie są rodzaje bezpieczników?
20. Jakie są elektryczne źródła światła?
21. Jaka jest budowa jarzeniówki?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przedstaw w postaci tabeli rodzaje wyłączników. Określ ich właściwości, cechy

charakterystyczne, budowę, oraz przedstaw przykłady ich zastosowania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

charakterystyczne oraz budowę,

5) podać przykłady zastosowania każdego z nich,
6) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
7) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj budowę poszczególnych źródeł światła. Określ ich cechy wspólne oraz wady

i zalety stosowania każdego z nich. Określ parametry techniczne je charakteryzujące.

Sposób wykonania ćwiczenia:

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5) określić ich cechy wspólne, wady i zalety stosowania każdego z nich,
6) określić parametry techniczne je charakteryzujące,
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj klasyfikację przyrządów pomiarowych. Określ zasadę działania,

właściwości i zastosowanie każdego z rodzajów przyrządów pomiarowych. Opisz po dwa
przykłady każdego rodzaju przyrządów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) określić klasyfikację przyrządów pomiarowych,
5) określić zasadę działania, właściwości oraz zastosowanie każdej grupy przyrządów

pomiarowych,

6) opisać po dwa przykłady przyrządów pomiarowych, dla każdej grupy,
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 4

Określ na podstawie schematu, elementy obwodu elektrycznego prądu stałego

i przemiennego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) określić na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu stałego,
5) określić na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu przemiennego,
6) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
7) zaprezentować pracę na forum grupy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

przykładowe schematy obwodów prądu stałego,

−

przykładowe schematy obwodów prądu przemiennego.

Ćwiczenie 5

Określ średnicę przewodu w zależności od wielkości pobieranej mocy: 600W, 1500W,

5000W.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) wyszukać w literaturze dopuszczalne obciążenie prądowe poszczególnych rodzajów

przewodów,

5) określić średnicę przewodu dla podanych wielkości pobieranej mocy,
6) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
7) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek.

Ćwiczenie 6

Korzystając z różnych źródeł informacji (literatura, internet) przedstaw właściwości oraz

zadania, jakie pełni: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie. Wykonaj
pomiar rezystancji izolacji oraz uziemienia korzystając z omomierza.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

uziemiający i zerowanie,

5) wykonać pomiar rezystancji izolacji oraz uziemienia posługując się omomierzem,
6) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
7) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

omomierz,

−

literatura,

−

stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić środki ochrony podstawowej?



zdefiniować podstawowe pojęcia charakteryzujące prąd elektryczny?



określić rodzaje prądu?



określić elementy przyrządów pomiarowych?



określić rodzaje przyrządów elektromechanicznych?



określić elementy zaliczane do urządzeń elektronicznych?



rozróżnić rodzaje obwodów elektrycznych?



określić parametry charakteryzujące źródła prądu?



określić obwody prądu przemiennego?



10) określić rodzaje instalacji elektrycznych?



11) rozróżnić źródła światła?



12) określić moduły łącznika elektrycznego?



13) rozróżnić rodzaje łączników?



14) określić budowę jarzeniówki?



15) rozróżnić rodzaje bezpieczników?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Podstawy elektroniki. Maszyny elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

Elektronika stanowi element naszego codziennego życia, dzięki takim urządzeniom jak

telewizory, radioodbiorniki, odtwarzacze, zegarki. W przemyśle układy elektroniczne są
przede wszystkim stosowane w urządzeniach:

−

wykorzystywanych

pomiarów

różnych

wielkości

fizycznych-elektrycznych

i nieelektrycznych,

−

stosowanych do samoczynnego sterowania i regulacji procesów i urządzeń
przemysłowych,

−

wykorzystywanych do badania materiałów, w sposób nie powodujący ich zniszczenia,

−

pomocniczych wykorzystywanych w niektórych procesach technologicznych.
W większości przypadków do budowy układów elektronicznych wykorzystuje się

półprzewodniki, jednak w niekiedy wciąż wykorzystywane są lampy elektronowe.

Półprzewodniki są materiałami charakteryzującymi się zdolnościami przewodzenia

wykorzystując przy tym przemieszczanie elektronów swobodnych pod wpływem pola
elektrycznego. Do podstawowych materiałów półprzewodnikowych wykorzystywanych
w elektronice są:

−

german,

−

krzem.
W stanie czystym materiały te wykazują stosunkowo niewielką przewodność elektryczną.

W celu

jej

zwiększenia

wprowadzane

są

domieszki

innych

pierwiastków.

W półprzewodnikach, które zawierają domieszkę dającą elektrony swobodne przenoszące
ładunki ujemne nazwano półprzewodnikami typu N. W przypadku dodania jako domieszki
pierwiastka trójwartościowego są tworzone półprzewodniki typu P przenoszące ładunki
dodatnie. Do elementów półprzewodnikowych można zaliczyć:

−

diody półprzewodnikowe,

−

tranzystory,

−

tyrystory,

−

elementy optoelektroniczne.
Diody półprzewodnikowe są to elementy, w których wykorzystuje się zjawiska fizyczne

występujące w złączach PN. Jej podstawową właściwością jest jednokierunkowe
przewodzenie, co w przypadku wpięcia jej w obwód, który zasilany jest napięciem
przemiennym sprawi, że będzie działała jak prostownik jednopołówkowy. Z tego też powodu
zwykłą diodę półprzewodnikową określa się mianem diody prostowniczej.

Na rysunku 25 przedstawiono przykładowe diody półprzewodnikowe z radiatorem oraz

bez radiatora. Radiator jest elementem, który stosowany jest w celu zwiększenia oddawania
wydzielanego przez diodę ciepła do otoczenia.

Rys. 25. Widok diod półprzewodnikowych: a) małej mocy, b) dużej mocy, c) z radiatorem [1, s. 118]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku 26 przedstawiono strukturę diody półprzewodnikowej ze złączem PN.

Rys. 26. Struktura diody półprzewodnikowej ze złączem PN [1, s. 118]

W układach elektronicznych oprócz zwykłych diod półprzewodnikowych stosowane są

diody posiadające inne cechy funkcjonalne. Są one uzyskiwane poprzez stosowanie innej
technologii wytwarzania oraz zmianom w ich konstrukcji. Do powszechnie stosowanych diod
półprzewodnikowych można dodatkowo zaliczyć:

−

diody Zenera – są one stosowane w elektronicznych układach stabilizacji napięć,
w układach ograniczników, jako źródła odniesienia itp. W przypadku wykorzystania
w układzie diody tego typu należy do niego dołączyć ogranicznik prądu,

−

diody tunelowe – są one stosowane w układach wzmacniających, generatorach
mikrofalowych, układach impulsowych o dużej szybkości działania, itp.,

−

diody pojemnościowe – występują dwa rodzaje diod tego typu. Są to:

−

warikapy są one używane jako zmienne pojemności np. w układach automatycznego
przestrajania obwodów rezonansowych,

−

waraktory są one używane jako zmienne reaktancje, które spełniają funkcje
elementów czynnych w układach pneumatycznych,

−

diody impulsowe są one stosowane w układach impulsowych, najczęściej pełnią funkcję
kluczy przepuszczających impulsy w jednym tylko kierunku,

−

diody mikrofalowe są one stosowane w elektronicznych układach detekcyjnych
mieszających oraz układach, w których koniecznością staje się wykorzystanie zmiennych
impedancji a także elementów o ujemnej rezystancji.
Tranzystory są to elementy półprzewodnikowe trójwarstwowe, trójelektrodowe.

Umożliwiają one wykorzystując sygnał małej mocy, sterowanie przepływem dużej mocy.
Wykorzystywany on jest w układach, w których konieczne jest sterowanie sygnałem
liniowym lub skokowym. Występują dwa podstawowe rodzaje tranzystorów. Są to:

−

tranzystory bipolarne struktura rzeczywista oraz widok tranzystora został przedstawiony
na rysunku 27.

Rys. 27. Tranzystor bipolarny: a) struktura rzeczywista, b) widok tranzystorów [1, s. 122]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zbudowane są one w taki sposób, że tworzą strukturę trójwarstwową PNP lub NPN.

Elektrody, które przylegają do warstw skrajnych nazywane są emiterem „E” oraz kolektorem
„C”. Elektroda warstwy środkowej nazywana jest bazą „B”. W tranzystorach tego typu
główny prąd płynie poprzez dwie elektrody odwrotnie spolaryzowane E i C.

−

tranzystory unipolarne są one określane również jako tranzystory polowe. Tranzystory
tego typu można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Są to:

−

tranzystory unipolarne złączowe rysunek 28 przedstawia strukturę tranzystora tego typu.

Rys. 28.

Struktura tranzystora unipolarnego złączowego [1, s. 125]

W tranzystorach unipolarnych złączowych główne elektrody oznaczono jako Sźródło

oraz Ddren. Bramka sterująca została oznaczona jako G. Literą N został oznaczony kanał do
którego przylega źródło oraz dren,

−

tranzystory unipolarne z izolowaną bramką – rysunek 29 przedstawia strukturę
tranzystora tego typu. W tranzystorach unipolarnych z izolowaną bramką źródło „S” oraz
dren „D” są ze sobą połączone silnie domieszkowanym obszarem P. Elektroda bramki
„G” znajduje się na powierzchni dielektryka. W przypadku tych tranzystorów może
zostać wyprowadzona końcówka podłoża „B” w celu dodatkowej polaryzacji.

Rys. 29.

Struktura tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką [1, s. 126]

Tyrystory są to elementy półprzewodnikowe krzemowe, składające się z czterech warstw,

tworzące układ PNPN. Na rysunku 30 przedstawiono model strukturalny oraz uproszczoną
strukturę tyrystora tego typu.

Rys. 30. Tyrystor a) model strukturalny, b) uproszczona struktura pastylki tyrystora [1, s. 127]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tyrystor wyposażony jest w trzy elektrody. Dwie z nich przyłączone są do warstw

skrajnych oznaczonych jako K – katoda i A- anoda. Trzecia elektroda G – bramka,
przyłączona jest do jednej z warstw środkowych. Przewodzenie w nim odbywa się
w kierunku od anody do katody.

Istnieje wiele konstrukcji tyrystorów. Najczęściej stosowaną jest konstrukcja dyskowa

tzw.

pastylka.

ona

hermetyczną

obudowę

metalowo-ceramiczną

lub

metalowo-epoksydową. W przypadku, gdy wydzielają one zbyt dużą ilość ciepła, wyposażane
są w radiatory, które są chłodzone powietrzem lub wodą.

Do podstawowych zalet tyrystorów można zaliczyć:

−

niewielką masę i małe rozmiary,

−

dużą odporność na wstrząsy,

−

dużą sprawność sterowania.
Elementy optoelektroniczne do elementów tego typu zaliczane są przetworniki

półprzewodnikowe świetlne. W elementach optoelektronicznych natężenie świetlne wpływa
na zmianę ich parametrów elektrycznych lub zmiana ich parametrów elektrycznych sprawia
wytworzenie strumienia świetlnego. Do tych elementów zaliczane są:

−

fotorezystory

−

fotodiody,

−

fototranzystory,

−

diody elektroluminescencyjne,

−

transoptory.
Transformatory są urządzeniami elektrycznymi, w których energia elektryczna prądu

przemiennego jest transformowana z jednego napięcia na inne. Mają one zastosowanie
zarówno do prądu jedno i trójfazowego.

Transformatory energetyczne mają zastosowanie przy przesyle energii elektrycznej.

Pełnią one funkcję łączącą elektrownie z sieciami przesyłowymi podwyższając napięcie lub
też łączą sieci przesyłowe z sieciami dystrybucyjnymi obniżając odpowiednio napięcie.

Transformatory

specjalne

mają

zastosowanie

obwodach

pomiarowych,

sygnalizacyjnych, zabezpieczających, a także w obwodach zasilających urządzenia
spawalnicze czy prostownikowe.

Każdy transformator składa się z uzwojenia i rdzenia wykonanego z pakietu izolowanych

pasków blachy krzemowej. Uzwojenie wykonuje się z izolowanych przewodów.

Ze względu na potrzebę odprowadzania ciepła z transformatora stosuje się chłodzenie

naturalne powietrzem transformatory suche, a przy transformatorach dużej mocy rdzeń
i uzwojenia umieszczone są w oleju transformatorowym. Olej poza funkcją chłodzącą stanowi
również dobrą izolację. Rozgrzany olej transportowany jest grawitacyjnie lub za pomocą
pomp do radiatorów, w których ochładza się. Na rysunku 31 przedstawiono transformator
energetyczny dużej mocy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 31. Transformator energetyczny 10/0, 4kV [1, s. 183]

Na rysunku oznaczono:
1 – kadź,
2 – radiator,
3 – konserwator,
4 – wskaźnik poziomu oleju,
5 – izolator wysokiego napięcia,
6 – izolator niskiego napięcia,
7 – termometr do pomiaru temperatury oleju,
8 – zawór spustowy oleju,
9 – zacisk uziemiający.

Transformatory jednofazowe działają w oparciu o zjawisko elektromagnetycznego

oddziaływania uzwojeń sprzężonych magnetycznie. Uzwojenia umieszczone są na wspólnym
rdzeniu ferromagnetycznym tworząc zamknięty obwód magnetyczny. Uzwojenia nawinięte
na rdzeń nazywane jest uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Na rysunku 32 została
przedstawiona zasada budowy transformatora jednofazowego.

Rys. 32. Zasada budowy transformatora jednofazowego [1, s. 185]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
I – wartość prądu elektrycznego,
U – napięcie,
N – liczba zwojów.

Jeśli w uzwojeniu pierwotnym popłynie prąd to spowoduje on powstanie strumienia

magnetycznego. Poprzez rdzeń transformatora płynący strumień magnetyczny indukuje siłę
elektromotoryczną w uzwojeniu wtórnym. Stosunek sił elektromotorycznych indukowanych
w obu uzwojeniach transformatora nosi nazwę przekładni transformatora. Wyliczana jest ona
z zależności:

K = E

/ E

gdzie:
E

– całkowita siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu pierwotnym,

– całkowita siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym.

Przy otwartym obwodzie wtórnym transformatora wartość prądu płynącego w obwodzie

pierwotnym jest bardzo mała. Stan ten jest nazywany stanem jałowym, a prąd płynący
w uzwojeniu pierwotnym prądem jałowym.

Napięcia znamionowe to napięcia, na jakie zbudowano transformator oraz jakie

występują podczas stanu jałowego.

Stan obciążenia to stan występujący, gdy uzwojenie wtórne jest połączone

z odbiornikami.

Ponieważ napięcie i siła elektromotoryczna w uzwojeniu pierwotnym ma wartość stałą,

dlatego wzrostowi natężenia prądu w uzwojeniu pierwotnym towarzyszy wzrost natężenia
w uzwojeniu pierwotnym. Każdy transformator ma określone największe dopuszczalne
obciążenie zwane mocą znamionową. W transformatorach jednofazowych jest to największa
wartość prądu jak może płynąć przez uzwojenie pierwotne. Określana jest ona z zależności:

= U

Stan zwarcia transformatora jest stanem, w którym uzwojenie wtórne jest zwarte,

a uzwojenie pierwotne zasilane. Podczas stanu zwarcia w obu uzwojeniach płyną prądy
o dużym natężeniu mogące doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Stan zwarcia jest więc
stanem awaryjnym.

Napięcie zwarcia jest napięciem doprowadzonym do zacisków pierwotnych przy

zwartych zaciskach uzwojenia wtórnego, wywołującym w uzwojeniach transformatora prądy
znamionowe.

Transformatory trójfazowe przy napięciu układu trójfazowego można wykorzystać trzy

transformatory jednofazowe jednak tańsze i prostsze konstrukcyjnie są transformatory
trójfazowe. Transformatory trójfazowe różnią się od jednofazowych kształtem rdzenia oraz
ilością uzwojeń. Na rysunku 33 przedstawiono porównanie transformatorów w układzie
trójfazowym.

Rys. 33. Transformatory

układach

trójfazowych:

trzy

transformatory

jednofazowe,

b) transformator trójfazowy na rdzeniu trzykolumnowym [1, s. 188]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Uzwojenia pierwotne jak i wtórne transformatorów trójfazowych łączy się w gwiazdę lub

trójkąt. W transformatorach zasilających sieci niskiego napięcia stosuje się również
połączenia uzwojeń wtórnych w tzw. zygzak. Uzwojenia wtórne podzielone na dwie części
osadzone są na innej kolumnie. Daje to możliwość uzyskania większej równomierności
obciążeń po stronie pierwotnej. Grupa połączeń to układ połączeń oraz kąt przesunięcia
fazowego między napięciami po stronie pierwotnej i wtórnej.

W celu uzyskania większej niezawodności stosuje się równoległe połączenie kilku

transformatorów o mniejszych mocach. Transformatory te muszą jednak posiadać jednakowe
napięcia znamionowe, jednakowe grupy połączeń i napięcia zwarcia.

Autotransformatory posiadają jedno uzwojenie, do którego podłączone są obwody strony

pierwotnej i wtórnej. Zasada działania tych transformatorów jest taka sama jak
transformatorów jednofazowych. Ich zaletami są mniejszy ciężar i rozmiary, a także mniejsze
straty mocy. Główną wadą jest niebezpieczeństwo przerzucenia wyższego napięcia na stronę
niższego oraz mała wytrzymałość na stany zwarciowe.

Transformatory specjalne znalazły one zastosowanie w przemyśle, energetyce,

gospodarstwach domowych, laboratoriach. Do najczęściej spotykanych transformatorów tego
typu można zaliczyć:

−

przekładniki prądowe przekładniki prądowe służą do rozszerzania zakresu przyrządów
mierzących prąd, moc czy energię, a także są stosowane w układach sterowniczych
i zabezpieczających. Wykonane są jako transformatory jednofazowe. Ponieważ
przekładniki pracują w stanie zwarcia, więc praca w obwodzie nieobciążonym jest
niedopuszczalna z uwagi na duże zagrożenie dla ludzi,

−

przekładniki napięciowe są transformatorami jednofazowymi przeznaczonymi do
rozszerzania zakresów przyrządów pomiarowych, sterowniczych lub zabezpieczających,
reagujących na stany napięcia. Przekładniki napięciowe pracują w warunkach stanu
jałowego,

−

laboratoryjne autotransformatory regulacyjne mają one rdzeń w kształcie pierścienia
z nawiniętym izolowanym uzwojeniem. Do nie izolowanej zewnętrznej części uzwojenia
przylega szczotka połączona z zaciskiem strony wtórnej. Przesuwanie szczotki po
obwodzie daje możliwość regulowania napięcia strony wtórnej,

−

transformatory bezpieczeństwa są stosowane do zasilania odbiorników małej mocy
w warunkach niebezpieczeństwa porażeniem. Najczęściej posiadają one napięcie
pierwotne 220V i wtórne 24V, nie stanowiące zagrożenia dla człowieka. Stosowane są
najczęściej do zasilania lamp, dzwonków itp.
Do transformatorów specjalnych stosowanych w przemyśle, zaliczamy między innymi

transformatory mające małe napięcia strony wtórnej, lecz duże natężenia znamionowe strony
wtórnej. Służą one do zasilania pieców elektrycznych lub jako transformatory spawalnicze do
spawania łukowego.

Silniki prądu stałego można zakwalifikować do maszyn samowzbudnych. Wyróżnia się

następujące rodzaje silników:

−

silniki bocznikowe,

−

silniki szeregowe,

−

silniki szeregowo-bocznikowe.
Prędkość obrotowa silnika zależna jest od zmiany napięcia zasilającego. Na zmiany

napięcia najbardziej reagują silniki bocznikowe. W silnikach szeregowych obserwujemy
znaczny wzrost prędkości przy spadku momentu obrotowego. W krytycznym momencie
prędkość może przekroczyć wartości dopuszczalne. Zjawisko to nazywamy rozbieganiem się
silnika. Może ono prowadzić do uszkodzenia maszyny, dlatego silniki szeregowe pracują
zawsze pod obciążeniem. W silnikach bocznikowych zjawisko takie raczej nie występuje,
ponieważ przy zmianach obciążenia charakteryzuje je mała zmiana prędkości obrotowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Podczas rozruchu silnika prądu stałego pojawia się duży prąd rozruchowy. Aby

przeciwdziałać temu zjawisku obwód wirnika wyposażony jest dodatkowo w szeregowo
włączone rezystory rozruchowe. Podczas rozruchu, gdy prąd rozruchowy się zmniejsza,
należy stopniowo zmniejszać rezystancję do zera.

Silniki prądu stałego mają zastosowanie szczególnie tam, gdzie istotna jest możliwość

regulowania prędkości obrotowej. Prędkość obrotowa zależy od napięcia zasilającego
U, rezystancji R, prądu I oraz strumienia magnetycznego

wytworzonego w stojanie.

Wyliczana jest ona z zależności:

−

gdzie:
k jest współczynnikiem zależnym od budowy silnika.

Regulacja prędkości silników prądu stałego realizowana jest poprzez zmianę jednego

z parametrów U, R lub

Zmianę rezystancji uzwojeń wirnika realizuje się poprzez włączenie w obwód uzwojeń

dodatkowych rezystorów o ściśle określonej rezystancji. Zmiana tej rezystancji umożliwia,
w zależności od momentu obciążającego silnik, regulację prędkości obrotowej. Sposób
regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę rezystancji, stosowany jest w napędach,
w których istotne jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej przy zmiennych obciążeniach.
Wadą jest duża strata energii wydzielanej na rezystorach w postaci ciepła.

Zmiana strumienia

uzyskana poprzez włączenie w obwód wzbudzenia rezystora

o regulowanej rezystancji również daje możliwość regulacji prędkości obrotowej. Zmiana
rezystancji wywołuje zmianę wartości prądu wzbudzenia powodując zmianę strumienia
magnetycznego

. Strumień wzrasta wraz ze wzrostem prądu wzbudzenia powodując

zmniejszanie prędkości obrotowej. W silnikach bocznikowych prąd wzbudzenia stanowi
zaledwie kilka procent prądu pobieranego przez silnik, więc straty energii na rezystorze
regulacyjnym są znikome.

Zmiana wartości napięcia wykorzystywana do regulacji prędkości obrotowej, pomimo iż

charakteryzuje się małymi stratami energii, wymaga zastosowania regulowanego źródła
napięcia.

Nowoczesna technologia umożliwia obecnie zastosowanie do regulacji prędkości

obrotowej silników prądu stałego, elektronicznych układów regulacyjnych. Ich zaletą jest
możliwość uzyskania dużej płynności regulacji w szerokim zakresie i krótkiego czasu trwania
momentów przejściowych. Charakteryzują się one również dużą niezawodnością
i stabilnością nastawianych wartości.

Główną rolę w elektronicznych układach regulacji odgrywają przekształtniki tyrystorowe

zmieniające energię dostarczaną ze źródła na energię o żądanej wartości napięcia. Dają one
również możliwość zasilania silników prądu stałego z sieci prądu przemiennego działając
jako prostowniki.

Podczas zasilania silnika ze źródła prądu stałego, regulacja prędkości obrotowej polega

na okresowym odłączaniu napięcia przez łączniki tyrystorowe. Ich działanie można porównać
do połączonego szeregowo, otwieranego cyklicznie łącznika mechanicznego i diody. Łączniki
tyrystorowe wykazują niewielkie straty, gdyż moc na wejściu łącznika jest taka jak moc
silnika. Hamowanie silników prądu stałego może być realizowane w następujący sposób:

−

naturalnie,

−

mechanicznie

−

elektrycznie.
Hamowanie elektryczne prądnicowe umożliwia odzyskiwanie energii, ale tylko wówczas,

gdy prędkość obrotowa jest większa od prędkości biegu jałowego silnika. Siła
elektromotoryczna indukowana na uzwojeniach wirnika przewyższa wartością napięcie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

i w wyniku tego prąd zaczyna płynąć w odwrotnym kierunku. Silnik zaczyna pełnić rolę
prądnicy.

Hamowanie przeciwprądem polega na zmianie biegunowości napięcia. Następuje zmiana

zwrotu momentu obrotowego i spadek prędkości obrotowej aż do chwili zatrzymania
urządzenia. Należy pamiętać o odłączeniu silnika od zasilania, aby uniknąć zmiany kierunku
wirowania maszyny.

Hamowanie dynamiczne realizuje się poprzez odłączenie uzwojeń wirnika od sieci

i połączenie ich końców ze sobą poprzez rezystor. Maszyna pracuje wówczas jako prądnica,
a wytworzona energia zamieniana jest na dodatkowej rezystancji w ciepło.

Do hamowania silników wykorzystuje się również układy tyrystorowe, w których dioda

zamyka dopływ energii elektrycznej a tyrystor zamyka prąd w obwodzie o niewielkiej
impedancji. Energia wytworzona przez wirnik może zostać oddana do sieci lub zamieniona na
ciepło na rezystorze.

Silniki indukcyjne jednofazowe są zaliczane do silników klatkowych. Ze względu na

problem wytworzenia wirującego pola magnetycznego stosuje się dwa uzwojenia przesunięte
względem siebie. Obwód jednego uzwojenia wykonany jest o innej impedancji i charakterze
niż obwód uzwojenia głównego. Efekt ten uzyskuje się za pomocą zwiększenia rezystancji
lub włączenia kondensatora. Zależnie od charakteru impedancji oraz czasu pracy uzwojenia
pomocniczego silniki indukcyjne można podzielić na: silniki z uzwojeniem rozruchowym
rezystancyjnym lub z kondensatorem, a także z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym
lub zwartym.

W silnikach indukcyjnych jednofazowych z kondensatorem rozruchowym po osiągnięciu

przez silnik prędkości wynoszącej ok. 80% prędkości synchronicznej, uzwojenie pomocnicze
zostaje

odłączone

zasilania

pomocą

wyłącznika

odśrodkowego

lub

elektromagnetycznego. Na rysunku 34 przedstawiono układ połączeń oraz charakterystykę
mechaniczną silnika indukcyjnego jednofazowego.

Rys. 34. Silnik indukcyjny jednofazowy: a) układ połączeń uzwojeń stojana, b) charakterystyka

mechaniczna [1, s. 222]

Na rysunku oznaczono:
1 – w czasie rozruchu,
2 – po wyłączeniu uzwojenia rozruchowego,
F

– uzwojenie główne,

– uzwojenie rozruchowe,

C – kondensator,
w – wyłącznik uzwojenia rozruchowego.

Silniki z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym nie posiadają rozłącznika

uzwojenia pomocniczego. Odpowiedni dobór pojemności kondensatora zapewnia
występowanie pola zbliżonego do kołowego przy znamionowym obciążeniu.

Silniki z pomocniczym uzwojeniem zwartym mają uzwojenie główne wykonane

w postaci cewek nałożonych na rdzeń stojana. Uzwojenie pomocnicze stanowi pręt lub gruba

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

blacha miedziana. Jedna część strumienia magnetycznego przechodzi przez biegun objęty
uzwojeniem zwartym wywołując prąd. Wirnik silnika przenikają dwa strumienie przesunięte
względem siebie. Powstaje wówczas wirujące pole elektromagnetyczne. Na rysunku 35
przedstawiono silnik jednofazowy z jednym oraz dwoma uzwojeniami głównymi.

Rys. 35.

Silnik jednofazowy z pomocniczym uzwojeniem zwartym: a) z jednym uzwojeniem
głównym, b) – z dwoma uzwojeniami głównymi [1, s. 222]

Na rysunku oznaczono:
1 – uzwojenie główne,
2 – uzwojenie zwarte.

Silniki komutatorowe prądu przemiennego – silniki tego typu są najczęściej silnikami

jednofazowymi szeregowymi. Na rysunku 36 przedstawiono układ połączeń takiego silnika.

Rys. 36. Układ połączeń silnika komutatorowego jednofazowego szeregowego [1, s. 223]

Różnica pomiędzy silnikami komutatorowymi a silnikami szeregowymi prądu stałego

polega na tym, że w silnikach tego typu zarówno stojan jak i wirnik wykonany jest z blach.
Charakteryzują się one dużym momentem rozruchowym oraz osiąganą dużą prędkością
obrotową.

W silnikach trójfazowych prąd przemienny powoduje w symetrycznym trójfazowym

uzwojeniu stojana powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób,
że powstaje pole wirujące. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej powoduje
powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez
uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika
wywołuje powstanie momentu obrotowego i w konsekwencji ruch.

Na rysunku 37 pokazano silnik indukcyjny trójfazowy.

Rys. 37. Silnik indukcyjny [1, s. 194]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Na rysunku oznaczono:
1 – tabliczka znamionowa,
2 – obudowa tabliczki zaciskowej,
3 – wał napędowy,
4 – obudowa silnika.

Silniki indukcyjne trójfazowe w zależności od postaci uzwojeń można podzielić na:

−

silniki klatkowe w przypadku tego typu silników uzwojenie występuje w postaci prętów
o zwartych końcach. Uzwojenie tego typu zostało pokazane na rysunku 38,

Rys. 38. Uzwojenie wirnika silnika klatkowego [1, s. 196]

−

silniki pierścieniowe w przypadku tego typu silników wirnik podobnie jak stojan
uzwojony jest trójfazowo. Wirnik silnika pierścieniowego przedstawiono na rysunku 39.

Rys. 39. Budowa wirnika silnika pierścieniowego [1, s. 196]

Na rysunku oznaczono:
1 – blachy wirnika,
2 – uzwojenie,
3 – wał,
4 – pierścienie ślizgowe połączone z końcami uzwojeń wirnika.

Hamowanie silników indukcyjnych może być realizowane w następujący sposób:

−

hamowanie naturalne,

−

hamowanie mechaniczne,

−

hamowanie elektryczne,

−

hamowanie prądnicowe,

−

hamowanie przeciwprądem,

−

hamowanie prądem stałym.

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie są rodzaje diod półprzewodnikowych?
2. Jakie jest zastosowanie diod pojemnościowych?
3. Jakie są rodzaje tranzystorów?
4. Jakie jest zasada działania tyrystorów?
5. Jakie są zalety działania tyrystorów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. Jakie są rodzaje elementów optoelektronicznych?
7. Jakie są rodzaje transformatorów?
8. Jakie jest zasada działania transformatorów?
9. Jaka jest budowa transformatora energetycznego?
10. Jakie są rodzaje silników prądu stałego?
11. Jakie są parametry charakteryzujące silniki prądu stałego?
12. Jakie jest zastosowanie silników prądu stałego?
13. Jakie są rodzaje hamowania silników prądu stałego?
14. Jakie są rodzaje silników indukcyjnych?
15. Jaka jest budowa silnika indukcyjnego jednofazowego?
16. Jaka jest różnica pomiędzy silnikami komutatorowymi a silnikami szeregowymi prądu

stałego?

17. Jakie są rodzaje silników indukcyjnych trójfazowych?
18. Jaka jest budowa silnika indukcyjnego pierścieniowego?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przedstaw w tabeli klasyfikację tranzystorów. Określ ich budowę, właściwości,

charakterystykę oraz parametry techniczne. Opisz przykłady zastosowania różnego rodzaju
tranzystorów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) przedstawić w postaci tabeli klasyfikacje tranzystorów,
5) określić ich budowę, właściwości, cechy charakterystyczne, parametry techniczne,
6) podać przykłady zastosowania poszczególnych rodzajów tranzystorów,
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 2

Przeanalizuj budowę oraz zasadę działania silników indukcyjnych. Określ ich

charakterystykę oraz parametry. Opisz przykłady zastosowania silników indukcyjnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5) określić ich charakterystykę, zasadę działania oraz parametry je charakteryzujące,
6) opisać przykłady zastosowania silników indukcyjnych,
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 3

Przeanalizuj budowę transformatorów jedno i trójfazowych. Określ ich cechy

charakterystyczne. Przedstaw podobieństwa oraz różnice występujące między nimi. Opisz
przykłady ich zastosowania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) przeanalizować budowę transformatorów jedno i trójfazowych,
5) określić ich cechy charakterystyczne, przedstawić podobieństwa oraz różnice

występujące między nimi,

6) podać przykłady zastosowania transformatorów jedno i trójfazowych,
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

Ćwiczenie 4

Określ parametry silnika indukcyjnego trójfazowego, na podstawie jego tabliczki

znamionowej.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) określić parametry silnika na podstawie jego tabliczki znamionowej,
5) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
6) zaprezentować pracę na forum grupy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

tabliczka znamionowa silnika.

Ćwiczenie 5

Zmierz natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego, określonych przez nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

nauczyciela,

5) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
6) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

obwody prądu stałego jedno i trójfazowego,

−

miernik uniwersalny.

Ćwiczenie 6

Zmierz natężenie prądu i moc w obwodach prądu przemiennego, jednofazowego

i trójfazowego określonych przez nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

i trójfazowego, określonych przez nauczyciela,

5) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
6) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

obwody prądu przemiennego jedno i trójfazowego,

−

miernik uniwersalny.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 7

Rozróżnij na przykładowych schematach następujące połączenia odbiorników:

szeregowe, równoległe, w gwiazdę i w trójkąt.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) rozróżnić na przykładowych schematach rodzaj połączenia ze sobą odbiorników,
5) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
6) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

schematy połączeń odbiorników,

−

stanowisko z dostępem do internetu.

Ćwiczenie 8

Wykonaj przegląd instalacji elektrycznej, zgodnie z instrukcją obsługi, określonego przez

nauczyciela urządzenia lub maszyny.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) wykonać przegląd instalacji elektrycznej, zgodnie z instrukcją obsługi, określonego przez

nauczyciela urządzenia,

5) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
6) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

urządzenie wykorzystane do przeglądu instalacji elektrycznej,

−

instrukcja obsługi urządzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić rodzaje diod półprzewodnikowych?



określić zastosowanie diod pojemnościowych?



określić rodzaje tranzystorów?



rozróżnić rodzaje tranzystorów?



określić zasadę działania tyrystorów?



określić zalety działania tyrystorów?



określić rodzaje elementów optoelektronicznych?



określić rodzaje transformatorów?



określić zasada działania transformatorów?



10) określić budowę transformatora energetycznego?



11) rozróżnić rodzaje silników prądu stałego?



12) określić parametry charakteryzujące silniki prądu stałego?



13) określić zastosowanie silników prądu stałego



14) określić rodzaje silników indukcyjnych



15) rozróżnić rodzaje silników indukcyjnych trójfazowych



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Podstawy automatyki. Systemy komputerowe

4.3.1. Materiał nauczania

Automatyka jest działem techniki, który obejmuje wytwarzanie i instalowanie sprzętu do

automatycznego sterowania. Znaczenie automatyki, szczególnie w przemyśle jest ogromne.
Do najważniejszych osiągnięć tego działu techniki można zaliczyć:

−

obrabiarki sterowane numerycznie,

−

roboty przemysłowe,

−

zautomatyzowane magazyny,

−

automatyzacja całych linii produkcyjnych i inne.
Najważniejszym zadaniem stawianym przed automatyką jest sterowanie w pożądany

sposób urządzeniami i procesami.

Do podstawowych pojęć obowiązujących w automatyce można zaliczyć:

−

obiekt sterowania jest to zazwyczaj urządzenie lub zespół urządzeń, w którym następują
procesy przemiany energii lub procesy technologiczne, które powodują zmiany fizyczne
lub chemiczne materii,

−

otoczenie obiektu można określić środowisko, w którym znajduje się dany obiekt,

−

oddziaływania wzajemne jest to zależność występująca pomiędzy obiektem a jego
środowiskiem inaczej otoczeniem. Można to zobrazować na przykładzie działania
maszyny parowej. Zostało to przedstawione na rysunku 40.

Rys. 40.

Schemat poglądowy oddziaływania wzajemnego pomiędzy maszyną parową i jej
otoczeniem [1, s. 316]

−

wielkości wejściowe i wyjściowe ą to wielkości fizyczne za pomocą których zachodzą
oddziaływania wzajemne. Zostały one przedstawione na rysunku 41,

Rys. 41. Schemat blokowy oddziaływania wzajemnego pomiędzy maszyną parową i jej

otoczeniem [1, s. 316]

−

sterowanie jest to zamierzone oddziaływanie otoczenia na dany obiekt. Taki obiekt
nazywany jest obiektem sterowania, a wielkości, których to sterowanie dotyczy
wielkościami sterowania,

−

wielkości sterujące są to wielkości wykorzystywane do realizowania sterowania,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

zakłócenie jest to przypadkowe oddziaływanie otoczenia na dany obiekt. Wielkości, które
powodują występowanie zakłóceń nazywane są wielkościami zakłócającymi,

−

urządzenie sterujące jest to urządzenie wykorzystywane do sterowania,

−

układ sterowania powstaje na skutek połączenia obiektu z urządzeniem sterującym.
Układy sterowania można podzielić na dwa rodzaje. Są to:

−

układy sterowania zamknięte,

−

układy sterowania otwarte.
Układy sterowania zamknięty i otwarty został pokazany na rysunku 42.

Rys. 42. Podstawowe struktury układów sterowania: a) układ otwarty, b) układ zamknięty [1, s. 318]

W każdym z tych układów, układ sterujący oddziałuje na obiekt. Jednak tylko

w przypadku układu zamkniętego również obiekt oddziałuje na układ sterujący.

Urządzenia automatyki, biorąc pod uwagę zasadę ich działania można podzielić na dwie

grupy:

−

urządzenia analogowe,

−

urządzenia cyfrowe.
Przetworniki cyfrowo-analogowym i analogowo-cyfrowe umożliwiają współpracę tych

dwóch grup urządzeń ze sobą.

Biorąc pod uwagę rodzaj energii, która zasila urządzenia automatyki, można rozróżnić

ich trzy rodzaje:

−

urządzenia zasilane energią elektryczną,

−

urządzenia zasilane energią sprężonego powietrzna,

−

urządzenia zasilanie energią cieczy tłoczonej pod ciśnieniem.

Układy automatyki

Układ regulacjiukład regulacji zostanie przedstawiony na przykładzie regulatorów

bezpośredniego działania. Są to urządzenia zawierające następujące elementy:

−

układ pomiarowy,

−

właściwy regulator,

−

organ wykonawczy.
W tym przypadku energia zasilająca jest pobierana z procesu regulowanego za

pośrednictwem układu pomiarowego. Wykonywane są one jako regulatory dwustawne gdzie
sygnał wejściowy przyjmuje tylko dwie wartości, oraz jako regulatory o działaniu ciągłym.
Na rysunku 43 przedstawiono przykładowe regulatory bezpośredniego działania o działaniu
ciągłym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 43. Regulatory bezpośredniego działania: a) termostat samochodowy, b) reduktor

ciśnienia gazu [1, s. 337]

W przypadku działania termostatu następuje jego rozszerzenie, w miarę jak wzrasta

temperatura cieczy chłodzącej silnik. W ten sposób następuje otwarcie zaworu dławiącego
dopływ cieczy do chłodnicy, co skutkuje zwiększeniem intensywności chłodzenia.

W przypadku działania reduktora, jego zadaniem jest utrzymanie na wyjściu stałego

ciśnienia gazu. Jest to równoważone przez nacisk sprężyny, która na skutek zbyt małego lub
zbyt dużego ciśnienia gazu na wejściu, otwiera lub zamyka zawór umożliwiając większy lub
mniejszy dopływ gazu do reduktora.

Układ sterowania w układach sterowania logicznego, zmienne wejściowe i wyjściowe są

zmiennymi binarnymi. W ramach przekaźnikowego układu sterowania zostanie
przedstawiony i omówiony układ sterujący włączaniem i wyłączaniem silnika pompy
uzupełniającej wodę w zbiorniku. Układ ten został przedstawiony na rysunku 44.

Rys. 44.

Przekaźnikowy układ sterowania pompą uzupełniającą wodę w zbiorniku:
a) schemat instalacji, b) uproszczony schemat układu działania [1, s. 345]

Zadaniem silnika M, jest napędzanie pompy. Jest on załączany w momencie obniżenia

się ciśnienia wody w zbiorniku poniżej wartości p

min

. Następnie jest on wyłączany po

osiągnięciu ciśnienia wody w zbiorniku powyżej p

max

. Działanie układu uzależnione jest od

zapamiętanej wartości sygnału sterującego. W przypadku, gdy ostatnio ciśnienie było zbyt
niskie następuje załączenie silnika, natomiast jeśli było zbyt wysokie, pozostaje on
wyłączony. W efekcie układ ten zapewnia utrzymacie ciśnienia wody w zbiorniku
w założonych granicach.

Układ sterowania z blokadą najczęściej w różnych gałęziach przemysłu, maszyny

i urządzenia wchodzą w skład większych zespołów. W związku z tym, często występują
wzajemne zależności pomiędzy poszczególnymi urządzeniami. Na rysunku 45 przedstawiono
przykład zespołu urządzeń transportowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 45.

Przekaźnikowy układ sterowania trzech transporterów – ciąg transporterów [1, s. 345]

Kolejność włączania i wyłączania działania poszczególnych transporterów jest ściśle

określona. Układ sterowania powoduje włączanie i wyłączanie wszystkich lub niektórych
transporterów, jednocześnie zabezpieczając możliwość załączenia lub wyłączenia ich
w nieodpowiedniej kolejności. Układ taki często nazywany jest układem blokady.

Układy sygnalizacji zadaniem układów tego typu jest zwrócenie uwagi na niektóre

sytuacje przy pomocy sygnałów optycznych lub dźwiękowych. Do przykładowych zadań
układów tego typu można zaliczyć:

−

sygnalizowanie zakłóceń,

−

sygnalizowanie awarii,

−

kontrolowanie zabezpieczeń,

−

ostrzeganie o pewnych zdarzeniach,

−

informowanie o stanie pracy urządzeń.
W niektórych przypadkach układy sygnalizacji są układami bardzo złożonymi, mogą

zawierać nie tylko czujniki i sygnalizatory, ale także oddzielne źródła zasilania, centralę, linie
połączeniowe.

Do podstawowych układów cyfrowych, które znalazły zastosowanie w automatyce

można zaliczyć:

−

proste układy logiczne tak zwane funktory w układach tego typu, wartości sygnałów
wyjściowych zależą wyłącznie od aktualnych wartości sygnałów wejściowych,

−

proste układy logiczne z pamięcią w układach tego typu wartości sygnałów wyjściowych
zależą również od poprzednich wartości sygnałów wejściowych. Ta grupa układów jest
reprezentowana przez przerzutniki,

−

złożone układy logiczne do których można zaliczyć:

−

rejestry ich podstawowym zadaniem jest zapamiętywanie informacji w postaci słów.
Rozróżnia się dwa rodzaje rejestrów o działaniu równoległym i szeregowym,

−

liczniki wykorzystywane są one do zliczania impulsów gdzie impulsem określana
jest zmiana wartości sygnału,

−

układy arytmetyczne są wykorzystywane do wykonywania operacji arytmetycznych
na liczbach zapisanych w systemie dwójkowym.

−

układy komutacyjne są one wykorzystywane do łączenia ze sobą bloków funkcjonalnych
i przełączania sygnałów cyfrowych. Można do nich zaliczyć:

−

multipleksery,

−

demultipleksery,

−

konwertery kodu,

−

pamięci są one wykorzystywane do przechowywania informacji, która jest zakodowana
w postaci dwójkowej.
Tablice sterownicze są one wykorzystywane do sterowania przepływem. Często w trakcie

tworzenia tablic sterowniczych wykorzystuje się takie elementy jak: diody, mostki
prostownicze, styczniki, przekaźniki, cewki, wyłączniki instalacyjne, rezystory, różnego typu
przyciski.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Programowane sterowniki logiczne nazywane sterownikami PLC, użytkownik sam

określa program działania, a także w większości przypadków – konfigurację sterownika.

Pod względem struktury wewnętrznej sterownik PLC przypomina komputer i składa się

z następujących elementów:

−

mikroprocesora,

−

pamięci operacyjnej,

−

pamięci trwałej,

−

urządzeń wejściowych i wyjściowych.
Do podstawowych podzespołów sterowników PLC, można zaliczyć:

−

układy wejść binarnych,

−

układy wejść analogowych,

−

jednostka centralna,

−

układy czasowe,

−

liczniki impulsów,

−

komparatory sygnałów analogowych,

−

układy wyjść binarnych,

−

układy wyjść analogowych,

−

układy zasilania.
Często logiczne sterowniki programowalne konstruowane są jako oddzielne moduły.

Oprócz standardowych modułów często produkowane są moduły specjalistyczne. Można do
nich zaliczyć:

−

moduły wykorzystywane do regulowania temperatury,

−

moduły wykorzystywane do przestawiania (pozycjonowania),

−

moduły dołączające czytniki kodu paskowego,

−

moduły służące do testowania i diagnozowania sterownika.
Jednostka centralna jej zadaniem jest realizowanie algorytmów przetwarzania sygnałów

pochodzących z wielu modułów. Jest to możliwe dzięki dużej szybkości jej działania
sięgającej ponad tysiąca rozkazów w ciągu milisekundy. Na rysunku 46 przedstawiono
strukturę sterownika PLC.

Rys. 46. Struktura programowego sterownika logicznego [1, s. 384]

Magistrala adresowa zapewnia jednostce centralnej dostęp do poszczególnych modułów

znajdujących się w sterowniku. Moduły wejściowe i wyjściowe połączone są z modułami
zewnętrznymi czujnikami zestykowymi i elementami wykonawczymi i sygnalizacyjnymi, co
na rysunku oznaczono liniami pojedynczymi.

Programator jego zadaniem jest przygotowywanie, testowanie oraz uruchamianie

programów. Produkowany jest on jako niezależnie, oddzielne urządzenie. Może on być
wykorzystany przy obsłudze wielu sterowników. Funkcje programatora może również pełnić
komputer klasy PC, wyposażony w odpowiednie oprogramowania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Odrębnym elementem jest także panel operatorski. Jego zadaniem jest odczytywanie

wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych oraz stan licznika impulsów i układów
czasowych.

Programowanie sterowników PLC do programowania sterowników wykorzystywane są

specjalne języki programowania. Program działania może być przedstawiony w kilku
postaciach takich jak: lista instrukcji, schemat przekaźnikowy i funkcjonalny. Największe
możliwości daje posługiwanie się listami instrukcji zawierają one opis takich czynności jak:

−

pobieranie danych z urządzeń wejściowych,

−

dokonywanie działań na zmiennych logicznych i liczbowych,

−

zapamiętywanie wyników,

−

przesyłanie uzyskanych wyników do urządzeń wyjściowych,

−

odmierzanie czasu.
Mikrokomputery jednoukładowe są to układy scalone, które pełnią podobne funkcje, co

sterowniki PLC, jednak są od nich mniejsze. Nazywane są również mikrosterownikami.
Zbudowane są one z następujących elementów:

−

mikroprocesora,

−

pamięci operacyjnej,

−

pamięci trwałej,

−

urządzeń wejściowych oraz wyjściowych.
Układy wejścia wyjścia stosowane w mikrosterownikach są do niego na stałe

wbudowane. Z tego względu urządzenia te są produkowane w wielu różnych wariantach,
różniących się od siebie nie tylko rodzajem układów wejścia wyjścia, ale również np.
wielkością dostępnej pamięci. Mikrokomputerom jednoukładowym często stawiane są dość
rygorystyczne wymagania dotyczące zakresu temperatur ich pracy. Mogą to być zakresy
pracy rzędu od -40

C do 105

C. Do urządzeń zawierających wbudowane mikrokomputery

jednoukładowe można zaliczyć:

−

kuchenki mikrofalowe,

−

telewizory,

−

magnetowidy,

−

telefony cyfrowe,

−

pagery,

−

alarmy domowe i samochodowe,

−

zabawki elektroniczne,

−

modele zdalnie sterowane,

−

podzespoły samochodów tj. tablica rozdzielcza, układ zapłonowy, poduszka powietrzna,

−

i wiele innych.
Komputer do podstawowych elementów wchodzących w jego skład można zaliczyć:

−

jednostkę centralną do której zalicza się przede wszystkim procesor i pamięć operacyjną,

−

urządzenia wejściowe,

−

pamięci zewnętrzne,

−

urządzenia wyjściowe.
O możliwościach komputera, oprócz sprzętu, decyduje także oprogramowanie. Na

rysunku 47 przedstawiono strukturę oprogramowania komputera.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 47. Struktura oprogramowania komputera [1, s. 390]

Systemami operacyjnymi wykorzystywanymi i opracowanymi dla potrzeb sterowania są

tak zwane systemy czasu rzeczywistego zwane inaczej również systemami wbudowanymi.
Do takich systemów można zaliczyć UNIX oraz QNS, które mogą być stosowane również na
komputerach klasy PC.

Praca on-line i off-line tryb pracy komputera, w którym następuje przetwarzanie

otrzymanych z zewnątrz danych, następnie wygenerowanie i przekazanie użytkownikowi
wyników nazywa się trybem pracy off-line. W przypadku, gdy pośrednictwo człowieka jest
ograniczone lub wyeliminowane, a komputer pobiera informacje bezpośrednio z urządzeń
pomiarowych, przekazując wyniki obliczeń w sposób bezpośredni do odpowiednich
urządzeń, określamy trybem pracy on-line. W praktyce stosowane są również tak zwane tryby
pośrednie, pomiędzy pracą w trybie on-line a off-line. Na rysunku 48 pokazano podstawowe
struktury sprzężenia komputera z procesem oraz odpowiadające im tryby pracy.

Rys. 48. Podstawowe struktury sprzężenia komputera z procesem i odpowiadające im tryby pracy:

a) proces nie sterowany, b) praca w trybie off-line, c) praca w trybie on-line, d) praca
w trybie doradczym [1, s. 391]

Układy CRPD są to układy Centralnej Rejestracji i Przetwarzania Danych są one

stosowane między innymi do kontroli procesów technologicznych, kontroli stanu urządzeń
czy rejestracji wyników pomiarów w badaniach naukowych. W układach tego typu
bezpośrednie połączenie obiektu z komputerem występuje tylko w trakcie pomiarów. Wyniki
uzyskiwane przez układ CRPD przeważnie ograniczają się do kontroli i sygnalizacji.
W niektórych przypadkach działanie tego układu może w efekcie wyznaczać wskazania dla

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

operatorów dotyczące danych procesów. W przypadku, jeśli układ oblicza pożądane nastawy
regulatorów i sterowań, określane jest to mianem sterowania w trybie doradczym.

Zmiana wartości zadanych analogowych układów regulacji może się również odbywać

w trybie on-line, czyli bez udziału człowieka. W tym przypadku komputer jest bezpośrednio
sprzęgnięty z regulatorami i to on steruje procesem za pośrednictwem analogowego układu
regulacji. W tym wypadku mamy do czynienia ze sterowaniem nadrzędnym.

Również bez udziału człowieka komputer może sam wyznaczać pożądane wartości

sygnałów sterujących. W przypadku, jeśli są one przekazywane w sposób bezpośredni do
urządzeń wykonawczych, określa się to działanie bezpośrednim sterowaniem cyfrowym.

Na rysunku 49 pokazano podstawowe struktury sterowania komputerowego w trybie on-

line.

Rys. 49. Podstawowe struktury sterowania komputerowego w trybie on-line: a) sterowanie

nadrzędne, b) bezpośrednie sterowanie cyfrowe [1, s. 393]

Komputery są wykorzystywane do sterowania wieloma wielkościami jednocześnie.

Stosowane metody sterowania poszczególnymi wielkościami mogą być różne.

Sterowanie rozproszone w przypadku sterowania tego typu stosuje się kilka połączonych

ze sobą sterowników, umieszczanych blisko maszyn lub odcinków instalacji. Schemat
działania sterowania rozproszonego przedstawiono na rysunku 50.

Rys. 50.

Sterowanie rozproszone [1, s. 395]

W przypadku tego sterowania każdy ze sterowników wyposażony jest w swoją jednostkę

centralną. Jej zadaniem jest przetwarzanie danych uzyskanych ze wszystkich innych
sterowników. Przy prawidłowym rozdzieleniu zadań, zdecydowana większość działań
sterownika odnosi się do lokalnych układów wejścia-wyjścia. Większość przesyłanych
danych to informacje wykorzystywane do obliczeń.

Struktura wielopoziomowa jest ona często wykorzystywana przy przesyłaniu informacji

pomiędzy różnymi komputerami i sterownikami logicznymi. Na rysunku 51 przedstawiono
sterowanie w strukturze wielopoziomowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 51. Sterowanie w strukturze wielopoziomowej [1, s. 396]

Na poziomie pierwszym znajdują się regulatory, stacyjki, sterowniki logiczne. Są one

połączone z obiektami poprzez czujniki pomiarowe i urządzenia wykonawcze. Przeważnie
wyższy poziom nie wymaga tak szczegółowych danych, jak poziom pierwszy. Na tym
poziomie następuje gromadzenie danych pomiarowych, które są otrzymywane z pierwszej
warstwy. Następnie odbywa się w niej obliczanie wartości zadanych analogowych układów
regulacji, oraz w wypadku sterowania nadrzędnego przekazywanie ich do warstwy pierwszej.
W warstwie nadrzędnej może się również odbywać obsługa urządzeń operatorskich, mogą
być podejmowane decyzje dotyczące koordynacji pracy różnych obiektów.

Na rysunku 52 przedstawiono przykład systemu hierarchicznego sterowania i zarządzania

wydziałem produkcyjnym.

Rys. 52.

Przykład komputerowego wielopoziomowego systemu sterowania i zarządzania
wydziałem produkcyjnym (przygotowania blach) [1, s. 397]

W warstwie najwyższej w wyniku posiadanych danych, których część może być

pozyskana

z warstw

niższych,

realizowane

są

zadania

dotyczące

zarządzania

przedsiębiorstwem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1. Jakie zadania stawiane są przed automatyką?
2. Jakie są rodzaje układów sterowania?
3. Jakie są rodzaje układów regulacji?
4. Jaka jest zasada działania regulatorów bezpośredniego działania?
5. Jakie funkcje spełnia układ sterowania?
6. Jakie zadanie spełnia układ sterowania z blokadą?
7. Jakie zadania spełnia układ sygnalizacji?
8. Jakiego rodzaju układy cyfrowe znalazły zastosowanie w automatyce?
9. Jakie są rodzaje złożonych układów logicznych?
10. Jakie elementy wchodzą w skład sterownika PLC?
11. Jakie moduły zaliczymy do modułów specjalistycznych sterowników PLC?
12. Jakie zadania pełni programator?
13. Jakie zadania spełnia magistrala adresowa?
14. Jakie czynności są wykonywane w trakcie programowania sterowników PLC?
15. Jakie

są

przykłady

urządzeń

zawierających

wbudowane

mikrokomputery

jednoukładowe?

16. Jaka jest zasada działania sterowników w trybie on-line i off-line?
17. Co to są układy CRPD?
18. Jaka jest zasada działania sterowania rozproszonego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przedstaw klasyfikacje układów sterowania. Narysuj schematy działania tych układów,

oraz przeanalizuj zasadę ich działania. Określ właściwości każdego z nich, oraz przedstaw
podobieństwa i różnice występujące między nimi.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) przedstawić klasyfikacje układów sterowania,
5) narysować schematy ich działania oraz przeanalizować zasadę ich działania,
6) określić właściwości każdego z nich, oraz podobieństwa i różnice występujące pomiędzy

nimi,

7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Przedstaw na schematach dwa rodzaje trybów pracy: on-line i off-line. Określ czym

charakteryzują się te dwa tryby pracy. Określ podobieństwa i różnice występujące między
nimi. Opisz przykłady ich stosowania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia,
2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy,
3) zaplanować tok postępowania,
4) przedstawić schematy następujących trybów pracy: on-line i off-line,
5) określić czym się one charakteryzują oraz podobieństwa i różnice występujące między

nimi,

6) opisać przykłady ich zastosowania
7) przeprowadzić analizę ćwiczenia,
8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

papier formatu A4,

−

przybory do pisania, linijka, ołówek,

−

stanowisko z dostępem do Internetu.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

określić zadania stawiane są przed automatyką?



określić rodzaje układów sterowania?



określić rodzaje układów regulacji?



zasada działania regulatorów bezpośredniego działania?



określić funkcje jakie spełnia układ sterowania?



określić zadanie jakie spełnia układ sterowania z blokadą?



określić zadania jakie spełnia układ sygnalizacji?



określić rodzaj układów cyfrowych stosowanych w automatyce?



określić elementy wchodzące w skład sterowników PLC?



10) określić zadania jakie pełni programator?



11) rozróżnić działanie sterowników w trybie on-line i off-line?



12) określić zasadę działania sterowania rozproszonego?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Na rozwiązanie testu masz 40 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Do środków ochrony dodatkowej zaliczamy

a) osłony.
b) umieszczenie poza zasięgiem ręki.
c) samoczynne wyłączenie zasilania.
d) ogrodzenie.

2. Jednostką ładunku elektrycznego jest

a) C.
b) V.
c) A.
d)

Ω

3. Natężenie pola elektrycznego jest określane jako

a) siła wzajemnego oddziaływania ładunków, która jest proporcjonalna do iloczynu ich

wartości, a odwrotnie proporcjonalna do ich odległości.

b) stosunek pracy wykonanej przez ładunek przemieszczający się z punktu 1 do punktu

2 do wartości tego ładunku.

c) wartość wprost proporcjonalna do napięcia między jego końcami i odwrotnie

proporcjonalna do jego rezystancji.

d) stosunek siły działającej na ładunek umieszczony w polu elektrycznym do jego

wartości.

4. Do przyrządów elektronicznych zalicza się

a) przyrządy indukcyjne.
b) przyrządy elektrodynamiczne.
c) oscyloskopy.
d) żadne z powyższych.

5. Zależność

E =

RI opisuje

a) prawo Ohma.
b) I prawo Kirchhoffa.
c) II prawo Kirchhoffa.
d) prawo Coulomba.

6. Linia zasilająca prowadzona jako instalacja przedlicznikowa, prowadzona jest w łatwo

dostępnych miejscach, to
a) złącza.
b) rozdzielnica.
c) linia wewnętrzna.
d) instalacja odbiorcza.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7. Na rysunku przedstawiono żarówkę. Oznaczenia 5, 6, 7 to

a) 5 – słupek, 6 – nóżka, 7 – przewody doprowadzające prąd do żarnika.
b) 5 – słupek, 6 – nóżka, 7 – rurka pompowa.
c) 5 – trzonek, 6 – słupek, 7 – rurka pompowa.
d) 5 – rurka pompowa, 6 – słupek, 7 – nóżka.

8. Lampy pracujące na zasadzie wyładowań w rurze ze szkła kwarcowego, zachodzące

pomiędzy elektrodami z wolframu, to lampy
a) sodowe.
b) neonowe.
c) ksenonowe.
d) rtęciowe.

9. Oprawy, które można podzielić na: zwykłe, odporne na pył i wodę oraz

przeciwwybuchowe, to
a) oprawy zewnętrzne.
b) oprawy przemysłowe.
c) wnękowe ogólnego stosowania.
d) oprawy specjalnego przeznaczenia.

10. Diody stosowane w układach wzmacniających, generatorach mikrofalowych, układach

impulsowych o dużej szybkości działania, to diody
a) zenera.
b) tunelowe.
c) impulsowe.
d) mikrofalowe.

11. Na rysunku poniżej przedstawiono

a) tranzystor bipolarny.
b) tranzystor unipolarny złączowy.
c) tranzystor unipolarny z izolowaną bramką.
d) żaden z powyższych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12. Do przetworników półprzewodnikowych świetlnych nie zalicza się

a) diod elektroluminescencyjnych.
b) fotodiod.
c) transoptory.
d) diod półprzewodnikowych.

13. Transformatory służące do rozszerzania zakresu przyrządów mierzących prąd, moc czy

energię, a także stosowane w układach sterowniczych i zabezpieczających, to
a) przekładniki prądowe.
b) przekładniki napięciowe.
c) laboratoryjne autotransformatory regulacyjne.
d) transformatory bezpieczeństwa.

14. Hamowanie silników prądu stałego polegające na zmianie biegunowości napięcia, to

hamowanie
a) elektryczne prądnicowe.
b) przeciwprądem.
c) dynamiczne.
d) naturalne.

15. Na rysunku przedstawiono wirnik silnika pierścieniowego. Oznaczenia 1, 2, 3, 4, to

a) 1 – blachy wirnika, 2 – uzwojenie, 3 – wał, 4 – pierścienie ślizgowe połączone

z końcami uzwojeń wirnika.

b) 1 – blachy wirnika, 2 – pierścienie ślizgowe połączone z końcami uzwojeń wirnika,

3 – wał, 4 – uzwojenie.

c) 1 – wał, 2 – blachy wirnika, 3 – uzwojenie, 4 - pierścienie ślizgowe połączone

z końcami uzwojeń wirnika.

d) 1 – blachy wirnika, 2 – wał, 3 – pierścień ślizgowy połączony z końcami uzwojenia

wirnika, 4 - uzwojenie.

16. Urządzenie lub zespół urządzeń, w którym następują procesy przemiany energii lub

procesy technologiczne, powodujące zmiany fizyczne lub chemiczne materii, to
a) obiekt sterowania.
b) oddziaływania wzajemne.
c) urządzenie sterujące.
d) układ sterowania.

17. W układzie sterowania w którym tylko i wyłącznie układ sterujący oddziałuje na obiekt

nazywamy układem
a) analogowym.
b) cyfrowym.
c) otwartym.
d) zamkniętym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18. W układach, w których wartości sygnałów wyjściowych zależą również od poprzednich

wartości sygnałów wejściowych, to
a) proste układy logiczne.
b) proste układy logiczne z pamięcią.
c) złożone układy logiczne.
d) układy komutacyjne.

19. Element zapewniający jednostce centralnej dostęp do poszczególnych modułów

znajdujących się w sterowniku, to
a) programator.
b) magistrala adresowa.
c) moduł funkcji czasowych.
d) moduł wejściowy.

20. Na rysunku przedstawiono proces

a) nie sterowany.
b) pracy w trybie on-line.
c) pracy w trybie off-line.
d) pracy w trybie doradczym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Analizowanie

układów

elektrycznych

sterowania

w maszynach

i urządzeniach

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Kijowski J., Miller A., Pawlicki K., Szolc T.: Maszynoznawstwo. WSiP, Warszawa 1993
2. Jabłośki W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyka. WSiP, Warszawa 1996
3. Zając P., Kołodziejczyk L. M.: Silniki spalinowe, WSiP. Warszawa 2001