4 PL Podrecznik

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Spis treści:

Podstawy elektrotechniki .................................................................................................. 7

1.1

Wstęp ............................................................................................................................... 7

1.1.1

Obszar zastosowania elektrotechniki ............................................................................... 8

1.1.2

Energetyka i technika napędów ........................................................................................ 8

1.1.3

Technika automatyzacji .................................................................................................... 9

1.1.4

Elektronika ...................................................................................................................... 10

1.1.5

Technika komunikacji ...................................................................................................... 10

1.1.6

Historia elektrotechniki ....................................................................................................11

1.2

Napięcie, prąd i opór ...................................................................................................... 14

1.2.1

Ładunek elektryczny i napięcie ....................................................................................... 14

1.2.2

Prąd elektryczny ............................................................................................................. 17

1.2.3

Opór elektryczny ............................................................................................................ 19

1.2.4

Opór właściwy ................................................................................................................ 20

1.3

Moc elektryczna i praca .................................................................................................. 21

1.4

Obwód elektryczny ......................................................................................................... 22

1.4.1

Połączenia równoległe i szeregowe ............................................................................... 24

1.4.2

Podłączanie urządzeń pomiarowych .............................................................................. 27

1.5

Napięcie stałe ................................................................................................................. 29

1.6

Napięcie zmienne ........................................................................................................... 30

1.6.1

Obciążenia indukcyjne i pojemnościowe ........................................................................ 32

1.7

Opisywanie obwodów elektrycznych .............................................................................. 36

1.7.1

Osprzęt elektryczny ........................................................................................................ 36

1.7.2

Schematy ........................................................................................................................ 38

1.8

Osprzęt elektryczny ........................................................................................................ 42

1.8.1

Przełączniki i przyciski .................................................................................................... 42

1.8.2

Wyłączniki krańcowe ...................................................................................................... 46

1.8.3

Czujnik ciśnienia ............................................................................................................. 49

1.8.4

Sygnalizatory .................................................................................................................. 50

1.8.5

Przekaźniki i styczniki ..................................................................................................... 52

1.9

Podstawowe obwody elektryczne ................................................................................... 54

1.9.1

Samoblokująca się pętla elektryczna ............................................................................. 54

1.9.2

Sekwencje ...................................................................................................................... 55

1.9.3

Schematy hydrauliczne i pneumatyczne ........................................................................ 56

1.10

Typy zabezpieczeń ......................................................................................................... 58

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Sterowniki programowalne PLC ..................................................................................... 61

2.1

Wstęp ............................................................................................................................. 61

2.1.1

Historia sterowników PLC ............................................................................................... 62

2.1.2

Porównanie sterowania HWPC z PLC ........................................................................... 64

2.1.3

Wady i zalety sterownika PLC ........................................................................................ 65

2.2

Architektura sterowników PLC ........................................................................................ 66

2.2.1

Rodzaje architektury sterowników PLC .......................................................................... 66

2.2.2

Funkcjonowanie sterownika PLC ................................................................................... 70

2.2.3

Sekwencja programu PLC .............................................................................................. 72

2.3

Podstawy techniki cyfrowej ............................................................................................. 73

2.3.1

Bit i bajt ........................................................................................................................... 74

2.3.2

Systemy liczbowe ........................................................................................................... 75

2.3.3

System binarny .............................................................................................................. 75

2.3.4

System heksadecymalny ................................................................................................ 77

2.3.5

System liczbowy BCD .................................................................................................... 78

2.3.6

Liczby całkowite .............................................................................................................. 80

2.3.7

Liczby zmiennoprzecinkowe ........................................................................................... 81

2.4

Operacje binarne ............................................................................................................ 82

2.4.1

Bramka AND ................................................................................................................... 83

2.4.2

Bramka OR ..................................................................................................................... 84

2.4.3

Negacja .......................................................................................................................... 85

2.4.4

Tożsamość ...................................................................................................................... 86

2.4.5

NAND (NOT-AND) .......................................................................................................... 87

2.4.6

NOR (NOT-OR) .............................................................................................................. 88

2.4.7

Inhibicja .......................................................................................................................... 89

2.4.8

Implikacja ........................................................................................................................ 90

2.4.9

Równoznaczność ........................................................................................................... 91

2.4.10 Kontrawalencja ............................................................................................................... 92

2.4.11 Pamięć ............................................................................................................................ 93

2.4.12 Algebra Boole’a .............................................................................................................. 95

2.5

Programowanie sterowników PLC .................................................................................. 97

2.5.1

Programowanie strukturalne ........................................................................................... 97

2.5.2

Deklaracja zmiennych .................................................................................................... 99

2.5.3

Instrukcje ...................................................................................................................... 100

2.5.4

Lista instrukcji STL ........................................................................................................ 101

2.5.5

Schemat drabinkowy LD ............................................................................................... 102

2.5.6

Schemat bloków funkcyjnych FBD ............................................................................... 103

2.5.7

Sekwencyjny schemat funkcyjny SFC .......................................................................... 104

2.5.8

Język tekstu strukturalnego ST .................................................................................... 105

2.5.9

Elementy czasowe ........................................................................................................ 106

2.5.10 Liczniki .......................................................................................................................... 107

2.5.11 Pamięć .......................................................................................................................... 108

2.5.12 Sekwencje .................................................................................................................... 109

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Napędy elektryczne .......................................................................................................111

3.1

Wstęp ............................................................................................................................111

3.2

Pola elektryczne i magnetyczne ....................................................................................112

3.2.1

Pole elektryczne ............................................................................................................112

3.2.2

Pole magnetyczne .........................................................................................................114

3.2.3

Indukcja .........................................................................................................................116

3.3

Podstawowe informacje o źródłach prądu elektrycznego ..............................................118

3.3.1

Wytwarzanie prądu ........................................................................................................118

3.3.2

Przesyłanie i dystrybucja prądu elektrycznego ..............................................................119

3.4

Transformatory ............................................................................................................. 120

3.4.1

Transformator idealny ................................................................................................... 120

3.4.2

Transformator rzeczywisty ............................................................................................ 122

3.5

Maszyny elektryczne o ruchu obrotowym ..................................................................... 124

3.5.1

Wstęp ........................................................................................................................... 124

3.5.2

Maszyny z wirującym polem magnetycznym ................................................................ 125

3.5.3

Moment i moc ............................................................................................................... 126

3.6

Silniki asynchroniczne .................................................................................................. 127

3.6.1

Wirnik klatkowy ............................................................................................................. 128

3.6.2

Jednofazowe silniki klatkowe ........................................................................................ 129

3.7

Silniki z komutatorem prądu ......................................................................................... 131

3.7.1

Podłączenia silników prądu stałego .............................................................................. 133

3.7.2

Silniki uniwersalne ........................................................................................................ 136

3.7.3

Awarie silników komutatorowych .................................................................................. 137

3.8

Inne typy silników ......................................................................................................... 138

3.8.1

Silniki synchroniczne .................................................................................................... 138

3.8.2

Silniki krokowe .............................................................................................................. 140

3.9

Sterowanie silnikami z wirującym polem ...................................................................... 142

3.9.1

Układy rozruchu dla silników trójfazowych .................................................................. 143

3.9.2

Sterowanie maszynami komutatorowymi ..................................................................... 148

3.10

Zabezpieczenia silników ............................................................................................... 150

3.10.1 Klasy materiałów izolacyjnych ...................................................................................... 152

3.10.2 Rodzaje pracy maszyn elektrycznych .......................................................................... 153

3.11

Bezpieczeństwo pracy .................................................................................................. 154

3.11.1 Środki zabezpieczenia .................................................................................................. 155

3.11.2 Zabezpieczenia przeciw awariom ................................................................................. 156

3.11.3 Kompatybilność elektromagnetyczna ........................................................................... 157

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.1

Wstęp

Podstawy elektrotechniki

Elektrotechnika obejmuje wszystkie technicze zastosowania właściwości

prądu elektrycznego jak i pól elektrycznych oraz magnetycznych.

Zastosowania te obejmują wytwarzanie energii elektrycznej, jej prze-

kazywanie i wykorzystywanie. Energia elektryczna nie jest używana

jedynie jako energia napędowa maszyn, lecz także wykorzystuje się ją w

pomiarach i technice sterowania. Jest również używana w komputerach,

a także do przesyłania informacji w inżynierii komunikacyjnej.

Niemożliwym jest wyobrazić sobie nowoczesną maszynę lub urządzenie

bez energii elektrycznej. Dlatego też ważne jest, aby mechanicy posiadali

podstawową wiedzę z zakresu działania elementów elektrycznych. W tym

także wiedzę na temat schematów obwodów elektrycznych.

Wiele modułów używa także innych form energii. Na przykład, wiele

elektrycznie sterowanych zaworów wprawia w ruch napędy mechaniczne

przy wykorzystaniu cieczy lub gazów.

Zasadniczo, napięcia zmienne powyżej 50 V lub napięcia stałe powyżej

120 V mogą wygenerować prądy niebezpieczne dla ludzkiego ciała.

Każdy powinien być zawsze świadom tego niebezpieczeństwa, które

grozi zdrowiu, a nawet życiu.

Aby pracować z niebezpiecznymi napięciami, wymagane jest specjalne

szkolenie a także odpowiednie zezwolenie na obsługiwanie rozdzielni.

Natomiast każdy może pracować z niskimi napięciami. Dlatego też,

napięcia stałe o wartości 24 V używane są podczas edukacyjnych eks-

perymentów praktycznych.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Elektrotechnika jest tradycyjnie dzielona na technikę wysokoprądową i

technikę niskoprądową. W dzisiejszych czasach, technikę wysokoprądo-

wą nazywa się techniką energetyczną i technologią napędów. Natomiast

technika niskoprądowa przekształciła się w inżynierię komunikacji.

Niektóre z pozostałych gałęzi elektrotechniki to technika pomiarowa i

technika regulacji. Elektronika także jest częścią elektrotechniki.

W wielu przypadkach nie istnieje konkrety podział pomiędzy pojedynczymi

obszarami elektrotechniki. Wzrastająca ilość zastosowań spowodowała

pojawienie się wielu nowych obszarów specjalizacji. W dzisiejszych

czasach, niemalże każdy proces i każde urządzenie jest albo zasilane

elektrycznie, albo ściśle zależne od wyposażenia i sterowania elektrycz-

nego.

1.1.1 Obszar zastosowania elektrotechniki

1.1.2 Energetyka i technika napędów

Kiedyś nazywana techniką wysokoprądową, dziś jest określana mianem

techniki energetycznej. Dotyczy ona wytwarzania, przekazywania i trans-

formacji energii elektrycznej. Technika wysokonapięciowa także należy

do techniki energetycznej.

Energia elektryczna jest na ogół generowana poprzez przemianę energii

mechanicznej w generatorach obrotowych. Również technika napędów,

które konsumują energię elektryczną, należy do techniki energetycz-

nej.

W przeszłości, technika napędów określana była techniką wysokoprą-

dową. Obejmuje ona maszyny elektryczne, które przetwarzają energię

elektryczną na energię mechaniczną.

Typowe urządzenia dla tej grupy to maszyny synchroniczne, maszyny

asynchroniczne, a także maszyny prądu stałego. W obszarze małych

napędów, istnieje także wiele innych rodzajów.

Dodatkowo, technika napędów obejmuje także rozwój silników liniowych,

które przetwarzają energię elektryczną bezpośrednio na liniowy ruch

mechaniczny. W takim przypadku nie ma potrzeby dodatkowej zamiany

ruchu obrotowego na ruch liniowy.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Technika automatyzacji pozwala na zautomatyzowanie i monitorowanie

jednego lub więcej kroków procesu. W tym przypadku zastosowanie

znajdują także techniki pomiarów, sterowania i regulacji. Dodatkowo, do

sterowania i regulacji przede wszystkim wykorzystywana jest technika

cyfrowa.

Technika regulacji jest jednym z kluczowych obszarów techniki automa-

tyzacji. Wiele systemów technicznych posiada regulację.

Niektóre z prostych zastosowań techniki automatyzacji w życiu codzien-

nym to regulatory temperatury w żelazkach elektrycznych i pralkach.

Bardziej złożona regulacja wymagana jest do sterowania robotami prze-

mysłowymi. Innym użyciem jest regulacja prędkości obrotowej silników.

Regulacja jest także stosowana w pojazdach silnikowych do sterowania

silnikiem i stabilnością podwozia. W przemyśle chemicznym różne pro-

cesy są regulowane za pomocą technik automatyzacji.

Różne obszary elektrotechniki częściowo się pokrywają i uzupełniają się

na wzajem. Wiele rodzajów ruchu z użyciem napędów elektrycznych jest

realizowane poprzez środki techniki automatyzacji, dlatego też, technika

napędów także jest w tym przypadku istotna.

Z drugiej strony, napędy wymagają sterowania i regulacji. Dlatego też,

elektronika jest bardzo istotna w technice napędów. Energoelektronika jest

często stosowana do zaopatrzania napędów elektrycznych w energię.

Dodatkowo, elektronika jest wymagana do redukcji wartości szytowych

obciążeń i optymalizacji poboru mocy.

1.1.3 Technika automatyzacji

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Projektowanie, produkcja i wdrażanie komponentów elektronicznych, ta-

kich jak kondensatory czy cewki, lub półprzewodniki jak diody i tranzystory,

zalicza się do obszaru elektroniki, która jest gałęzią elektrotechniki.

Mikroelektronika jest obszarem elektroniki, który zajmuje się projektowa-

niem i wytwarzaniem układów scalonych z półprzewodników. Układami

takimi mogą być elementy używane do prostych działań logicznych na

sygnałach, lecz także główne procesory komputerów i procesory kart

graficznych.

Energoelektronika ma wciąż rosnące znaczenie w obszarze techniki

napędów, wraz z rozwojem półprzewodników mocy. Dla przykładu,

falowniki częstotliwości dostarczają energię bardziej elastycznie niż

transformatory.

Technika cyfrowa także należy do elektroniki. Ten obszar zawiera kla-

syczne układy logniczne, które są w ostatnich czasach zbudowane z

tranzystorów. Technika cyfrowa iest podstawą wielu sterowań, co sprawia,

iż jest istotna dla techniki automatyzacji.

1.1.4 Elektronika

Technika komunikacji, wcześniej określana mianem techniki niskoprądo-

wej, nazywana jest także techniką informacji.

Głównym zadaniem techniki komunikacji jest przekazywanie informacji

za pośrednictwem impulsów elektrycznych lub fal elektromagnetycznych

z nadajnika do jednego lub wielu odbiorników.

Nadajniki i odbiornik są

także nazywane źródłami i drenami informacji.

Informacja powinna zostać przesłana możliwie bezstratnie. Polepsza to

rozpoznawanie informacji przez odbiorniki. Obszar elektrotechniki, który

dotyczy obróbki informacji przy dużych częstotliwościach, zwany jest

techniką wysokich częstotliwości.

Ważnym aspektem techniki komunikacji jest przetwarzanie sygnałów,

które zawiera filtrowanie lub nawet szyfrowanie i rozszyfrowywanie in-

formacji.

1.1.5 Technika komunikacji

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Początki elektrotechniki zaliczają się do obszaru fizyki, gdzie pierwsze

wynalazki dotyczące elektryczności, zostały wymyślone. Jednak elek-

trotechnika stała się osobną dziedziną nauki dzięki wysiłkom Thomasa

Alva Edisona i Wernera von Siemens’a.

W roku 1752 Benjamin Franklin wynalazł przewodnik wyładowań at-

mosferycznych. Opublikował rezultaty swoich eksperymentów w latach

1751-53.

W roku 1792 Luigi Galvani wykonał swój dobrze znany eksperyment

z kończynami żaby. Te eksperymenty zmotywowały Alessandro Voltę,

który skonstruował tak zwane ogniwo Volty, które stało się pierwszą

działającą baterią.

W roku 1820 Hans Christian Orsted wykonał eksperymenty z odchylaniem

igły magnetycznej za pomocą prądu elektrycznego.

Także w roku 1820 André Marie Ampère udowodnił, iż dwa przewodniki

działają na siebie siłą, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny. Był

też pierwszym naukowcem, który zdefiniował pojęcia napięcia i prądu

elektrycznego.

Istotny wkład w badanie pól elektrycznych i magnetycznych pochodzi od

Michael’a Faraday’a. On także stworzył koncepcję “linii siły”.

James Clerk Maxwell udoskonalił teorię elektromagnetyzmu o elektrody-

namikę poprzez sformuowanie matematyczne prac Faraday’a.

W 1864 Maxwell opublikował tak zwane równania Maxwell’a, które re-

prezentują jedno z podstawowych praw elektrotechniki.

W 1860 Philipp Reils wynalazł telefon w instytucie Garnier we Friedrichs-

dorf, umożliwiajac transmisję mowy za pomocą elektryczności. Jednak

jego wynalazek nie wzbudził specjalnego zainteresowania. Pierwszy

komercyjnie użyty i z sukcesem wprowadzony na rynek telefon został

skonstruowany w 1876 roku w USA przez Alexandra Grahama Bell’a.

1.1.6 Historia elektrotechniki

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Werner von Siemens jest uważany za pioniera tak zwanej techniki wy-

sokoprądowej. W roku 1866 opracował zasadę dynamoelektryczności

i skonstruował pierwszy generator elektryczny, który po raz pierwszy

dostarczał dużą, użyteczną ilość energii elektrycznej.

W roku 1879 Thomas Alva Edison wynalazł żarówkę z grafitowym żarni-

kiem, która pozwoliła na zaopatrzenie wielu domów w światło elektryczne.

Elektryczność zatem zaczęła być coraz silniej obecna w wielu obszarach

zycia codziennego.

W odróżnieniu od Edisona, który skoncentrował się na prądzie stałym,

Nikola Tesla i Michail von Dolivo-Dobrowolsky opracowali podstawy

napięcia zmiennego. Ich wynalazki stały się fundamentami dzisiejszych

systemów zaopatrzenia w energię elektryczną.

Pierwszy kurs nauczania o elektrotechnice odbył się w 1883 roku na

Uniwersytecie Technicznym w Darmstadt. Kurs trwał 4 lata i kończył się

egzaminem z inżynierii elektrotechnicznej.

Później pojedyncze katedry elektrotechniki zostały założone w 1885 i

1886 roku w Anglii na Uniwersytecie w Londynie i w USA na uniwersytecie

w Missouri. Inżynierowie absolwenci rozpowszechniali elektryfikację do

wielu nowych obszarów.

W roku 1884 Heinrich Rudolf Hertz odniósł sukces w udowodnieniu rów-

nań Maxwell’a eksperymentalnie. Potwierdził istnienie fal elektromagne-

tycznych i zdefiniował podstawy bezprzewodowej transmisji informacji.

Powstała zatem technika komunikacji.

W roku 1896 Guglielmo Marconi dokonał pierwszej na świecie transmisji

radiowej na dystansie 3 km. Jego praca stała się podstawą sprzętu do

transmisji i odbioru, który stał się dostępny na rynku po roku 1900.

Pierwsza lampa radiowa, dioda, została wynaleziona w roku 1905 przez

John’a A. Fleminga. Rok później Robert von Lieben i Lee De Forest

niezależnie od siebie skonstruowali triodę. Ta lampa wzmacniacza była

ważnym impulsem dla techniki radiowej.

John Logie Baird położył fundamenty pod telewizję w roku 1926.

Przy użyciu podstawowych materiałów skonstruował pierwszy

telewizor mechaniczny, działający na bazie tarczy Nipkowa.

W roku 1928 możliwa już była transmisja obrazu kolorowego. Pierwsza

transmisja telewizyjna przez atlantyk z Londynu do Nowego Jorku odbyła

się tego samego roku.

Manfred von Ardenne w roku 1931 opracował kineskop. Ta elektronicz-

na telewizja w krótkim czasie wyparła telewizję na bazie mechanicznej

tarczy Nipkowa.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Pierwszy działający komputer na świecie został skonstruowany przez

Konrada Zuse w roku 1942. Ten komputer oznaczany był symbolem Z3.

John Presper Eckert i John Mauchly stworzyli ENIAC w roku 1946. Ten

skrót oznacza Electronic Numerical Integrator and Computer (Elektro-

niczny Cyfrowy Komputer i Maszyna Całkująca).

Rozpoczęty wiek komputerów pozwolił na opracowanie zupełnie nowych

technologii przy użyciu wysokich mocy obliczeniowych. Umożliwiło to

wylądowanie na księżycu po raz pierwszy.

Tranzystor został wynaleziony w 1947 roku w laboratoriach Bell’a w

USA, przez Williama B. Schockley’a, Johna Bardeen’a i Waltera Brat-

tan’a. Przemysł półprzewodnikowy pozwolił na wyprodukowanie wielu

urządzeń w znacznie bardziej zwartej formie. Kolejnym ważnym krokiem

w tym kierunku był rozwój układów scalonych, a następnie dzisiejszych

mikroprocesorów.

Pierwszy robot przemysłowy został zbudowany w roku 1958 przez G. C.

Devol’a i J. Engelbergera w USA. Firma General Motors po raz pierwszy

używała tychże robotów w produkcji w roku 1960. W dzisiejszych cza-

sach, roboty przemysłowe stanowią istotną część techniki automatyzacji.

Stały się kluczowe w wielu obszarach przemysłu, na przykład przemysłu

motoryzacyjnego.

Mikroprocesor został zaprojektowany w roku 1968 przez Marciana Edwar-

da Hoffa w firmie Intel. Pierwszą realizacją mikroprocesora był Intel 4004,

czterobitowy procesor wykonany w roku 1969. Pierwszy ośmiobitowy

procesor, Intel 8080, pozwolił na zbudowanie pierwszego komputera

osobistego w roku 1973.

Płyta CD (Compact Disc), która jest istotnym medium przechowywania

danych cyfrowych, została wyprodukowana przez firmę Philips w roku

1978. Płyta z muzyką, Audio-CD powstała przy kooperacji firm Philips

i Sony w roku 1982. Przechowywanie danych cyfrowych na płycie CD-

ROM możliwe jest od roku 1985.

Pierwszy funkcjonujący robot humanoidalny na świecie, P2, został za-

prezentowany w roku 1996 przez firmę Honda. Jego następcą był P3

w 1997 roku. Rezultatem dalszego rozwoju stał się Asimo o wysokości

1,20 m. Masa robota Asimo to zaledwie 43 kg, podczas gdy masa P2

to 210 kog.

Te roboty humanoidalne reprezentują także interakcje pomiędzy ele-

mentami elektrotechnicznymi i elektronicznymi, z różnymi komponenta-

mi mechanicznymi. Kombinacja tych dwóch różnych obszarów wiedzy

nazywana jest mechatroniką.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.2.1 Ładunek elektryczny i napięcie

1.2

Napięcie, prąd i opór

Rys. 1:

Model atomu

Elektryczność jest rezultatem specyficznej struktury atomów. Według

modelu atomu Bohr’a, ujemnie naładowane elektrony orbitują wokół

dodatnio naładowanego jądra.

Każdy pierwiastek chemiczny ma inną ilość dodatnio naładowanych

protonów w jądrze atomowym. Neutrony, także będące składnikiem jądra

atomowego, nie posiadają ładunku elektrycznego. W normalnym stanie,

ilość elektronów orbitujących wokół jądra jest równa ilości protonów bę-

dących częścią tegoż jądra.

Rysunek poniżej przedstawia 14 elektronów, co odpowiada pierwiastkowi

chemicznemu krzemowi. Obserwowany zzewnątrz, atom jest elektrycznie

obojętny, ponieważ ładunki nawzajem się kompensują.

Jeśli zewnętrzne elektrony zostaną odłączone od atomu, dwa różne po-

tencjały zostaną stworzone. Pozostałe jądro atomowe jest naładowane

dodatnie i nazywane jest jonem. Elektrony są naładowane ujemnie.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Aby oddzielić zewnętrzne elektrony, musi zostać wykonana praca. Praca

ta jest zamieniana na napięcie elektryczne, które tworzy się pomiędzy

różnymi potencjałami po oddzieleniu.

Napięcie to we wzorach jest oznaczane poprzez literę U. Jednostka

miary to wolt [V]:

napięcie elektryczne = wykonana praca / rozdzielone ładunki

U = W / Q

Napięcie elektryczne na ogół nazywane jest po prostu napięciem.

Jednostką miary ładunku Q jest kulomb [C]. Najmniejszą wartością ładun-

ku jest ładunek jednostkowy e, który reprezentuje ładunek pojednyczego

elektronu. Ładunek jednostkowy wynosi:

e = 1,602 · 10

–19

Ładunki mogą zostać rozdzielone korzystając z różnych metod:

– Tarcie mechaniczne

Podczas pocierania różnych materiałów o siebie, część elektronów

może zostać oddzielona od jednego ciała i przetransportowana do

drugiego. Może się to stać na przykład podczas ocierania balonem

o sweter. Podczas kontaktu z ciałem metalicznym, różnica ładun-

ków zostanie zbalansowana, co na ogół powoduje nieprzyjemne dla

ludzkiego ciała wyładowanie elektryczne.

– Indukcja

W tym przypadku, cewka porusza się wewnątrz pola magnetyczne-

go. Cewka jest przewodnikiem elektrycznym, zatem napięcie może

zostać na niej wygenerowane. Indukcja jest technicznie wykorzysty-

wana w generatorach elektrowni, a także w samochodowych gene-

ratorach elektrycznych i dynamach rowerowych.

– Reakcja chemiczna

Rozdzielanie ładunków za pomocą procesów elektrochemicznych

znajduje zastosowanie przede wszystkim w bateriach i akumulato-

rach. Akumulatory mają zdolność do ponownego ładowania. Dlate-

go też uważane są za magazyny energii elektrycznej.

– Efekt elektroluminescencyjny

Wpływ światła, lub generalnie fal elektromagnetycznych, także

powoduje rozdzielanie ładunków. Efekt ten przede wszystkim wyko-

rzystywany jest w ogniwach słonecznych.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

– Wpływ ciśnienia

Przyłożenie ciśnienia do piezokryształów generuje napięcie elek-

tryczne. Napięcia te są bardzo wysokie i mogą zostać rozładowane

w formie iskier. Efekt ten wykorzystywany jest w zapalaczach do

gazu i w kieszonkowych zapalniczkach. Pomimo wysokich napięć

nie istnieje zagrożenie zdrowia z uwagi na niskie natężenia prądu.

– Wpływ ciepła

Napięcie może powstać pod wpływem ciepła na złączu dwóch

przewodników. Jednak wartości napięć w tym przypadku są bardzo

niskie. Efekt ten wykorzystywany jest do pomiaru temperatury za

pomocą termoelementów, na złączach miedzi i konstantanu.

Dodatkowo, rozdzielanie ładunków elektrycznych możliwe jest także w

polu elektrycznym.

Poniżej zebrano niektóre istotne wartości napięć baterii i akumulato-

rów:

1,2 V

akumulator niklowo-kadmowy (identyczny w konstrukcji

do baterii)

1,5 V

bateria cynkowo-węglowa (tanie baterie)

2,0 V

akumulator ołowiowy (akumulatory w samochodach)

3,7 V

akumulator litowo-jonowy (laptopy, telefony komórkowe)

W Europie napięcia są podzielone na trzy grupy, w zależności od war-

tości:

– Bardzo niskie napięcie

do 50 V napięcia zmiennego lub

120 V napięcia stałego

– Niskie napięcie

do 1000 V napięcia zmiennego lub

1500 V napięcia stałego

– Wysokie napięcie

powyżej 1000 V napięcia zmiennego lub

1500 V napięcia stałego

Poniżej podano inne istotne wartości napięć:

24 V

napięcie sterowania (np. PLC)

230 V

napięcie sieci w domach

500 V

tramwaj (napięcie stałe)

750 V

pociąg podmiejski w Berlinie (napięcie stałe)

15000 V

pociąg (napięcie zmienne)

380000 V

linie wysokiego napięcia (napięcie zmienne)

Różnice pomiędzy napięciem stałym i zmiennym zostaną szczegółowo

omówione w dalszej części książki.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.2.2 Prąd elektryczny

Rozdzielone ładunki dążą do skompensowania się nawzajem i ponow-

nego zbudowania obojętnych elektrycznie atomów. Ładunki zostają

wyrównane jak tylko różne potencjały zostaną połączone za pomocą

przewodnika elektrycznego.

Podczas wyrównywania ładunków, prąd elektryczny płynie przez prze-

wodnik. Wartość prądu jest określona przez ilość ładunku przepływają-

cego w jednostce czasu. Prąd elektryczny oznaczany jest symbolem I,

a jednostka miary to amper [A]:

prąd elektryczny = ładunek elektryczny / czas

I = Q / t

Amper jest jednostką podstawową w międzynarodowym systemie miar.

Amperosekunda [As] może także być używana jako jednostka miary

ładunku elektrycznego, obok kulomba [C]. Zatem:

1 As = 1 C

Ponieważ ładunek o wartości 1 As jest bardzo małą wielkością, prak-

tycznie wykorzystywaną jednostką miary ładunku jest amperogodzina

[Ah], gdzie:

1 Ah = 3600 As = 3600 C

Akumulator samochodowy dostarcza prąd o natężeniu 4 A przez 15

godzin. Ile wynosi dostarczony ładunek?

Q = I · t

Q = 15 godzin· 4 A

Q = 60 Ah

Ładunek elektryczny o wartości 60 Ah został pobrany z akumulatora.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

W technice, kierunek przepływu prądu jest z dodatniego do ujemnego bie-

guna źródła napięcia. Definicja ta pochodzi z czasów, gdy nie posiadano

konkretnej wiedzy na temat zachodzących procesów. Z punktu widzenia

fizyki, elektrony przemieszczają się z ujemnego do dodatniego bieguna.

Stara definicja nie została poprawiona ze względu na komplikacje z tym

związane.

Ciało ludzkie nie posiada zmysłu, któy mógłby odczuć przepływ prądu

elektrycznego. Dlatego też, urządzenia pomiarowe są wymagane do

wykrycia przepływu prądu. Przepływ może być także stwierdzony, gdy

pewne zjawiska zostaną zaobserwowane.

– Efekt cieplny

Gdy prąd płynie przez przewodnik, jest on nagrzewany. Efekt ten

jest z reguły nieporządany, ponieważ nagrzewanie oznacza straty

energii elektrycznej. Jednak efekt ten może zostać wykorzystany na

przykład w podgrzewaczach elektrycznych czy boilerach wodnych.

– Efekt magnetyczny

Gdy prąd elektryczny płynie przez przewodnik, wytwarzane jest

pole magnetyczne, które otacza ten przewodnik. Efekt ten jest

wykorzystywany w silnikach elektrycznych i w cewkach używanych

w przekaźnikach czy elektrozaworach. W tych przykładach, energia

elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną. Natomiast

nieporządana obecność pola elektromagnetycznego nazywana jest

zanieczyszczeniem elektromagnetycznym.

– Reakcja chemiczna

Gdy akumulator jest ładowany, energia elektryczna zamieniana jest

na energię chemiczną. Proces ten jest odwracany przy rozładowy-

waniu. Energia elektryczna jest także wykorzystywana do rozkładu

wody na wodór i tlen. Nazywa się to elektrolizą.

– Efekt świetlny

Przewodnik elektryczny w żarówce jest rozgrzewany do stanu świe-

cącego poprzez przepływający przez niego prąd, i emituje światło.

Gaz ochronny zapobiega spaleniu się przewodnika. W innych ele-

mentach oświetleniowych, na przykład w lampach wyładowczych,

zewnętrzne elektrony atomów i cząsteczek gazu są stymulowane

poprzez pole elektryczne i emitują światło.

– Efekt fizjologiczny

Prąd elektryczny może także wpływać na ludzkie ciało. Niskie prądy

wykorzystywane są w fizjoterapii jako prądy stymulujące. Zbyt wy-

sokie prądy powinny być za wszelką cenę unikane. Prądy o natęże-

niu pomiędzy 30 a 50 mA mają śmiertelny wpływ na ludzkie ciało.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.2.3 Opór elektryczny (Rezystancja elektryczna)

Gdy prąd płynie przez przewodnik, napotyka opór. Jedynie nadprzewod-

niki, które przestają stawiać opór przy temperaturach zbliżonych do zera

absolutnego, mogą przewodzić prąd bez rezystancji.

Opór zależny jest od materiału przewodnika. Oznacza się go literą R.

Rezystancja jest zdeterminowana opornością materiału [ρ], długością [l] i

polem przekroju [A] ciała, przez które przepływa prąd. Można ją obliczyć

za pomocą wzoru:

rezystancja = oporność · długość / pole przekroju przewodnika

R = ρ · l / A

Jednostka miary oporu to om [Ω]. Prawo Ohm’a definiuje zależność

pomiędzy napięciem, natężeniem prądu i rezystancją:

rezystancja = napięcie / prąd

R = U / I

Inaczej patrząc, rezystancja określa natężenie prądu, z jakim ładunki

przepływają przez przewodnik:

prąd = napięcie / rezystancja

I = U / R

Natężenie prądu wzrasta, gdy rośnie napięcie, lub gdy maleje opór.

Obwód elektryczny składa się z wielu komponentów. Przewodniki mają

bardzo niski opór, podczas gdy rezystancja odbiorników jest wysoka. Je-

żeli nie ma odbiorników w obwodzie elektrycznym, natężenie przepływu

prądu jest prawie nieskończenie duże. Stan ten określany jest jako zwar-

cie. Z powodu wysokich wartości prądu, przewodnik może ulec spaleniu,

jeżeli nie ma w obwodzie elementów zabezpieczających.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rezystancja ludzkiego ciała wynosi około 1000 Ω. Ile wynosi natężenie

prądu płynącego przez ciało przy napięciu 50 V?

I = U / R

I = 50 V / 1000 Ω

I = 50 mA

Przy 50 V płynie prąd o natężeniu 50 mA, który już jest niebezpieczny dla

życia. Napięcia wyższe niż 50 V są uważane za niebezieczne dla życia,

pomimo dodatkowej rezystancji skóry.

Przykład

1.2.4 Opór właściwy (Rezystywność elektryczna)

Opór (rezystancja) pewnego materiału zależy od jego oporu właściwego

(rezystywności elektrycznej). Rezystywność w formułach oznaczana jest

symbolem ρ. Jej jednostką miary jest Ωm. Jednostka [Ωmm

/m] także

może być używana.

Rezystywność może być obliczana korzystając z poniższego wzoru:

rezystywność = rezystancja · pole przekroju / długość przewodnika

= R · A / l

Wartość odwrotna rezystywności nazywana jest konduktywnością (prze-

wodnością).

Rezystywność zależy od temperatury materiału. Opór metalicznego prze-

wodnika wzrasta, wraz ze wzrostem temperatury. Wartości rezystywności

w tabelach porównawczych podawane są przy temperaturze 20 °C.

Wartości oporu właściwego w innych temperaturach mogą być obliczone

korzystając ze współczynnika temperaturowego.

Poniżej podano przykładowe wartości rezystywności dla różnych mate-

riałów w temperaturze 20 °C, podane w [Ωmm

/m]:

Aluminium

0,0278

Miedź

0,0175

Srebro

0,0159

Grafit

8,0

Krzem

640 · 10

Porcelana

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Przykład

1.3

Moc elektryczna i praca

Moc elektryczna jest iloczynem napięcia i prądu elektrycznego. Jej sym-

bolem jest P, a jednostką miary wat [W].

moc elektryczna = napięcie · prąd

P = U · I

Dana jest żarówka 230-woltowa o mocy 60 W. Ile wynosi natężenie prądu,

który płynie przez tę żarówkę?

I = P / U

I = 60 W / 230 V

I = 0,26 A

Natężenie prądu wynosi 0,26 A.

Moc elektryczna jest niezależna od czasu. Pracę elektryczną otrzymuję

się mnożąc moc przez czas. Praca oznaczana jest literą W. Jej jednostka

miary to watosekunda [Ws].

praca elektryczna = moc · czas

W = P · t

W = U · I · t

Jednostka miary dżul [J] może być używana zamiast [Ws]. Praca o war-

tości jednego dżula to bardzo mała ilość. Dlatego też często korzysta się

z jednostki o nazwie kilowatogodzina [kWh].

1 kWh = 3 600 000 J

Podobnie jak w mechanice, praca ma tę samą jednostkę, co energia.

Grzejnik konsumuje 2200 W i pracuje przy napięciu 230 V. Jakie ma

zapotrzebowanie na energię w ciągu 24 godzin?

W = P · t

W = 2200 W · 24 h

W = 52 kWh

Jego zapotrzebowanie na energię przez 24 godziny to 52 kWh.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.4

Obwód elektryczny

Jeżeli oba bieguny źródła napięcia zostaną połączone, popłynie prąd,

aż do uzyskania równowagi ładunków. W przypadku bardziej skompli-

kowanych połączeń pomiędzy biegunami, prądy rozdzielą się a napięcia

zostaną podzielone w różny sposób.

Gustav Robert Kirchhoff zdefiniował dwa prawa, oznaczane jego nazwi-

skiem, które opisują relacje pomiędzy różnymi prądami i napięciami w

obwodach elektrycznych.

Pierwsze prawo Kirchhoff’a nazywane jest także prądowym prawem

Kirchhoff’a. Mówi ono, iż w węźle elektrycznym, suma wchodzących

prądów jest równa sumie wychodzących.

Jeżeli wchodzącym i wychodzącym prądom przyporządkuje się odwrot-

ne znaki, można powiedzieć, że suma wszystkich prądów w węźle jest

równa zero:

+ I

= I

+ I

lub:

+ I

– I

= 0

Prawo prądowe może być wykorzystane przy każdym rozgałęzieniu

obwodu elektrycznego.

Rys. 2:

Węzeł elektryczny

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 3:

Obwód elektryczny

Drugie prawo Kirchhoff’a jest także nazywane napięciowym prawem

Kirchhoff’a. Mówi ono, iż w obwodzie bez rozgałęzień, suma źródeł na-

pięcia jest równa sumie spadków napięcia.

Innymi słowy, suma wszystkich napięć w obwodzie elektrycznym bez

rozgałęzień jest równa zero. Należy uwzględnić, iż chodzi o spadki napięć

na rezystancjach, ponieważ one właśnie zużywają napięcie.

+ U

= R

· I + R

· I

lub:

+ U

– R

· I – R

· I = 0

Spadki napięć na rezystancjach mogą być wyliczone korzystając z prawa

Ohm’a:

U = R · I

Akumulator ołowiowy w samochodzie składa się z sześciu osobnych

ogniw, każde 2 V, połączonych szeregowo. Jaka jest całkowita wartość

napięcia?

tot

= 6 · 2 V

tot

= 12 V

Całkowita wartość napięcia w akumulatorze wynosi 12 V.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.4.1 Połączenia równoległe i szeregowe

Do obwodów elektrycznych z równoległymi i szeregowymi podłączenia-

mi zaliczają się obwody z wieloma odbiornikami, takimi jak żarówki, czy

cewki przekaźników lub zaworów. W takich przypadkach, napięcia i prądy

rozdzielane są w ukadzie według praw Kirchhoff’a.

Na przykład, kilka szeregowo połączonych żarówek. Przez wszystkie

płynie prąd o tej samej wartości. Jeżeli któreś z żarówek mają taką samą

rezystancję, spadek napięcia na nich także będzie taki sam.

W przypadku różnych wartości rezystancji, spadek napięcia na elemen-

cie o niższym oporze jest mniejszy, niż na elemencie o wyższym. Suma

wszystkich spadków napięć jest równa wartości napięcia dostarczanego

przez źródło.

W przypadku szeregowego podłączenia kilku odbiorników, odbiorniki po-

winny mieć odpowiednie spadki napięć. Na przykład, jeżeli 24 V żarówki

zostaną podłączone szeregowo ze źródłem napięcia 24 V jak na rysunku

poniżej, nie będą się świecić, lub zaświecą się bardzo delikatnie.

12V

24V

+
–

Rys. 4:

Połączenie szeregowe

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

24V

+
–

Rys. 5:

Podłączenie równoległe

Dlatego też, każda ścieżka prądowa powinna standardowo zawierać

jeden odbiornik, sterowany przy użyciu jednego lub więcej przełączników

czy przycisków.

Jednak, ścieżki prądowe mogą także zawierać ukryte odbiorniki. Zużyte

styki przełączników mogą powodować spadki napięć spowodowane wy-

soką rezystancją. W takim przypadku, rzeczywisty odbiornik otrzymuje

jedynie część napięcia źródła. Może to także prowadzić do nieprawidłowej

pracy.

W równoległym połączeniu z dwoma żarówkami o równych wartościach

rezystancji, prąd rozdziela się na dwa równe prądy częściowe. To samo

napięcie, podawane przez źródo, zasila obie żarówki.

Jeżeli kilka odbiorników z różnymi wartościami oporu zostanie równolegle

podłączonych ze sobą, prąd główny rozdzieli się na prądy częściowe o

różnych wartościach. Prąd płynący przez odbiornik o najwyższym oporze

ma mniejsze natężenie od prądu płynącego przez niższy opór. Poje-

dyncze wartości prądu mogą być wyliczone korzystając z praw Ohm’a

i Kirchhoff’a.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Całkowity opór w podłączeniach szeregowych równy jest sumie pojedyn-

czych wartości rezystancji:

tot

= R

+ R

Natomiast całkowity prąd w połączeniu równoległym równy jest sumie

prądów odgałęzień:

tot

= I

+ I

Całkowita rezystancja w podłączeniach równoległych może zostać ob-

liczona następująco:

1/R

tot

= 1/R

+ 1/R

Przykład

Żarówka o napięciu 6 V ma zostać zainstalowana w ciężarówce. Cięża-

rówka ma tylko jedno źródło napięcia o wartości 24 V. Rezystancja po-

winna zatem zostać podłączona szeregowo, aby zabezpieczyć żarówkę

przed spaleniem. Prąd płynący przez żarówkę powinien być równy 3 A.

Jaka powinna być wartość oporu rezystora podłączonego szeregowo?

Przy 6 V opór żarówki jest równy:

= U / I

= 6 V / 3 A

= 2 Ω

Aby uzyskać wartość prądu 3 A przy napięciu 24 V, całkowita rezystancja

powinna mieć następującą wartość:

tot

= U / I

tot

= 24 V / 3 A

tot

= 8 Ω

Rezystancja dołączona szeregowo może teraz zostać obliczona z cał-

kiowitej rezystancji i rezystancji żarówki:

tot

= R

+ R

= R

tot

– R

= 8 Ω – 2 Ω

= 6 Ω

Opornik podłączony szeregowo powinien mieć wartość rezystancji 6 Ω.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Aby zmierzyć napięcie, urządzenie pomiarowe powinno zostać podłą-

czone równolegle do źródła napięcia. Spadek napięcia na pojedynczym

odbiorniku w obwodzie elektrycznym jest mierzony poprzez podłączenie

urządzenia pomiarowego równolegle do tego odbiornika.

Część całościowego prądu przepłynie przez gałąź z urządzeniem pomia-

rowym. Prąd ten powinien byc możliwie najniższy, aby zminimalizować

zmianę w przepływie prądu przez odbiornik. Może być to osiągnięte

poprzez wysoką rezystancję urządzenia pomiarowego.

Aby zmierzyć różne wartości napięć, właściwy przyrząd pomiarowy powi-

nien mieć relatywnie niską rezystancję. Podłączanie dodatkowych oporów

równolegle do niego pozwala dostosowywać całkowitą rezystancję do

potrzeb konkretnego pomiaru.

Skala pomiarowa jest na ogół dopasowywana za pomocą przełącznika ob-

rotowego. Generalnie, pomiary powinny być dokonywane w górnej jednej

trzeciej skali pomiarowej. Dlatego też, podczas pomiarów niewiadomych

napięć, skala pomiarowa dla wysokich napięć powinna zostać użyta jako

pierwsza, następnie powinna być zmniejszana w równych odstępach, aż

do uzyskania jej minimalnej wartości dla konkretnego pomiaru.

Urządzenia do pomiaru napięcia nazywane są także woltomierzami.

1.4.2 Podłączanie urządzeń pomiarowych

+
–

Rys. 6:

Podłączanie urządzeń pomiarowych

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Aby zmierzyć przepływający prąd, urządzenie pomiarowe powinno być

podłączone szeregowo z linią, na której wykonywany jest pomiar. Urzą-

dzenie to musi mieć bardzo mały opór, aby pozwolić przepłynąć prądowi

praktycznie bez zmian.

Urządzeniem do pomiaru prądu jest amperomierz. Amperomierze uży-

wane do pomiaru wysokich prądów zmiennych na ogół wyposażone są

w szczypce. Dzięki temu, prąd może zostać zmierzony bez rozłączania

przewodów, jedynie podpinając do nich ampieromierz za pomocą szczy-

piec.

Urządzenia do pomiaru zarówno napięcia, jak i prądu, nazywane są

multimetrami. Zakres pomiarowy multimetru może być dostosowywany

do różnych pomiarów poprzez dołączanie dodatkowych oporników.

Gdy mierzone są napięcia, zmienne rezystancje podłącza się szeregowo

z urządzeniem pomiarowym. W przypadku pomiarów prądu, dodatkowe

rezystance podłączone są równolegle.

Multimetr powinien być używany bardzo ostrożnie. Przy pomiarze napięcia

nie można omyłkowo ustawić go na prądowy zakres pomiarowy. W takim

przypoadku przez małą rezystancję przeznaczoną do pomiaru prądu

popłynie wysoki prąd, który spali bezpieczniki, a także może zniszczyć

urządzenie.

Rys. 7:

Multimeter

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Aby zmierzyć opór elementu, powinien on zostać odłączony od obwodu

elektrycznego. Urządzenia do pomiaru rezystancji nazywane są omo-

mierzami.

Nowoczesne multimetry wyposażone są w ekran cyfrowy. Niektóre z nich

mogą być także użyte do pomiaru innych wielkości elektrycznych.

1.5

Napięcie stałe

Rys. 8:

Napięcie stałe

Napięcie stałe ma stałą amplitudę. Polaryzacja źródła napięcia także nie

ulega zmianom. Prąd może płynąć jedynie przy napięciu stałym.

Napięcie stałe może być generowane przy pomocy ogniw galwanicznych,

baterii i akumulatorów. Ogniwa słoneczne także dostarczają napięcie

stałe. Natomiast generatory produkują napięcie zmienne. Jedynie przy

pomocy obwodu komutatora można wygenerować pulsujące napięcie

ze źródła napięcia stałego.

Znak równości używany jest jako skrócony symbol napięcia stałego. Na

przykład, 24 V= oznacza napięcie stałe o wartości 24 woltów.

Prąd stały może być także oznaczany literami DC.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.6

Napięcie zmienne

Rys. 9:

Napięcie zmienne

Napięcia stałe na ogół mają niską wartość. Większość systemów stero-

wania działa przy stałym napięciu 24 V. W samochodach używane jest

napięcie stałe 12 V.

Wadą napięć stałych jest brak możliwości przesyłu dużych ilości energii.

Aby przetransportować dużą ilość energii, napięcie musi być bardzo duże,

aby zapobiec przepływowi zbyt dużych prądów. Jednak trudno zwiększyć

wartość napięcia stałego.

Dlatego też, napięcie zmienne używane jest dla wysokich zakresów na-

pięć. Napięcie zmienne ma okresowo zmienną amplitudę i polaryzację.

Może być z łatwością transformowane do wysokich lub niskich wartości

za pomocą transformatorów.

Możliwe jest zwiększenie napięcia na liniach przesyłowych do bardzo

wysokich wartości. Gdy pewna ilość mocy jest przesyłana przy tak wy-

sokim napięciu, wartość przepływającego prądu jest dużo niższa niż przy

niskich napięciach. Dlatego też, straty mocy spowodowane rezystancją

linii są obniżone.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Napięcie zmienne na ogół ma postać sinusoidalną. Jednak możliwe

są także napięcia zmienne o fali w kształcie piły, fali trójkątnej lub fali

prostokątnej.

W przypadku napięć zmiennych, wartość czynna napięcia jest zwykle

podawana, a nie wartość szczytowa. Wartość czynna sinusoidalnie

zmiennego napięcia może zostać obliczona w następujący sposób:

wartość czynna = wartość szczytowa / √2

eff

= U

/ √2

Napięcie zmienne w domach ma wartość efektywną 230 V. Ile wynosi

wartość szczytowa napięcia?

eff

= U

/ √2

= U

eff

· √2

= 230 V · √2

= 325 V

Wartość szczytowa napięcia zmiennego w domach to 325 V.

Skróconym symbolem napięcia zmiennego jest tylda. Na przykład, 230

V~ jest oznaczeniem prądu zmiennego używanego w domach. Jego

wartość czynna to 230 wolt.

Polaryzacja napięcia zmiennego zmienia się okresowo. Prędkość tej

zmiany jest nazywana częstotliwością. We wzorach oznacza się ją literą

f, a jej jednostką miary jest herc [Hz]. Częstotliwość równa 1 Hz oznacza

jeden kompletny cykl na sekundę.

W Europie, częstotliwość prądu zmiennego w sieci wynosi 50 Hz, nato-

miast w Ameryce Północnej - 60 Hz. Sieć kolejowa w Niemczech działa

przy częstotliwości prądu zmiennego o wartości 16 2/3 Hz.

Prąd zmienny jest także oznaczany literami AC.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Prawo Ohm’a jest generalnie poprawne także dla napięcia zmiennego.

Jednak należy także uwzględnić charakterystyki cewek i kondensato-

rów.

Przy napięciach stałych, spotyka się jedynie rezystancje. Natomiast

elementy indukcyjne i pojemnościowe w przypadku działania napięcia

zmiennego, charakteryzują się dodatkowymi oporami, zwanymi odpo-

wiednio reaktancją indukcyjną i reaktancją pojemnościową.

W związku ze zjawiskiem samoindukcji, w cewkach generowana jest siła

elektromotoryczna. Działa ona przeciwnie do przepływu prądu. Zjawisko

to określa się jako reaktancja indukcyjna. Sprawia to, iż prąd rośnie z

fazowym opóźnieniem o kąt ϕ. W przypadku bezstratnej cewki, napięcie

wyprzedza prąd o 90°.

Jednostka miary indukcyjności L cewki to henry [Vs/A].

Gdy napięcie zostanie przyłożone na kondensator, prąd popłynie do

momentu naładowania kondensatora. Gdy to nastąpi, pełne napięcie

źródła występuje pomiędzy okładkami kondensatora.

Napięcie zmienne powoduje ciągłe przeładowywanie kondensatora.

Dlatego też, prąd płynie zanim napięcie w pełni narośnie. W przypadku

bezstratnego kondensatora, prąd wyprzedza napięcie o 90°.

Pojemność kondensatora podaje się w faradach [F].

Generalnie, obliczenia mocy i pracy w przypadku napięć zmiennych

wyglądają podobnie, jak w przypadku napięć stałych. Jednak jedynie w

przypadku czystych rezystancji. Należy jedynie używać wartości efek-

tywnych.

W przypadku obwodów zawierających cewki (silniki, elektromagnesy itp.)

lub kondensatory, należy uwzględnić ich właściwości. Indukcyjności i po-

jemności powodują przesunięcie w fazie pomiędzy napięciem i prądem,

dlatego też wartości szczytowe napięcia i punkty przegięcia przebiegu

prądu nie występują równocześnie.

Iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu nazywany jest mocą po-

zorną:

moc pozorna = napięcie skuteczne · prąd skuteczny

S = U · I

Jednostą miary mocy pozornej jest [VA].

1.6.1 Obciążenia indukcyjne i pojemnościowe

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

moc czynna

moc bierna

moc pozorna

Rys. 10:

Moc czynna i pozorna

Moc pozorna jest większa niż moc właściwa. Różnicę określa współ-

czynnik mocy ϕ. Wartość ta widnieje na tabliczkach znamionowych wielu

silników i maszyn elektrycznych.

Właściwa wartość mocy jest określana jako moc czynna. Może ona zostać

obliczona korzystając z poniższego wzoru:

moc czynna = napięcie skuteczne · prąd skuteczny· cos ϕ

P = U · I · cos ϕ

Wartość mocy skutecznej podawana jest w watach [W].

Różnica pomiędzy mocą pozorną i mocą skuteczną jest nazywana mocą

bierną Q. Jej jednostką miary jest [Var].

Dzięki współczynnikowi mocy ϕ jasne jest, iż mocy pozornej nie da się

obliczyć poprzez zwykłe dodanie wartości mocy czynnej i biernej. Wy-

magane jest dodawanie geometryczne, gdzie wartości mocy czynnej i

mocy biernej są do siebie prostopadłe. Moc pozorną określa przeciw-

prostokątna tego trójkąta.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Silnik elektryczny posiada współczynnik mocy cos ϕ = 0,85. Silnik pobiera

wartość skuteczną prądu równą 3,5 A z sieci prądu zmiennego o napięciu

230 V. Oblicz wartości mocy czynnej i biernej.

P = U · I · cos ϕ

P = 230 V · 3,5 A · 0,85

P = 684,25 W

Wartość czynna mocy wynosi 684,25 W.

Kosinus kąta równy 0,85 odpowiada kątowi o wartości 31,79°. Sinus tej

wartości równy jest 0,527. Można zatem obliczyć wartość mocy biernej

w następujący sposób:

Q = U · I · sin ϕ

Q = 230 V · 3,5 A · 0,527

Q = 224,2 Var

Moc bierna jest równa 224,2 Var. Jej obliczenie jest także możliwe ko-

rzystając z twierdzenia Pitagorasa.

Dla napięć zmiennych rezystancje oznaczane są podobnie do mocy.

Całkowita rezystancja, uwzględniając rezystancje aktywne (omowe) oraz

reaktancje, jest nazywana impedancją.

Aby dodać do siebie rezystancje omowe i rezystancje reaktywne (re-

aktancje), ich wektory powinny także zostać ustawione prostopadle

do siebie. Kąt ϕ definiuje stosunek rezystancji omowych do reaktancji.

Rezystancja omowa może zostać pominięta przy bardzo dużych warto-

ściach kąta ϕ.

Jednak nie może istnieć czysta reaktancja, ponieważ obwody elektryczne

nie mogą być wolne od strat. Reaktancje zawsze występują w kombi-

nacji z rezystancjami omowymi, które są odpowiedzialne za wyzwalanie

mocy.

Poniżej znajdują się przykłady elementów z rezystancją omową i reak-

tancją indukcyjną:

– silniki,

– transformatory,

– lampy fluorescencyjne i lampy wyładowcze ze statecznikiem lub

bez kompensacji.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Natomiast poniżej wymienione zostały przykłady elementów z rezystan-

cją omową i reaktancją pojemnościową:

– przełączające źródła zasliania (na przykład w komputerach)

– falowniki

Generatory mocy na ogół mają trzy zwoje przesunięte względem sie-

bie o 120°, które używane są do generowania napięcia zmiennego. W

ten sposób generowane są trzy osobne napięcia. Każde napięcie jest

przesunięte o jedną trzecią cyklu w stosunku do pozostałych napięć

zmiennych.

Trójfazowy prąd zmienny jest także nazywany prądem obrotowym. Małe

odbiorniki mogą wykorzystywać pojedynczą fazę prądu trójfazowego.

Duże silniki wykorzystują wszystkie trzy fazy prądu obrotowego.

Wiele zaworów w technice sterowania przełączanych jest za pomocą

cewek elektromagnetycznych. Cewki te mogą być zasilane napięciami

stałymi lub zmiennymi.

Cewki zasilane napięciem zmiennym, obok rezystancji generują także

reaktancję, dlatego też powinny być zasilane wyższym napięciem. Na

przykład, cewka przeznaczona na napięcie zmienne o wartości 48 V,

może być zasilana prądem stałym o wartości nie przekraczającej 24

Jeżeli na wyżej wspomnianą cewkę podane zostałoby napięcie stałe

o wartości 48 V, popłynąłby przez nią prąd o większym natężeniu,

ponieważ nie występują reaktancje. Spowodowałoby to nadmierne na-

grzewanie się cewki elektromagnetycznej. Dlatego, można ją w takim

przypadku załączać jedynie na krótki czas.

Dodatkowo, reaktancja indukcyjna zależy od częstotliwości. Dlatego

też, cewka elektromagnetyczna w amerykańskiej sieci energetycznej

pracującej z częstotliwością 60-ciu herców, ma wyższą reaktancję niż

w sieci europiejskiej, o częstotliwości 50 Hz.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.7

Opisywanie obwodów elektrycznych

Komponenty obwodu elektrycznego nazywa się osprzętem elektrycznym.

Litera kodująca używana jest do oznaczenia rodzaju komponentu. Znak

minus może być umieszczany przed literą kodową.

Odmienne bloki opisowe stosowane są dla urządzeń. Poprzedzane są

one przez znak równości (=). Opis położenia instalacji poprzedzany jest

przez plus (+).

Porty komponentów także mogą być opisane. Opisy takie poprzedzane

są przez dwukropek (:). Na przykład, porty cewki przekaźnika mogą być

opisane za pomocą symboli :A1 i :A2.

Poniżej podano parę ważniejszych liter kodowych dla osprzętu elek-

trycznego:

A jednostki (wzmacniacze, przetworniki)

B przetworniki wielkości nieelektrycznych na elektryczne (przełączniki

krańcowe, czujniki ciśnienia i inne)

F osprzęt zabezpieczający (bezpieczniki lub przekaźniki ochronne)

H sygnalizatory (optyczne lub akustyczne urządzenia sygnalizujące)

K przekaźniki (także przekaźniki czasowe i styczniki)

M silniki

P urządzenia pomiarowe

S przełączniki (przełączniki wyboru, przyciski)

X terminale, łączniki (terminale listwowe, wtyczki rozdzielające)

Y osprzęt mechaniczny sterowany elektrycznie (cewki elektromagne-

tyczne)

Osprzęt elektryczny jest zawsze przedstawiany w stanie nieaktywności,

bez podanego napięcia. Wyjątkiem są mechaniczne elementy przełą-

czające.

Obwody w elektrotechnice są opisywane graficznie za pomocą schema-

tów. Podczas ich tworzenia, rzeczywiste położenie elementów nie jest

brane pod uwagę. Schematy te są abstrakcyjną reprezentacją funkcji

elektrycznych i charakterystyk prądowych.

Schematy są tworzone na początku procesu projektowania urządzenia

lub jednostki elektrycznej. Będą także wymagane później przy utrzymaniu

i inncy pracach serwisowych. Schematy należą do dokumentacji doty-

czącej funkcjonalności, zgodnej z normą DIN EN 61082.

1.7.1 Osprzęt elektryczny

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 11:

Przykłady komponentów elektrycznych

Oznaczenie literowe jest umieszczane po lewej stronie lub poniżej sym-

bolu komponentu. Oznaczenia portów są umieszczane po stronie prawej

lub powyżej portu.

Poniżej podano kilka przykładów oznaczeń portów:

porty przekaźników

:A1 and :A2

porty sygnalizatorów

:X1 and :X2

porty terminali

:1, :2, itd.

porty silników elektrycznych :u, :v, :w

Dodatkowa litera może zostać umieszczona na prawo od numeru porząd-

kowego w symbolu komponentu, aby przekazać dodatkowe informacje

o jego funkcji.

Dodatkowymi literami mogą być:

Funkcja czasowa

Funkcja uzupełniająca

Funkcja główna

Funkcja zliczania

-K1

-H1

-K1T

:A1

:A2

:X1

:X2

:A1

:A2

przekaźnik

przekaźnik czasowy

lampka sygnalizacyjna

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

400 VAC 50 Hz

-F1...F3

-K1

-F4

-M1

3 AC

230 VAC 50 Hz

-F5

-F4

-S0

-S1

-K1

Rys. 12:

Schemat przepływu prądu, rozdzielona reprezentacja

1.7.2 Schematy

Różne komponenty elekryczne umieszczane są na schematach. Sche-

mat wyjaśnia relacje między pojedynczymi komponentami. Przedstawie-

nie szczegółowych schematów elektrycznych za pomocą pojedynczych

elementów nazywane jest także schematem przepływu prądu.

W schematach przepływu prądu z rozdzieloną reprezentacją, główny

obwód elektryczny oddzielony jest od obwodu sterującego. Słupki ma-

gistrali, reprezentujące różne potencjały, rysowane są w górnej części

w formie linii poziomych.

Oznaczenie każdego słupka magistrali jest umieszczane po lewej stronie

linii. Wartość napięcia podawana jest nad słupkami magistrali.

Pojedyncze ścieżki prądu ustawione są pionowo. Kierunek przepływu

prądu to góra-dół. Odbiorniki ustawione są na dole.

Zarówno rzeczywiste położenie pojedynczych komponentów, jak i re-

lacje pomiędzy częściami strukturalnymi, nie są brane pod uwagę przy

tworzeniu tych schematów.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 13:

Schemat przepływu prądu, reprezentacja łączna

400 VAC 50 Hz

-F1...F3

-F4

-M1

3 AC

-F5

-S0

-K1

-S1

Schematy przepływu prądu używane są do projektowania i do uprasz-

czania obwodów. Są natomiast mniej przydatne przy podłączaniu i

okablowywaniu obwodu.

W schematach przepływu prądu z łączną reprezentacją, główny obwód

elektryczny rysowany jest razem z obwodem sterowania.

Części, które należą do konkretnego komponentu, oznaczane są w

formie połączonej. Linie kreskowe reprezentują połączenia mecha-

niczne.

Dlatego też, rzeczywiste umiejscowienie komponentów także nie jest

brane pod uwagę.

Taka reprezentacja na ogół jest mniej jednoznaczna. Dlatego też, jest

używana jedynie w prostych schematach. Jednym z obszarów zasto-

sowań jest reprezentacja schematów samochodowych.

Schemat przepływu prądu z łączną reprezentacją jest także określany

jako schemat działania.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 14:

Schemat przepływu prądu, schemat obwodu

-F1...F3

-F4

-M1

3 AC

-K1

Schemat obwodu jest uproszczoną wersją schematu przepływu prądu.

W tym przypadku, wielożyłowe połączenia oznaczane są za pomocą

tylko jednej linii.

Linie równoległe łączone są graficznie, aby zredukować ich ilość.

Ilość linii równoległych jest oznaczana za pomocą kreski przecinającej i

liczby. Takie oznaczenie jest używane przede wszystkim na schematach

z wieloma 3- lub 5-biegunowymi liniami trójfazowymi.

W złożonych systemach, pozwala to na ukazanie jedynie najważniej-

szych połączeń pomiędzy pojedynczymi komponentami.

Schematy obwodów wykorzystywane są przede wszystkim w technice

instalacji i zaopatrzenia w energię.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 15:

Schemat przepływu prądu, schemat podłączeń urządzenia

-K1

-F4

A1 2 4 6 14

1 3 4 95

A2 1 3 4 12

2 4 6 96

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

-X1

W schemacie okablowania urządzenia, komponenty są przedstawiane w

zależności od okablowania. Pojedyncze elementy strukturalne są ozna-

czane jako całość. Wszystkie wewnętrzne podłączenia pojedynczego

elementu strukturalnego nie są osobno przedstawiane.

Dalsze schematy, takie jak schematy ułożenia kabli, schematy podłą-

czeń i listy kabli także należą do schematów okablowania urządzenia.

Umiejscowienie terminali także powinno być pokazane.

Istnieją także inne plany i schematy, używane w elektrotechnice, takie

jak schematy blokowe, schematy funkcyjne i schematy rozmieszczeń.

Schematy przepływu czasu mogą być użyte do monitorowania okreso-

wych zmian w obwodzie.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Sygnały są generowane za pomocą elementów sterowania. Możliwe

jest też generowanie ich za pomocą przełączników zbliżeniowych lub

przetworników wejść.

Elektryczny system sterowania jest zarządzany za pomocą przełączni-

ków i przycisków. Przyciski samodzielnie powracają do swoich pozycji

wyjściowych po aktywacji, podczas gdy przełączniki sterujące pozostają

w pozycji aktywnej, a powracają do pozycji wyjściowej jedynie po po-

nownym użyciu.

Przyciski są sklasyfikowane w zależności od konfiguracji konstrukcyjnych

jednostek sterujących, na przyciski wciskowe, przyciski wyboru, z, lub

bez oznaczonej pozycji, przyciski grzybkowe, przyciski dłoniowe, z, lub

bez blokowania i odblokowania poprzez obrót, i przyciski obsługiwane

kluczem.

Jednostki sterujące są podzielone ze względu na ich funkcję w elek-

trycznym systemie sterowania, na przyciski zwierające, rozwierające i

przełączające.

Styki przycisku lub przełącznika, które są łączone podczas aktywacji

przycisku, nazywane są stykami normalnie rozwartymi (NO - Normally

Open), podczas gdy styki normalnie zwarte (NC - Normally Closed),

przerywają obwód podczas aktywacji przycisku.

Połączeniem przycisku zwierającego i rozwierającego, ze wspólnym

stykiem środkowym, jest przycisk przełączający. Styki tego przycisku są

wykorzystywane do przełączania pomiędzy dwoma obwodami elektrycz-

nymi. Przyciski te mogą być także użyte jako zwierające czy rozwierające,

jeżeli nastąpi taka potrzeba.

Styki przycisku rozwierającego są oznaczone cyframi 1 i 2. Styki przycisku

zwierającego mają oznaczenia 3 i 4.

Środkowy styk przycisku przełączającego jest oznaczony cyfrą 1. Cyfra

2 wskazuje styk zwierany, a 4 wskazuje styk rozwierany.

Przycisk lub przełącznik typu aktywującego jest oznaczany symbolami

połączonymi ze stykami linią przerywaną.

Specjalnym typem przełącznika jest przełącznik stopu awaryjnego. Te

czerwone przyciski grzybkowe z żółtą bazą muszą znajdować się w łatwo

dostępnych miejscach. W przypadku niebezpieczeństwa natychmiast

wyłączają one zasilanie urządzenia. Przyciski stopu awaryjnego zawierają

styki przerywające, które są otwierane poprzez przyciśnięcie przycisku.

Styki mogą być ponownie zwarte jedynie po odblokowaniu przycisku.

1.8.1 Przełączniki i przyciski

1.8

Osprzęt elektryczny

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 17:

Przycisk ze ztykami zwierającymi

Rys. 16:

Symbole przycisków i przełączników

styki

sprężyna

element przełączający

przycisk ze stykami zwierającymi

przycisk ze stykami rozwierającymi

przycisk ze stykami przełączającymi

domyślnie aktywowany

domyślnie aktywowany, z blokadą

aktywowany przez przyciśnięcie

aktywowany przez pociągnięcie

aktywowany przez przekręcenie

aktywowany przez przechylenie

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 19:

Przycisk ze stykami przełączającymi

Rys. 18:

Przycisk ze stykami rozwierającymi

styki

sprężyna

element przełączający

styki zwierane

sprężyny

element przełączający

styki rozwierane

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

W elementach sterowania, kolory przycisków zależą od typu funkcji ste-

rowania, zgodnie z VDE 0113

czerwony działanie w przypadku zagrożenia

Elementy sterowania używane do uruchamiania procedur nagłego zatrzy-

mania lub przeciwpożarowych, oznaczane są kolorem czerwonym.

czerwony STOP, WYŁĄCZ

Elementy sterowania używane do wyłączania, także oznaczane są na

czerwono. Te elementy mogą być używane do:

– wyłączania jednego lub wielu silników

– wyłączania części maszyny

– zatrzymania cyklu. Jeśli przycisk zostanie aktywowany poprzez

obsługę podczas cyklu, maszyna zostanie zatrzymana po zakoń-

czeniu cyklu.

– wyłączania urządzenia przełączającego

– reset połączony z funkcją stopu

żółty

interwencja w celu usunięcia nienormalnych stanów lub

aby zapobiec niechcianym zmianom.

Może być użyty na przykład do powrotu elementów maszyny do ich po-

zycji startu cyklu, gdy cykl się jeszcze nie skończył. Aktywacja żółtego

przycisku może anulować inne wcześniej wybrane funkcje.

zielony

START lub WŁĄCZ

Elementy sterujące wykorzystywane do włączania, oznaczane są na

zielono. Takie elementy mogą być do:

– załączenia jednego lub wielu silników

– włączania części maszyny

– wystartowania dodatkowych funkcji

– włączania urządzeń przełączających

– włączania zasilania obwodów sterowania

niebieski funkcja opcjonalna

Funkcje, dla których żaden z grupy kolorów: czerwony, zielony lub żółty,

nie jest odpowiedni, mogą być oznaczane kolorem niebieskim.

Kolory: czarny, szary i biały, nie mają konkretnego znaczenia.

Te kolory mogą być użyte do każdej funkcji, poza przyciskami typu STOP

i WYŁĄCZ.

Czarny jest używany na przykład do trybu krokowego podczas instalacji

i dostrajania. Biały może być użyty do sterowania dopełniającymi funk-

cjami, które nie należą do cyklu operacji.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.8.2 Wyłączniki krańcowe

Przyciski mogą być także aktywowane poprzez części maszyn. Do takich

przycisków należą wyłączniki krańcowe, przełączniki pozycyjne i prze-

łączniki pozycji końcowej. Przełączniki wykorzystywane do skanowania

pozycji siłowników hydraulicznych czy pneumatycznych nazywają się

przełącznikami siłowników.

Styki elektryczne są przełączane pod wpływem siły zewnętrznej. Przyci-

ski mogą być aktywowane poprzez dotyk, lub bezdotykowo. Małe przy-

ciski mają wewnętrzny mikro-przełącznik. Są aktywowane za pomocą

popychaczy lub rolek i na ogół posiadają tylko jeden dwustanowy styk.

Większe, mechanicznie obsługiwane przyciski mogą mieć także styki

zwierane i rozwierane.

Poniżej podano parę przykładów obszarów zastosowań przełączników

krańcowych:

– sterowanie drzwiami,

– przełącznik świateł stopu,

– sterowanie położeniem krańcowym stołu zmieniającego.

Mechaniczne przyciski krańcowe są coraz częściej zastępywane czuj-

nikami bezstykowymi. Czujniki elektroniczne pracują bezstykowo, mają

dłuższy czas życia i są bardziej odporne na uszkodzenia.

Rys. 20:

Mikro-przełącznik

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Styk kontaktronowy jest bardzo prostym i bezkontaktowym przełącznikiem

siłownikowym. Składa się z dwóch styków zamkniętych w rurce szklanej.

Styki zbliżają się do siebie pod działaniem pola magnetycznego magnesu

stałego wewnątrz tłoka siłownika.

Inne bezstykowe czujniki siłownikowe mogą zawierać komponenty

elektroniczne, które także reagują na magnes tłoka. Są wtedy bardziej

odporne na obce pola magnetyczne, takie jak te w elektrycznych auto-

matach spawalniczych.

Czujniki indukcyjne są kolejnym rodzajem bezstykowych czujników zbli-

żeniowych. Mogą wykryć jedynie materiały przewodzące prąd. Natomiast

czujniki pojemnościowe mogą także wykryć materiałe niemetaliczne.

Optyczne przełączniki zbliżeniowe wykorzystują środki optyczne i elektro-

niczne do wykrywania obiektów, używając czerwonego lub podczerwone-

go światła. Półprzewodnikowe diody świecące są szczególnie użyteczne

jako źródła światła czerwonego i podczerwonego. Niektóre rodzaje tychże

przełączników to przełączniki fotoelektryczne z wiązką przenikającą, z

wiązką odbijaną, a także fotoelektryczne czujniki zbliżeniowe.

Dodatkowo, istnieją bezstykowe czujniki ultradźwiękowe.

Rys. 21:

Styk kontaktronowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Schematy elektryczne na ogół przedstawiają stan bez podanego napię-

cia. Jednak jeśli przycisk mechaniczny lub krańcowy ma stan aktywny w

pozycji startowej, powinno być to pokazane na schemacie.

Styki zwierające, na przykład w przełączniku siłownika, w pozycji aktywnej

wyglądają jak styki rozwierające. Aby zapobiec błędnemu rozumieniu,

otwarta strzałka powinna zostać umieszczona obok styków, aby zazna-

czyć stan aktywny.

Natomiast aktywny styk rozwierający jest widoczny jako styk zwierający.

Styki są zwarte w stanie aktywnym. W tym przypadku także należy umie-

ścić strzałkę obok styku, aby oznaczyć, iż jest on w stanie aktywnym.

styk zwierający

styk rozwierający

styk zwierający, aktywny

styk rozwierający, aktywny

Rys. 22:

Aktywne styki

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.8.3 Czujnik ciśnienia

Przetworniki wejść są generalnie używane do przetwarzania jakiejkolwiek

wielkości fizycznej odbieranej przez czujniki, takiej jak ciśnienie, skok,

przepływ objętościowy czy temperatura, na analogową lub cyfrową war-

tość elektryczną.

Czujniki ciśnienia pełnią rolę urządzeń monitorujących i sterujących.

Mogą otwierać i zamykać obwody elektryczne po tym, jak ustawiona

wartość ciśnienia została przekroczona. Ciśnienie wejściowe działa na

powierzchnię tłoka. Rezultatem tego jest siła, która równoważy siłę wyni-

kającą z nastawnej sprężyny. Gdy siła ciśnienia przekroczy siłę sprężyny,

tłok wykonuje ruch i aktywuje zestaw styków.

Pneumatyczne czujniki ciśnienia przetwarzają przyłożone ciśnienie

pneumatyczne na sygnał elektryczny. Czujnik ciśnienia pełni rolę styków

przełączających. Czujnik ciśnienia hydraulicznego przetwarza ciśnienie

hydrauliczne na sygnał elektryczny. Ciśnienia w hydraulice są na ogół

wysokie, dlatego te czujniki mają specjalnie wytrzymałą budowę.

Zamiast sprężyny zwojowej, w czujnikach ciśnienia z zestawem styków

sterowanych mechanicznie, używa się membran, sprężyn tulejowych

lub falistych.

Rys. 23:

Czujnik ciśnienia

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.8.4 Sygnalizatory

Sygnalizatory zasadniczo dzielą się na sygnalizatory akustyczne i

optyczne.

Lampki sygnalizacyjne mogą być uzupełniane o soczewki skupiające,

poprawiające ich widoczność. Sygnalizatory z diodami świecącymi lub

ciekłokrystaliczne także należą do sygnalizatorów wizualnych.

Sygnalizatory wizualne często używane są w elektrotechnice i w innych

sterowaniach do sygnalizowania stanu procesu. Poniższe kolory są

używane zgodnie z VDE 0113:

czerwony niebezpieczeństwo lub alarm

Czerwone sygnalizatory wizualne ostrzegają o możliwym zagrożeniu lub

o sytuacjach wymagających szybkiej interwencji, na przykład:

– spadek ciśnienia w systemie smarowania

– temperatura poza ustawionym (bezpiecznym) zakresem

– komenda stop dla maszyny (na przykład w przypadku przeciążenia)

– ważne elementy maszyny zostały zatrzymane przez system bezpie-

czeństwa

– niebezpieczeństwo spowodowane ruchomymi częściami

Rys. 24:

Sygnalizatory

lampka sygnalizacyjna

lampka sygnalizacyjna,

mrugająca

wskaźnik położenia

alarm wizyjny

syrena

gwizdek

gong

dzwonek

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

żółty

uwaga

Żółte lampki sygnalizujące wskazują na zmianę lub na nadchodzącą

zmianę stanu. Może nią być na przykład:

– odchylenie wartości ciśnienia lub temperatury od wartości normalnej

– przeciążenie, które jest dozwolone jedynie przez ograniczony czas

– przebieg cyklu automatycznego

zielony

bezpieczeństwo

Zielone lampki sygnalizujące używane są do wskazywania bezpiecznych

warunków działania lub aktywacji dalszej fazy procesu. Na przykład:

– przepływ cieczy chłodzącej

– włączone sterowanie automatyczne boilerem.

– maszyna jest gotowa do startu: cały wymagany sprzęt działa, jed-

nostki znajdują się w położeniu startowym, a ciśnienie hydraulicz-

ne lub napięcie wyjściowe generatora znajduje się we właściwym

zakresie

– cykl został zakończony i maszyna jest gotowa do ponownego startu

niebieski specjalne znaczenie

Niebieskie lampki sygnałowe mogą mieć dowolne znaczenie, które nie

jest przydzielone do innych kolorów. Dotyczy to informacji mających

związek ze specjalnymi wymogami, na przykład:

– oznaczenie zdalnego sterowania

– przełącznik wyboru ustawiony w pozycji ustawiania

– jednostka jest ustawiona na ruch do przodu

– ruch mikrokrokowy sań lub jednostki maszyny

biały

bez specjalnego znaczenia

Białe lampki sygnalizacyjne mogą być użyte do oznaczania generalnych

informacji. Mogą być użyte w przypadku, gdy nie jest jasne, który z trzech

kolorów: czerwony, żółty lub zielony, powinien być użyty. Mogą być użyte

na przykład jako potwierdzenie, lub:

– włącznik główny włączony

– wybór prędkości lub kierunku obrotu

– użycie sprzętu dodatkowego, nie używanego w cyklu robocznym

Sygnalizatory akustyczne, takie jak alarmy, głośniczki, gongi i dzwonki

są na ogół używane razem z sygnalizatorami optycznymi. Dlatego też,

sygnały akustyczne muszą być w sposób oczywisty powiązane z sygna-

łami optycznymi i nie mogą spowodować pomyłki.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.8.5 Przekaźniki i styczniki

Rys. 25:

Przekaźnik

A1 A2

5 13

przekaźnik ze stykiem przełączającym

stycznik z dwoma dodatkowymi stykami

Przekaźnik to przełącznik z napędem elektromagnetycznym. Przekaźniki

są przede wszystkim używane w elektrycznych systemach sterowania,

lecz także jako sprzęt zabezpieczający.

Styczniki są także napędzanie elektromagnetycznie. Dlatego są używane

jako przełączniki mocy lub styczniki dodatkowe, na przykład w układach

elektrycznych wykorzystywanych do włączania silników lub grzejników

elektrycznych.

Przekaźnik składa się z cewki elektromagnetycznej z rdzeniem stalowym.

Gdy prąd płynie w cewce, powstaje pole elektromagnetyczne i przycią-

ga ruchomą blaszkę do rdzenia. Blaszka aktywuje pojedyncze styki za

pomocą dźwigni.

Wyprowadzenia cewki są oznaczane za pomocą symboli A1 i A2. Pod-

łączenia styków oznaczane są za pomocą dwóch cyfr. Pierwsza jest

rosnącym numerem seryjnym styków. Druga oznacza, czy przekaźnik

pracuje w konfiguracji przerywacza czy zwieracza. Cyfry 1 i 2 oznaczają

przerywacz, podczas gdy 3 i 4 oznaczają zwieracz.

Styczniki mają trzy główne styki. Opisane są cyframi od 1 do 6. Dodatkowe

styki uzupełniające także są możliwe. Opisywanie ich jest podobne jak

w przypadku przekaźników.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 26:

Przekaźnik czasowy

K1T

K2T

25 - 26 1

17 - 18

A1 - A2

25 - 26 1

17 - 18

A1 - A2

przekaźnik z opóźnionym załączeniem

przekaźnik z opóźnionym odpadaniem

Styczniki są przełączane do pozycji spoczynkowej za pomocą sprężyny,

bez użycia prądu elektrycznego. Niektóre typy przekaźników utrzymują

pozycję włączoną po wyłączeniu prądu. Nazywa się je przekaźnikami z

podtrzymaniem. Tę funkcjonalność można spotkać w przekaźnikach im-

pulsowych, które są włączane i wyłączane poprzez impulsy prądowe.

Specjalną kategorią przekaźników są przekaźniki czasowe. Istnieją dwa

rodzaje ich konstrukcji. Styki przekaźnika z opóźnionym załączeniem

zwierane są po upływie określonego czasu.

Natomiast styki przekaźnika z opóźnionym odpadaniem zwierane są

natychmiast, i zostają zwarte przez pewien okres czasu po tym, jak prąd

zostanie wyłączony.

Przekaźniki czasowe są oznaczane za pomocą dodatkowego prostoką-

ta w symbolu. Dla przekaźników z opóźnionym załączeniem prostokąt

ten zawiera dwie krzyżujące się linie, podczas gdy dla przekaźników z

opóźnionym odpadaniem, jest on wypełniony.

Styki zwierane i rozwierane są oznaczane poprzez cyfry 5, 6, a także 7 i

8. Półokrąg przy symbolu oznacza opóźnienie. Litera T może być użyta

w symbolu przekaźnika czasowego.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.9

Podstawowe obwody elektryczne

1.9.1 Samoblokująca się pętla elektryczna

Rys. 27:

Elektryczne pętle samoblokujące

24V

z dominującym resetem

z dominującym załączeniem

Przekaźniki także są używane w pętlach samoblokujących się. Przekaźnik

jest aktywowany poprzez krótkie przyciśnięcie przycisku. Jeden ze styków

przekaźnika pozwala na ominięcie przycisku, aby przekaźnik pozostał w

stanie aktywnym nawet po puszczeniu przycisku.

Drugi przycisk ze stykami w konfiguracji przerywającej użyty jest do anu-

lowania samozablokowania. Naciśnięcie przycisku przerywa przepływ

prądu w przekaźniku, deaktywując go.

Istnieją dwie podstawowe możliwości łączenia i ustawiania styków i przy-

cisków. Oba obwody działają identycznie gdy jeden z dwóch przycisków

zostanie naciśnięty.

Jeżeli oba przyciski zostaną przyciśnięte jednocześnie, to w obwodzie

z „dominującym resetem”, styki rozwierające przycisku przerwą dopływ

prądu do przekaźnika. Natomiast w obwodzie z „dominującym ustawia-

niem”, w takim przypadku przekaźnik pozostanie aktywny.

W elektrotechnice, wyłączanie napięcia zawsze ma wyższy priorytet, z

uwagi na bezpieczeństwo. Dlatego też, jedynie typ podłączeń z „domi-

nującym resetem” powinien by używany.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.9.2 Sekwencje

Rys. 28:

Sekwencje kroków

24V

sekwencja wymazywania kroków dla 3 kroków

ustawianie

24V

ciągła sekwencja kroków dla 3 kroków

Sekwencje kroków są często używane w sterowaniach przepływowych.

Realizowane są poprzez przekaźniki połączone ze sobą w taki sposób,

iż załączają się sekwencyjnie, zgodnie z przepływem procesu sterowa-

nia.

Krok może jedynie zostać wykonany, gdy poprzedni został zakończony i

sygnał zwrotny, oznaczający jego zakończenie, został odebrany. Istnieją

dwa typy sekwencji krokowych w technice przekaźnikowej: sekwencja

wymazywania kroków i ciągła sekwencja kroków.

W sekwencji wymazywania kroków, zawsze w danym momencie aktyw-

ny jest tylko jeden krok. Taka konfiguracja wymaga dodatkowego styku.

Impuls ustawiający jest wymagany do każdego załączenia sekwencji.

Z uwagi na to, iż styki przekaźników mają różne okresy przełączania,

sekwencja wymazywania kroków może zostać zatrzymana. Dlatego też,

stosuje się ją przede wszystkim w sterownikach PLC.

W ciągłej sekwencji kroków, wszystkie kroki są włączane sekwencyjnie.

Ostatni krok kasuje samoblokowanie pierwszego przekaźnika, przełą-

czając całą sekwencję do pozycji startowej. Nie jest wymagany impuls

ustawiający. Ta sekwencja kroków powinna być zawsze implementowana

w obwodach przekaźnikowych.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

W elektropneumatyce i elektrohydraulice wymagane jest tworzenie

osobnych schematów do każdej formy energii. Jeden schemat zawiera

komponenty pneumatyczne lub hydrauliczne, drugi zawiera symbole

komponentów elektrycznych.

Niektóre komponenty, takie jak cewki elektromagnetyczne, czy przełącz-

niki siłownika, przedstawiane są na obu schematach. Jednak symbole

tych komponentów są różne.

Ponieważ te same komponenty oznaczane są w różny sposób na obu

schematach, identyfikowane mogą być jedynie poprzez specyficzne

oznaczenie.

Oba schematy różnią się także kierunkiem przepływu energii. W sche-

matach elektrycznych, energia przepływa z góry na dół, natomiast w

schematach hydraulicznych i pneumatycznych, źródła energii są usytu-

owane na dole, a napędy na górze schematu. W tym przypadku, energia

przepływa z dołu do góry.

Schematy przepływu prądu w formie rozdzielonej są na ogół używane

jako schematy elektryczne. Przekazują one funkcjonowanie sterowania

w sposób bardziej oczywisty. Styki cewek i przekaźników mają te same

oznaczenia.

Dla lepszej czytelności obwodu, pojedyncze ścieżki prądu są numerowane

począwszy od lewej. Rozgałęzione ścieżki prądowe, które nie prowadzą

od górnej szyny prądu do dołu, także są numerowane.

Tak zwane tabelki styków mogą być umieszczane przy każdym prze-

kaźniku. Opisują one położenie styków przekaźnika biorąc pod uwagę

dotyczące jego ścieżki prądowe. W dużych schematach, pozwala to na

wskazanie miejsca wystąpienia styków na różnych stronach schematu,

co znacząco upraszcza lokalizowanie styków przekaźników na sche-

macie.

1.9.3 Schematy hydrauliczne i pneumatyczne

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rysunek poniżej ukazuje schemat elektropneumatyczny. Część pneu-

matyczna przede wszystkim składa się z zaworu z cewką elektromagne-

tyczną i siłownika.

Schemat elektryczny zawiera pętlę samoblokującą się. Dwa przyciski są

wykorzystywane do aktywowania i deaktywowania samoblokowania. Styk

przekaźnika utrzymuje przekaźnik w stanie aktywnym po przyciśnięciu

przycisku ze stykami zwierającymi.

]Załączony przekaźnik zamyka pętlę elektryczną cewki, w prawej ścieżce

prądowej. Ta ścieżka reprezentuje wyjście sygnałowe. Cewka elektro-

magnetyczna jest połączona ze schematem pneumatycznym za pomocą

oznaczenia „Y1”.

Cewka elektromagnetyczna jest na ogół zasilana tym samym napięciem,

które jest użyte w obwodzie sterowania. Jednakże, może być także za-

silana innymi napięciami.

Rys. 29:

Schemat elektropneumatyczny

24V

S B

2 –

3 –

1V1

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

1.10 Typy zabezpieczeń

Prądy i napięcia elektryczne mogą być jedynie zidentyfikowane na pod-

stawie obserwacji efektów ich oddziaływania. Nie można ich zaobserwo-

wać bezpośrednio. Dlatego należy stosować się do różnych dyrektyw,

regulacji i norm, aby zapobiec niebezpieczeństwom ze strony energii

elektrycznej.

Istnieją różne typy obudów dla sprzętu elektrycznego, służących do

ochrony przed niezamierzonym kontaktem, obcymi ciałami i wodą. Te typy

zabezpieczeń są opisane w normie DIN EN 60529 i oznaczone literami IP

(international protection), a następnie dwoma cyframi. Wymagany poziom

zabezpieczeń zależny jest od obszaru zastosowań i miejsca instalacji.

Zabezpieczenia powinny także chronić ludzi przed wszelkimi możliwymi

zagrożeniami, jak i zapewnić niezawodne funkcjonowanie sprzętu.

Pierwsza cyfra w opisie oznacza zabezpieczenie przed nieporządanym

kontaktem i przed ciałami obcymi. Ma poniższe znaczenie:

0 brak zabezpieczenia

1 zabezpieczenie przed przeniknięciem ciał obcych większych niż 50

mm (na przykład rąk, nóg, większych części ciała)

2 zabezpieczenie przed przeniknięciem ciał większych niż 12,5 mm

(na przykład palców)

3 zabezpieczenie przed przeniknięciem cał obcych większych niż 2,5

mm (na przykład przyrządów, kabli)

4 zabezpieczenie przed przeniknięciem ciał obcych większych niż 1,0

mm (przewodów)

5 pełna ochrona przed kontaktem i ochrona przed uszkodzeniem

poprzez odkładanie się pyłu wewnątrz urządzenia (zabezpieczony

przed pyłem)

6 pełna ochrona przed kontaktem i ochrona przed penetracją pyłu

(odporny na pył)

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Druga cyfra oznacza zabezpieczenie przed szkodliwym przenikaniem

wody:

0 brak zabezpieczenia

1 zabezpieczenie przed pionowo opadającymi kroplami (kapiąca

woda)

2 ochrona przed kroplami opadającymi pod kątem do 15° (kapiąca

woda pod kątem)

3 ochrona przed wodą opadającą pod kątem do 60°, także prostopa-

dle (woda rozpylona)

4 ochrona przed wodą chlapiącą z wszystkich kierunków (chlapiąca

woda)

5 ochrona przed strumieniami wody

6 ochrona przed intensywnymi strumieniami wody (ochrona przelewo-

wa)

7 ochrona przed wodą podczas chwilowych zanurzeń (zanurzanie)

8 ochrona przed wodą podczas trwałych zanurzeń

Dalsze znaki mogą być użyte, gdy wymagany jest bardziej szczegółowy

opis zabezpieczeń. Jeśli jedna z cyfr opisu nie została podana, powinna

zostać zastąpiona literą X. Jednym z częściej używanych poziomów

zabezpieczeń dla cewek elektromagnetycznych zaworów to IP65.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.1

Wstęp

Sterowniki programowalne PLC

Sterowniki PLC (Programmable Logic Controller) są używane w wielu

gałęziach przemysłu, pełniąc funkcje kontrolujące i regulujące. W dzi-

siejszych czasach, rozwój technik automatyzacji jest ściśle związany ze

sterownikami PLC.

Sterownik PLC posiada porty wejść i wyjść sygnałów. Czujniki różnych

rodzajów są podłączane do wejść. Te czujniki przesyłają informacje do-

tyczące aktualnego stanu maszyny albo urządzenia, do sterownika PLC.

Wyjścia sterownika PLC kontrolują elementy wykonawcze maszyny czy

urządzenia.

Sterownik PLC monitoruje procesy wytwórcze, kontroluje i reguluje je.

Wiele nowoczesnych maszyn jest bardzo skomplikowanych, i nie może

być sterowanych bez sterownika PLC.

Sterowniki PLC są wykorzystywane w wielu różnych aspektach. Gene-

ralnie używa się ich w technikach automatyzacji w celach monitoringu,

sterowania i regulacji procesów technologicznych. Sterowniki PLC za-

stępują człowieka w wielu przypadkach.

Na przykład, sterownik PLC jest używany do sterowania windami i świa-

tłami ulicznymi. Maszyny pakujące i spawarki także mogą być kontrolo-

wane przez PLC. Jednym z najważniejszych obszarów zastosowań, są

automatyczne cykle produkcji w przemyśle samochodowym.

Różne odmiany programowania pozwalają sterownikom PLC sprostać

wielu różnym wymaganiom, bez wprowadzania żadnych istotnych zmian

w strukturze sterownika.

Jeden pojedynczy sterownik PLC może bez żadnych problemów odbierać

sygnały z kilkuset sensorów i sterować taką samą ilością aktuatorów.

Włączanie lampy poprzez przyciśnięcie przycisku, także może być kontro-

lowane przez PLC. Chociaż, to rozwiązanie jest znacznie kosztowniejsze

niż bezpośrednie podłączenie przycisku do lampy.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Zanim sterownik PLC został opracowany, sterowanie maszyn i urządzeń

odbywało się poprzez przekaźnikowe systemy sterowania. Pożądane

sterowanie było implementowane poprzez szeregowe i/lub równoległe

łączenie kontaktów przekaźników.

Niektóre systemy sterujące w przeszłości bazowały na sprężonym po-

wietrzu. W nich, operacje logiczne używane były jak w sterowaniach

przekaźnikowych: przekaźnik był włączony lub wyłączony, analogicznie

ciśnienie było podawane lub nie. Chociaż, były także systemy sterujące,

pracujące na wartościach analogowych.

W dzisiejszych czasach, takie systemy są nazywane “hard wired controls”,

sterowania konstrukcyjne. Z powodu gęstego okablowania pojedynczych

elementów, trudno było zaadaptować systemy sterowania do zmieniającej

się struktury maszyny.

W 1968 roku, General Motors opracował podstawy sterowania progra-

mowalnego. Te sterowniki były pierwotnie oznaczane jako PC (Program-

mable Computer). To oznaczenie zostało zmienione na PLC po krótkim

czasie, ponieważ skrót PC był używany dla komputera osobistego (Perso-

nal Computer). W języku niemieckim, oznaczenie SPS jest używane dla

sterowników programowalnych (Speicherprogrammierbare Steuerung).

Sterownik PLC zawiera mikroprocesor i układy pamięci do przechowy-

wania programu. Różne języki programowania mogą być stosowanie.

Jednym z najstarszych języków programowania jest schemat drabinkowy

(LD - Ladder Diagram). Wygląda podobnie do amerykańskich reprezen-

tacji schematów elektrycznych. Było to zaletą tego języka dla techników,

którzy mogli projektować programy podobne do typowych schematów

obwodów. Przez to, stosowanie PLC było ułatwione.

Kolejnym powodem używania języka LD była, w tamtych czasach, me-

toda reprezentacji znaków na monitorach komputerowych. Monitory nie

pracowały na graficznych reprezentacjach jak dzisiejsze, lecz wyświetlały

jedynie znaki alfanumeryczne. Dlatego, programy były reprezentowane na

monitorze korzystając z okrągłych i kwadratowych nawiasów, ukośników,

myślników i kresek pionowych.

Istniały także inne języki, takie jak listy poleceń i tabele funkcji ciągłych.

Lista poleceń jest bardziej językiem maszynowym, natomiast tabela

funkcji jest raczej graficzną reprezentacją.

2.1.1 Historia sterowników PLC

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Sterowniki PLC były stosowane coraz częściej, dzięki swym zaletom, a

także procesory stawały się coraz bardziej wydajne. Na początku można

było jedynie obsługiwać sygnały binarne. Później, także były przetwa-

rzane liczby całkowite i zmiennoprzecinkowe. To pozwoliło na obsługę

wartości analogowych.

Z upływem czasu pojawiali się kolejni producenci, którzy oferowali jeden

lub więcej systemów PLC. Języki programowania częściowo się od siebie

różniły.

Znormalizowany język programowania sterowników PLC został zdefinio-

wany w roku 1993 przez międzynarodową normę IEC 61131 (początkowo

oznaczaną IEC 1131) . Norma ta umożliwia programowanie PLC niezależ-

nie od producenta. Większość systemów PLC obsługuje ten standard.

W dzisiejszych czasach, schemat bloków funkcyjnych (FBD, Function

Block Diagram) jest stosowany obok listy instrukcji (STL, Statement List)

i schematów drabinkowych LD, natomiast sekwencyjny schemat funk-

cyjny (SFC, Sequential Function Chart) jest w szczególności używana

w sterowaniach sekwencyjnych.

Język tekstu strukturalnego (ST, Structured Text), jest także językiem

nowym. Jest językiem tekstowym, tak jak STL, jednak nie używa instruk-

cji maszynowych. Dlatego, ST jest przeznaczony do programowania

wysokiego poziomu.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.1.2 Porównanie sterowania HWPC z PLC

Sterowania programowane konstrukcyjnie (HWPC, Hard-Wired Pro-

grammed Controls) reprezentują możliwości programowania sterowania

i regulacji poprzez technikę automatyzacji. Ten typ programowania jest

także określany jako gęsto okablowane sterowanie. Określanie go jako

sterowanie konwencjonalne jest nieprawidłowe.

Sekwencja programowa jest determinowana poprzez sztywne połączenia

pojedynczych elementów. Połączenie może być realizowanie poprzez ka-

bel lub połączenie do płyty przewodzącej. Gdy zachodzi potrzeba zmiany

w programie, okablowanie musi być zmieniane. W dodatku, na ogół trzeba

także zmodyfikować miejsca montażu niektórych komponentów.

W dzisiejszych czasach, sterowania programowalne konstrukcyjnie są

stosowanie bardzo rzadko, w złożonych zadaniach automatyzacji. Znaj-

dują jeszcze zastosowanie w niektórych małych urządzeniach.

Sterowania programowane konstrukcyjnie są także wciąż stosowanie w

systemach bezpieczeństwa, takich jak funkcje nagłego zatrzymania. Te

funkcje muszą działać nawet w wypadku awarii sterownika PLC. Dlatego

też, sterowania programowane konstrukcyjnie są dziś stosowane jako

sterowania dopełniające ze sterownikami PLC.

Program potrzebny w procesie sterowania jest zawarty w oprogramowaniu

PLC. Okablowanie PLC może pozostać niezmienione w kilku wersjach

programu.

Czas projektowania i konstrukcji dla jednej maszyny ze sterowaniem

programowanym konstrukcyjnie jest analogiczny do czasu wymaganego

do napisania programu dla PLC. Gdy konstruowanych jest parę iden-

tycznych maszyn, program PLC jest pisany tylko raz. Ilość okablowania

sterownika PLC jest znacząco mniejsza. Jednak przekaźniki i styczniki

powinny być stosowanie w przypadku sterowania dużymi obciążeniami

lub napięciami.

Niektóre moduły programów PLC mogą być użyte ponownie w innych

maszynach. Możliwe jest także testowanie programów przed zakończe-

niem prac nad maszyną.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.1.3 Wady i zalety sterowników PLC

Jedną z zalet PLC jest możliwość łatwej modyfikacji programu. Rzadko

się zdarza, aby system sterowania działał idealnie od początku. Może

być dostosowywany do oczekiwanych rezultatów poprzez modyfikację

programu, bez potrzeby zmian w okablowaniu.

Zapotrzebowanie na materiały i przestrzeń w systemach sterowania

opartych o PLC jest znacząco niższe niż w sterowaniach przekaźniko-

wych. Opóźnienia i liczniki są realizowanie poprzez oprogramowanie,

zatem komponenty, takie jak przekaźniki czasowe nie są wymagane.

Gdy program jest napisany, może być kopiowany wielokrotnie. W przy-

padku paru produkcji identycznych systemów sterowania, program pisany

jest raz i może być wgrany do każdego sterownika PLC. Okablowanie

jest ograniczone do kabli PLC. Program może być elektronicznie zain-

stalowany w każdym miejscu.

Proste jest dodawanie komentarzy do instrukcji w programie PLC. Za-

pewniają one przejrzystość programu i łatwość zrozumienia go w póź-

niejszym czasie.

Programowanie jest niezależne od konstruowania maszyny, co znacząco

oszczędza czas. Program może także być opracowywany przez kilka

grup i następnie składany w jedną całość. Relatywnie mały rozmiar oka-

blowania także wpływa na oszczędność czasu.

Kolejną zaletą jest możliwość zdalnej obsługi i diagnozy. Pozwala to na

sterowanie maszyną lub urządzeniem z odległego miejsca, a także na

sprawdzanie, czy nie zaistniały błędy, bez potrzeby obecności personelu

technicznego.

Zapotrzebowanie na energię przez PLC jest także niższe niż w układach

sterowania przekaźnikowego.

Jedną z wad PLC są relatywnie wysokie wydatki instalacyjne, w po-

równaniu do urządzeń programujących lub oprogramowania. Personel

serwisowy i projektujący oprogramowanie powinien także mieć wysokie

kwalifikacje.

Nawet bardzo małe systemy wymagają urządzeń programujących, proce-

dur bezpieczeństwa danych oraz urządzeń do generalnego przechowy-

wania danych. Pierwotny program zawsze powinien być przechowywany,

ponieważ jedynie kod maszynowy jest przesyłany do sterownika PLC.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.2

Architektura sterowników PLC

Sterownik PLC może pełnić wiele różnych funkcji. W zależności od ob-

szaru zastosowań, preferowane są różne typy ich budowy.

Kompaktowy sterownik PLC składa się z jednego elementu. Posiada małą

ilość wejść i wyjść. W większości przypadków ilość wejść jest większa

niż wyjść. Na przykład, sterownik może mieć 10 wejść i 6 wyjść.

Kolejne porty PLC są używane jako źródło zasilania. Sterownik PLC

może pracować przy zasilaniu 24V lub 230V, w zależności od rodzaju.

W przypadku zasilania 230V, zasilacz musi być zintegrowany ze ste-

rownikiem.

Zwiększanie ilości wejść i wyjść jest z reguły niemożliwe. Czasami do-

datkowy moduł może być użyty do zwiększenia liczby portów sterownika

PLC.

Sterownik kompaktowy jest relatywnie tani i może być użyty w małych

urządzeniach.

wyjścia

wejścia

24 V

Rys. 1:

Kompaktowy sterownik PLC

2.2.1 Rodzaje architektury sterowników PLC

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Modułowy sterownik PLC składa się z podstawy, do której można dołączyć

różne karty. Minimum to karta zasilania i karta jednostki obliczeniowej.

Te karty nazywa się płytą zasilania i jednostką centralną.

Ilość wejść i wyjść jest zdefiniowana przez numer zainstalowanych kart.

Karty wejść na ogół mają 16 lub 32 wejścia. Karty wyjść najczęściej są

wyposażone w 8 lub 16 wyjść. W tym przypadku, karty z mniejszą liczbą

wyjść mogą dostarczać większy prąd na wyjściu niż te z większą ilością

wyjść. Można w ten sposób zredukować zapotrzebowanie na dodatkowe

przekaźniki.

Maksymalna liczba wejść i wyjść jest zdeterminowana przez możliwości

jednostki centralnej oraz przez podstawę. Duże sterowniki PLC mogą

bez najmniejszego problemu zapewnić kilkaset wejść i wyjść. Tak samo

jak w sterownikach kompaktowych, dalsza rozbudowa modułowego PLC

może być zrealizowana poprzez użycie dodatkowych podstaw.

Modułowy PLC może być łatwo rozbudowywany poprzez dokładanie

dodatkowych kart. Inne karty, takie jak wejścia i wyjścia analogowe, także

mogą być stosowane.

Rys. 2:

Modułowy sterownik PLC

wyjścia

wejścia

24 V

źródło

zasilania

jednostka

centralna

wolne sloty

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

W dniu dzisiejszym, obok klasycznych sterowników PLC, komputery PC

są coraz częściej używane do funkcji sterowniczych. Jednak starsze kom-

putery najczęściej nie osiągają niezawodności wymaganej od PLC.

Jednym z wariantów jest korzystanie ze slot-PLC. Jest to karta, którą

montuje się w normalnym PC. Użytym systemem operacyjnym może

być na przykład Windows czy Linux.

Slot-PLC ma swój własny system operacyjny i dlatego pracuje w pełni

niezależnie od oprogramowania komputera PC. Połączenie z czujnikami

i aktuatorami może być realizowane poprzez magistralę przemysłową,

na przykład Profibus.

Jeżeli slot-PLC także ma swoje własne źródło zasilania i awaryjne baterie,

może kontynuować funkcjonowanie nawet w przypadku awarii komputera

lub jego systemu operacyjnego. Slot-PLC może także przechowywać

dane jak konwencjonalny PLC, co pozwala wykonywać poprawny re-

start.

Slot-PLC jest w stanie wymieniać dane z oprogramowaniem na kompu-

terze PC poprzez magistralę gniazda. Dzięki temu komputer PC może

być użyty do wizualizacji procesu. Dane z produkcji także mogą być

przechowywane na komputerze PC.

Funkcjonowanie slot-PLC bez własnego źródła zasilania jest zależne

od bezawaryjnej pracy komputera PC. Kolejną wadą slot-PLC jest fakt,

iż były one wcześniej projektowane pod magistralę ISA. Taki sterownik

zatem nie może być użyty w nowoczesnych komputerach, które posia-

dają jedynie sloty typy PCI. Dlatego, slot-PLC ze starszego komputera

nie może być zainstalowany w nowoczesnej jednostce.

Wynika z tego, iż kupując nowoczesny komputer, powinien być zastoso-

wany nowy slot-PLC. Jednak sterownik korzysta z szybszej prędkości

magistrali PCI, szybciej komunikując się z urządzeniami i oprogramowa-

niem komputera PC.

Specjalną formą sterownika PLC jest sterownik w terminalu magistrali,

tzw. bus terminal controller. Jest on używany do sygnałów cyfrowych i

analogowych tak jak normalny pakiet wejść/wyjść, lecz także posiada

funkcje sterownika PLC. Jego głównym zadaniem jest realizacja połą-

czenia z magistralą przemysłową.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 3:

Soft-PLC

Innym sposobem użycia komputera PC w funkcjach sterowania jest

użycie soft-PLC. Jest to czysto programowe rozwiązanie, korzystające

z procesora komputera PC. W tym przypadku, soft-PLC współużytkuje

zasoby procesora z systemem operacyjnym, a także z innymi aplikacjami

użytkownika.

Problem sterowników soft-PLC wynika z wymogu pracy w czasie rzeczy-

wistym. W przypadku błędu spowodowanego przez jakąkolwiek aplikację,

cały system sterowania oparty na soft-PLC przestanie działać. Z tego

powodu, soft-PLC nie jest używany w obszarach zastosowań krytycznych

dla bezpieczeństwa.

Sterowniki soft-PLC są często stosowane w formie przemysłowych kom-

puterów PC. Procesy mogą być odpowiednio monitorowane korzystając

z ekranu dotykowego. Nie ma potrzeby używania jakichkolwiek dodatko-

wych urządzeń programujących.

Programowanie sterowników soft-PLC jest zbliżone do programowania

konwencjonalnych PLC. Dlatego też, soft-PLC są często używane w

celach treningowych.

Ekran dotykowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Rys. 4:

Architektura sterownika PLC

wejścia

wyjścia

jednostka

centralna

izolacja galwaniczn

zasilacz

I 0.0

Q 0.0

Q 0.7

I 0.7

źródło napięcia

port do programowania

2.2.2 Funkcjonowanie sterownika PLC

Architektura sterownika PLC jest generalnie zbliżona do architektury ty-

powego komputera osobistego. Sterownik PLC składa się z elementów

sprzętowych i połączonych z nimi elementów oprogramowania.

Funkcje sterownika PLC jako model IPO:

I Input - Wejście

P Processing - Przetwarzanie

O Output - Wyjście

Wejścia przechwytują sygnały elektryczne z czujników lub generalnie

z elementów wysyłających sygnały. Optoizolatory użyte są do galwa-

nicznej izolacji sygnałów. Rozwiązanie to chroni sterownik przed zbyt

wysokimi napięciami podanymi na jego wejścia, co może prowadzić do

uszkodzeń.

Dane są przetwarzane w jednostce centralnej. Właściwe obliczenia wy-

konywane są poprzez CPU, procesor główny. Jednostka centralna także

zawiera pamięć sterownika PLC. Pamięć dzieli się na ROM i RAM.

RAM jest pamięcią, z której dane mogą być odczytywane, jak i w niej

zapisywane.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Po wyłączeniu zasilania, dane przechowywane w pamięci RAM zostają

utracone. Za to odczyt i zapis danych mogą być wykonywane bardzo

szybko.

ROM jest pamięcią tylko do odczytu. Przechowuje system operacyjny

sterownika PLC. Pamięć ROM utrzymuje swą zawartość po wyłączeniu

zasilania.

Specjalnym rodzajem pamięci ROM jest EEPROM. Jest to pamięć ka-

sowalna elektrycznie. Pozwala to na wgrywanie nowych wersji systemu

operacyjnego do sterownika PLC. Program sterownika także może być

zachowany w tej pamięci na wypadek zaniku zasilania. Jednak procesy

odczytu i zapisu pamięci EEPROM są znacząco wolniejsze niż pamięci

RAM. Ilość cykli zapisu i odczytu jest także niższa.

Kolejnym komponentem jednostki centralnej jest zegar wewnętrzny. De-

terminuje on prędkość pracy komponentów sterownika, a w szczególności

głównego procesora.

Wejścia, od których wymagany jest natychmiastowy wpływ na przebieg

programu PLC, są wejściami przerwaniowymi. Taki rodzaj wejść często

znajduje się w jednostce centralnej.

Jednostka centralna zawiera także port używany do wgrywania programu.

Według modelu PLC może to być port szeregowy lub port Ethernet dla

kabla sieciowego.

Wyjścia, tak jak wejścia, są izolowane galwanicznie od pozostałych

elementów sterownika PLC. Izolacja realizowana poprzez kontakty

przekaźników, lub poprzez optoizolatory z wyjściami przełączanymi za

pomocą tranzystorów.

Karty wyjść analogowych mogą być użyte zamiast lub obok kart wyjść

cyfrowych. Magistrale przemysłowe obsługiwane są poprzez kartę ma-

stera magistrali.

Źródło zasilania zapewnia energię elektryczną wszystkim częściom

sterownika PLC. Zasilacz jest na ogół podłączany do napięć 230V lub

24V. Napięcia te są na ogół redukowane do napięcia zasilania jednostki

centralnej, czyli 5V.

Pojedyncze części sterownika PLC w formie kart są łatwo rozpoznawalne.

Inaczej jest z innymi typami konstrukcji. Jednak komponenty o pojedyn-

czej strukturze dalej istnieją.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.2.3 Sekwencja programu PLC

Programy PLC tworzone są na urządzeniach programujących. Jest to na

ogół normalny komputer PC. Później, program jest wgrywany do sterow-

nika, który przełączany jest w tryb “RUN”. W tym momencie rozpoczyna

się praca programu.

Program składa się z pojedynczych komend, które są wykonywane jed-

na po drugiej. Program może także zawierać skoki, które umożliwiają

nawigację po różnych częściach programu.

Po tym, jak ostatnia instrukcja została wykonana, program startuje od

początku. Ten sposób pracy określa się jako cykliczno-szeregowy.

Wykonywanie programu kończy się jedynie w przypadku przełączenia

sterownika PLC w tryb “STOP”, lub w przypadku wystąpienia błędu.

Ponadto, przed wykonaniem pierwszej instrukcji, wszystkie wartości wejść

zostają odczytane i zapisane. Jakakolwiek zmiana wartości na wejściach

podczas cyklu programu nie ma na niego żadnego wpływu. Wyjścia zo-

stają ustawione po wykonaniu ostatniej instrukcji. Wartości wyjść także

zostają niezmienione, aż do końca kolejnego cyklu.

Stąd wynika czas cyklu, potrzebny dla pojedynczego cyklu programu.

Nowo ustawiony stan wejścia zostanie przekazany do wyjścia dopiero

po upłynięciu czasu cyklu.

Czas cyklu zależny jest od ilości i rodzaju instrukcji. Prędkość procesora

także wpływa na długość cyklu. Czas cyklu mieści się w obszarze mili-

sekund.

Rys. 5:

Zasada wykonywania programu

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

instrukcje

skok

odczytaj

wejścia

ustaw

wyjścia

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.3

Podstawy techniki cyfrowej

Programowanie sterowników PLC wymaga podstawowej wiedzy na

temat technik automatyzacji. Wiedza dotycząca komputerów PC lub in-

nych urządzeń programujących, także jest wymagana. Aby pracować na

komputerze PC, należy posiadać doświadczenie w dziedzinie systemu

operacyjnego.

Podstawy programowania sterowników PLC można znaleźć w matema-

tyce. Należy rozważyć różne systemy liczbowe.

System dziesiętny, który składa się z cyfr 0 do 9, jest znany każdemu.

Podstawowe obliczenia, takie jak dodawanie, odejmowanie, mnożenie,

dzielenie i potęgowanie są generalnie znane.

Inny, starszy system liczbowy, bazuje na liczbie 12. Nawet dziś ilość

dwunastu sztuk nazywana jest tuzinem. Pojęcie “kopa” jest mniej zna-

ne. Nazywano tak pięć tuzinów, czyli 60 sztuk. Jeden dzień składa się z

dwa razy po dwanaście godzin, każda po 60 minut. Liczba 60 jest także

obecna przy dzieleniu okręgu na stopnie kątowe.

Jednak sterownik PLC nie może pracować w oparciu o te systemy licz-

bowe. Pracuje on tylko z dwoma stanami: 0 i 1. Znaczy to, że sygnał jest

albo obecny, albo nie. Znak “0” oznacza stan sygnału “OFF” - wyłączony,

podczas gdy znak “1” oznacza “ON” - włączony. Oznaczenia “L” i “H” są

także używane. Oznaczają one Low - stan niski, i High - stan wysoki.

System ten nosi nazwę systemu binarnego. Dodatkowo, także jest w

użyciu system heksadecymalny z podstawą 16. Trzecim typem repre-

zentacji jest system BCD.

Zrozumienie tych systemów liczbowych jest niezbędne w wielu przypad-

kach, takich jak tworzenie tabel prawdy, obliczeń elektronicznych czy

problemów kodowania w języku programowania sterowników PLC.

Nie ma tu różnicy, czy PLC użyty jest do sterowania windą, do regulacji

klimatyzacji w budynku czy do wysyłania rozkazów potrzebnych dla ma-

szyny realizującej proces wytwórczy. Bazą jest zawsze binarny system

liczbowy.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Bit jest skrótem od angielskiego “binary digit”, liczba binarna. Jest to naj-

mniejsza ilość informacji. Bit może przyjmować jeden z dwóch stanów:

“0” lub “1”. W sterowaniach elektrycznych znaczy to, że napięcie jest

obecne, albo nie.

Informacja może składać się z wielu bitów. Każde osiem bitów tworzy

bajt. Bit na skrajnie prawym położeniu ma najniższą wartość, a bit na

skrajnie lewej pozycji ma najwyższą wartość.

Osiem bitów bajtu może być podzielone na dwie grupy po cztery bity. Te

grupy noszą nazwę półbajty.

Bit może reprezentować jedynie dwa stany: 0 i 1, gdy półbajt zezwala na

reprezentację 16-tu różnych stanów. Bajt, składający się z dwóch pół-

bajtów, przybiera 256 różnych stanów. Podział bajta na dwa półbajty jest

szczególnie przydatny przy korzystaniu z systemu heksadecymalnego.

Dwa bajty razem tworzą słowo maszynowe, które służy do reprezentacji

bardziej złożonej informacji. Konsekwentnie, słowo maszynowe składa się

z 16-tu bitów. Dwa słowa maszynowe tworzą podwójne słowo. Posiada

ono 32 pojedyncze bity.

2.3.1 Bit i bajt

Rys. 6:

Bity i bajty

1 0 1 0 1 1 0 1

1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0

1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0

bit

bajt

słowo

podwójne

słowo

U, I

cztery bity

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.3.2 Systemy liczbowe

Systemy liczbowe mogą być opisane poprzez trzy atrybuty: podstawę,

pojedyncze cyfry i wartości pozycji kolejnych cyfr.

System dziesiętny ma podstawę 10. Używane pojedyncze cyfry są od 0

do 9. Te cyfry mnożone są przez potęgi dziesięciu, zgodnie z wartością

ich położenia.

Liczba 247 może być przedstawiona następująco: 2 · 10

+ 4 · 10 + 7 ·

1. Różne pozycje znaczą setki, dziesiątki i jedności.

Inne systemy liczbowe mają różne podstawy. W systemie binarnym pod-

stawą jest 2, podczas gdy w systemie heksadecymalnym jest nią 16. Gdy

używamy różnych systemów liczbowych, koniecznym jest zaznaczenie,

z którego systemu korzystamy.

Systemy liczbowe są zaznaczane następująco: liczba w systemie dzie-

siętnym posiada 10 w indeksie dolnym. Liczby binarne, heksadecymalne

i w kodzie BCD, mają w indeksie dolnym odpowiednio 2, 16 i BCD.

System dziesiętny

247

System binarny

1010

System heksadecymalny

8AC3

Kod BCD

1101 1010 0110

BCD

Przykład

2.3.3 System binarny

System binarny ma podstawę 2. Dlatego też, używa jedynie dwóch cyfr,

0 i 1. Aby uczynić liczby binarne bardziej czytelnymi, cyfry grupowane

są po cztery.

1110 1001 0010 0101

Pozycje od prawej do lewej mają wartości 1, 2, 4 i 8. Liczba binarna,

składająca się z czterech jedynek reprezentuje dziesiętną liczbę 15.

Największą liczbą dziesiętną, którą można zapisać w systemie binarnym

za pomocą ośmiu cyfr, to liczba 255.

Jasne jest, że system binarny wymaga znacznie więcej pozycji lub

cyfr niż system dziesiętny, przy reprezentacji tej samej liczby. Dlatego

też, jeden bajt nie jest wystarczający przy programowaniu z użyciem

dużych liczb. Takie liczby mogą być reprezentowane za pomocą liczb

binarnych składających się z 16 lub 32 cyfr.

Słowo maszynowe z 16 cyframi może być użyte do reprezentacji liczb

dziesiętnych od 0 do 65 535, podczas gdy podwójne słowo z 32 cyframi,

do liczb od 0 do 4 294 967 295.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Dotąd rozważaliśmy jedynie liczby nieujemne. Aby przedstawić liczby

ujemne podczas programowania, przyjęto iż bit o największej wartości

używany jest do definiowania znaku algebraicznego.

Metoda dopełnień dwójki używana jest do generowania reprezentacji liczb

ujemnych. W metodzie tej, liczby ujemne reprezentowane są w taki spo-

sób, że dodając do niej jej wartość bezwzględną otrzymuje się zero.

Skrajny lewy bit w liczbach dodatnich ma wartość 0, natomiast wartość

2 w liczbach ujemnych. Ów bit jest także nazywany bitem znaku alge-

braicznego.

Liczba dodatnia może być przekonwertowana w liczbę ujemną o równej

wartości bezwzględnej, poprzez utworzenie dopełnień dwójki. W meto-

dzie tej, każdy z bitów jest negowany poprzez zamianę jedynek na zera

i odwrotnie. Na koniec, binarne 1 jest dodawane do wyniku.

Konwersja liczby dziesiętnej 5 do -5:

= 0101

Negacja liczby 0101

jest równa 1010

dodając 1

: 1010

+ 1

= 1011

1011

= –5

Największa liczba dodatnia ma wszystkie cyfry równe 1 za wyjątkiem

skrajnie lewej. Dla liczby 8-bitowej, największa dodatnia wartość to

0111 1111

. W systemie dziesiętnym ta wartość oznacza liczbę +127

10.

Z kolei bit o największej wartości w najmniejszej ujemnej liczbie binar-

nej równy jest 1, podczas gdy pozostałe cyfry są równe 0. Najmniejszą

8-bitową liczbą ujemną jest zatem 1000 0000

, która oznacza –128

systemie dziesiętnym.

Liczba dziesiętna: 25 odzwierciedla 8-bitową liczbę:

0001 1001

Liczba dziesiętna: –25 odzwierciedla 8-bitową liczbę:

1110 0111

Gdy dodamy obie liczby do siebie, wszystkie cyfry przyjmą wartość 0,

podczas gdy dziewiąty bit, który nie jest reprezentowany w tym przypadku,

przyjmuje wartość bitu przeniesienia, 1.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Poniżej przedstawiono przegląd dodatnich i ujemnych wartości dla cał-

kowitych czterocyfrowych liczb binarnych.

dodatnia liczba dziesiętna

dodatnia liczba binarna

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

ujemna liczba dziesiętna

ujemna liczba binarna

-1

1111

-2

1110

-3

1101

-4

1100

-5

1011

-6

1010

-7

1001

-8

1000

2.3.4 System heksadecymalny

Dla systemu heksadecymalnego (szesnastkowego), bazą jest 16. Aby

zapewnić reprezentację wszystkich cyfr, obok typowych cyfr od 0 do 9

w użyciu są też litery A, B, C, D, E i F.

Litery te oznaczają wartości od 10 do 15 w dziesiętnym systemie licz-

bowym.

Pozycje w systemie heksadecymalnym, począwszy od prawej, przyjmują

wartości 16

= 1, 16

= 16, 16

= 256 itd dla kolejnych pozycji.

System heksadecymalny używany jest do reprezentowania dużych liczb

za pomocą niewielu cyfr. Każda cyfra reprezentuje półbajt, który jest czte-

rocyfrową liczbą binarną. Zatem dwie cyfry w systemie heksadecymalnym

opisują bajt, który wymaga ośmiu cyfr w systemie binarnym.

Bajt 1111 1111 składa się z 8 bitów. W systemie heksadecymalnym re-

prezentowany jest poprzez FF.

System heksadecymalny jest używany do wprowadzania i modyfikacji

wartości numerycznych w technice sterowania. Klawiatury, zgodnie z

wymaganiem tego systemu, oprócz cyfr od 0 do 9, posiadają także litery

zgodne z systemem heksadecymalnym.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Poniższa tabela przedstawia jednocyfrowe liczby heksadecymalne i

odpowiadające im wartości dziesiętne oraz binarne.

Liczba heksadecymalna

Liczba dziesiętna

Liczba binarna

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

2.3.5 System liczbowy BCD

Skrót BCD oznacza “Binary Coded Decimals”, czyli liczby dziesiętne,

kodowane w systemie binarnym używając symboli 0 i 1. Aby zakodować

cyfry dziesiętne od 0 do 9, potrzeba czterech cyfr binarnych. Te grupy

czterech cyfr nazywane są półbajtami lub tetradami.

Nie ma konkretnego standardu lub specjalnego typu danych dla liczb w

kodzie BCD. Najczęściej używanym kodem jest kod 8-4-2-1. Sekwencja

cyfr 8-4-2-1 oznacza wartości pozycji, które są równe wartości pozycji w

systemie heksadecymalnym.

Jednak symbole od A do F nie są w tym przypadku używane, co powo-

duje, iż liczby w kodzie BCD są podzbiorem liczb heksadecymalnych, w

którym jedynie cyfry od 0 do 9 są w użyciu. Przez to, każda cyfra liczby

dziesiętnej, konwertowana jest na czterocyfrową wartość binarną. Po-

prawia to czytelność zakodowanych liczb.

Nieużywane symbole nie reprezentują poprawnych wartości. Nazywane

są pseudo tetradami i używane są do kodowania znaków algebraicznych,

znaków przeniesienia czy przecinków.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Podczas przedstawiania wielocyfrowej liczby dziesiętnej w kodzie BCD,

grupy czterocyfrowe umieszczane są jedna za drugą. Grupy te mogą

być oddzielane spacjami.

Reprezentacja liczby dziesiętnej 3752 w kodzie BCD:

0011 0111 0101 0010 lub 0011011101010010

Ponieważ bajt składa się z ośmiu bitów, za pomocą jednego bitu można

przedstawić dwie cyfry dziesiętne. Gdy cyfra w kodzie BCD jest przypi-

sana do każdej połówki bitu, oznaczenie takie nosi nazwę upakowanej

liczby w kodzie BCD.

Z drugiej strony, gdy cztery bity cyfry kodu BCD przypisane są czterem

mniej znaczącym bitom bajtu, podczas gdy pozostałe bity pozostają

wyzerowane, oznaczenie takie określa się jako rozpakowana liczba w

kodzie BCD.

W poniższej tabeli znajdują się cyfry dziesiętne od 0 do 9 z odpowiada-

jącymi im cyframi BCD reprezentowanymi w kodzie 8-4-2-1:

Cyfra dziesiętna

Cyfra w kodzie BCD-8421

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

Poniższe kombinacje nie są stosowane:

Liczba dziesiętna

Kod BCD-8421

1010

1011

1100

1101

1110

1111

Wiele mikroprocesorów jest w stanie także prowadzić obliczenia w aryt-

metyce BCD. Uzyskuje się ten tryb poprzez ustawienie odpowiedniej flagi

w rejestrze stanu procesora.

Kod ten używany jest także w systemach sterowania takich, jak stero-

wanie wyświetlaczy LCD lub LED.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.3.6 Liczby całkowite

Liczby całkowite w programowaniu oznaczane są angielskim słowem

INTEGER, w skrócie INT.

Typ danych INTEGER ogólnie obejmuje liczby całkowite, ze znakiem lub

bez znaku algebraicznego. Liczby bez znaku nazywa się UNSIGNED

INTEGER, podczas gdy liczby ze znakiem nazywa się SIGNED INTE-

GER. Bit oznaczający znak jest zawsze bitem o największej wartości,

czyli zajmującym skrajnie lewe miejsce.

Podczas pracy z liczbami posiadającymi znak, bit ten pozwala natych-

miast stwierdzić, czy liczba jest dodatnia czy ujemna. Bit znaku jest równy

jedności dla liczb ujemnych.

Bit usytuowany na skrajnie lewej pozycji nazywany jest także bitem naj-

bardziej znaczącym, oznaczanym skrótem MSB (ang. Most Significant

Bit). Skrajnie prawy bit z najniższą wartością, nazywany jest analogicz-

nie bitem najmniej znaczącym, oznaczanym skrótem LSB (ang. Least

Significant Bit).

Liczby całkowite mogą składać się z tablic bitów o różnych długościach.

Liczba całkowita o długości jednego bajtu posiada osiem pojedynczych

bitów. Dla liczb bez znaków algebraicznych, wszystkie osiem bitów może

być użyte do zakodowania wartości, podczas gdy jedynie siedem bitów

koduje wartość gdy niezbędna jest reprezentacja znaku.

Dlatego też, możliwe zakresy dziesiętne, odpowiednie dla liczb całkowi-

tych o długości jednego bajta, są następujące:

ze znakiem algebraicznym

–128 do 127

bez znaku algebraicznego

0 do 255

Liczby całkowite o długości 16 bitów czyli dwóch bajtów, nazywają się

słowami maszynowymi. Pokrywają one znacznie większy zakres liczb.

Odpowiedni zakres liczb dziesiętnych wygląda następująco:

ze znakiem algebraicznym

–32 768 do 32 767

bez znaku algebraicznego

0 do 65 535

Ilość danych o długości 32 bitów nazywa się podwójnym słowem, lub

DOUBLE INTEGER. Zakres liczb dziesiętnych to:

ze znakiem algebraicznym

–2 147 483 648 do 2 147 483 647

bez znaku algebraicznego

0 do 4 294 967 295

Większe zakresy mogą być uzyskiwane wykorzystując 64 lub 128 bitowe

liczby całkowite.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Liczba całkowita ze znakiem algebraicznym może być przetłumaczona

na liczbę dziesiętną w następujący sposób:

Liczba całkowita: 0000 0000 0010 1100

Liczba dziesiętna:

+(32 + 8 + 4) = +44

Liczba całkowita: 1111 1111 1101 0100

Liczba dziesiętna:

–((32 + 8 + 2 + 1) + 1) = –44

Dodatkowo dodana jedynka w ujemnej liczbie całkowitej wynika z obliczeń

dopełnienia dwójki.

Obliczenia na liczbach całkowitych są poprawne, gdy wykonywane są

działania dodawania i odejmowania w odpowiednim zakresie. Prze-

kroczenie dozwolonego zakresu przy dodawaniu, może spowodować

przepełnienie (overflow).

Liczby całkowite używane są także do zliczania. W tym przypadku, liczba

całkowita jest zwiększana lub zmniejszana o jeden podczas każdego

cyklu.

Przykład

Liczby zmiennoprzecinkowe są liczbami ułamkowymi ze znakiem alge-

braicznym. Reprezentacja jest wymagana przy bardzo dużych lub bardzo

małych liczbach.

Typ danych dla liczb zmiennoprzecinkowych w programowaniu, to REAL.

Składa się on zarówno z wartości mantysy m, jak i wartości wykładnika

a. Zapis ten jest od dłuższego czasu stosowany w matematyce i fizyce.

W kalkulatorach, ten styl reprezentowania liczb, określa się jako format

naukowy. Różnica w komputerach polega na tym, iż liczba 2 jest używana

jako podstawa.

Typ danych REAL składa się z trzech części, i w sumie długość jego to

32 bity. Mantysa ma długość 23 bitów plus jeden bit znaku. Wykładnik z

podstawą 2 ma długość 8 bitów. Wykładnik także posiada znak, zatem

jego zakres to -126 do +127.

Wynika z tego, iż największa liczba zmiennoprzecinkowa typu REAL,

prezentowana w formie binarnej to 1,111... · 10

127

, która odpowiada licz-

bie około 3,4 · 10

w systemie dziesiętnym. Najmniejsza możliwa liczba

odpowiada liczbie dziesiętnej 1,175 · 10

–38

2.3.7 Liczby zmiennoprzecinkowe

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Typ danych REAL o długości 32 bitów jest także oznaczany SHORT

REAL (krótka liczba rzeczywista). Typ danych LONG REAL (długa liczba

rzeczywista) ma długość 64 bitów. Podział ten z jednej strony pozwala

na reprezentację większych i mniejszych liczb, z drugiej strony pozwala

zwiększyć precyzję liczby. Osiągane jest to poprzez użycie 52 bitów do

kodowania mantysy.

Obliczenia na liczbach zmiennoprzecinkowych zawsze są nieco niedo-

kładne, co spowodowane jest błędami zaookrągleń. Błędy zaokrągleń

powstają także przy konwertowaniu liczb z systemu dziesiętnego na

binarny zmiennoprzecinkowy, i odwrotnie. Typowa wartość dokładności

dla sterownika PLC to sześć cyfr dziesiętnych. Więcej cyfr po przecinku

nie może być obliczonych.

Typy danych INTEGER i REAL nie mogą być do siebie dodane, co powin-

no być brane pod uwagę podczas programowania. Jedynie identyczne

typy danych mogą być dodawane lub odejmowane. W przypadku róż-

nych typów danych, jeden z nich powinien być przekonwertowany przed

wykonaniem obliczeń.

Wartość całkowita

Wartość zmiennoprzecinkowa

7.0

Pomimo, iż matematycznie obie wartości są równe, różne formaty tych

liczb powinny być uwzględnione podczas programowania.

Przykład

2.4

Operacje binarne

Binarne przełączanie stanów 0 i 1 związane z różnymi zmiennymi w wielu

przypadkach musi być ze sobą łączone. Wszystkie typy kombinacji mogą

być uzyskane za pomocą trzech podstawowych operacji.

Dwie operacje: sumy (AND) i mnożenia (OR) na podstawie dwóch stanów

generują konkretny wynik. Trzecią podstawową operacją jest negacja,

oznaczana jako NOT.

Operacja różnicy symetrycznej (XOR) jest także często używana w pro-

gramowaniu sterowników PLC.

Przerzutnik (ang. flip-flop), również nazywany bramką, tworzy kolejną

możliwość kombinacji stanów sygnału. Istnieją przerzutniki z dominującym

ustawianiem, i z dominującym kasowaniem.

Podstawowe operacje logiczne i ich zapis w różnych językach progra-

mowania, został przedstawiony poniżej.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.1 Bramka AND

Bramka AND jest nazywana także iloczynem logicznym (koniunkcja).

Na podstawie stanów dwóch wejść, generuje jeden stan wyjścia. Na

wyjście podawany jest sygnał jedynie wtedy, gdy sygnał jest obecny na

obu wejściach.

Tabela prawdy:

Dla tej operacji jest używany Symbol & . Także symbol zbliżony do obró-

conego v reprezentuje tę operację. W zapisie matematycznym używa się

kropki. Nie należy jednak symbolu tego mylić z symbolem mnożenia.

Rys. 7:

Bramka AND

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

I1 I2 = Q

I2 = Q

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.2 Bramka OR

Bramka OR nazywana jest także sumą logiczną lub alternatywą (dys-

junkcją). Na podstawie dwóch stanów wejść generuje jeden stan wyjścia.

Gdy sygnał pojawi się na co najmniej jednym z wejść, zostanie on podany

na wyjście.

Tabela prawdy:

Bramka OR jest oznaczana ukośnikiem. Używany jest także symbol

zbliżony do v. Znak plus używany jest w reprezentacji matematycznej.

Nie powinien jednak być mylony z dodawaniem algebraicznym.

Rys. 8:

Bramka OR

I1 I2 = Q

I2 = Q

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

≥1

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.3 Negacja

Negacja zmienia wartość sygnału wejściowego na wartość przeciwną,

i wystawia ją na wyjście. Gdy brak jest sygnału na wejściu, wyjście po-

daje sygnał. I odwrotnie, na wyjściu sygnał jest nieobecny, gdy jest on

podawany na wejście.

Tabela prawdy:

Pozioma kreska nad literą reprezentującą sygnał, jest symbolem sygnału

zanegowanego. Innym często stosowanym symbolem jest kreska pozio-

ma z małą kreską pionową skierowaną w dół, po prawej stronie.

W zapisie matematycznym, symbol negacji to mały okrąg.

Rys. 9:

Negacja

I1= Q

I1=

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.4 Tożsamość

Tożsamość jest także określana jako identyczność. Gdy na wejściu nie

jest obecny sygnał, wyjście także nie podaje sygnału. I odwrotnie, gdy

sygnał jest obecny na wejściu, zostanie on przeniesiony na wyjście.

Tabela prawdy:

Znak równości używany jest do zapisu tożsamości:

I1 = Q

Rys. 10:

Tożsamość

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.5 NAND (NOT-AND)

Rys. 11:

NAND (NOT-AND)

Skrót NAND oznacza NOT-AND, czyli zaprzeczony iloczyn logiczny. W tej

funkcji logicznej, wejścia podłączone są do wejść bramki AND. Następnie

rezultat obliczeń tej bramki jest negowany.

Tabela prawdy:

Do oznaczenia bramki NAND korzysta się z symbolu jednej poziomej

kreski nad symbolami obu wejść. Czasami używa się kreski pionowej.

I1 I2 = Q

I1 | I2 = Q

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.6 NOR (NOT-OR)

Rys. 12:

NOT-OR

Skrót NOR oznacza NOT-OR, czyli zaprzeczona suma. W tej funkcji

logicznej, wejścia podłączone są do wejść bramki OR, po czym rezultat

jest negowany.

Tabela prawdy:

Do oznaczenia bramki NOR używa się wspólnej poziomej kreski nad

symbolami obu wejść.

I1 I2 = Q

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

≥1

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.7 Inhibicja

Rys. 13:

Inhibicja

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Inhibicja jest to działanie, w którym na wyjściu pojawia się sygnał tylko

wtedy, gdy sygnał podawany jest na wejście I1, a na wejściu I2 brak jest

sygnału.

Aby osiągnąć taki rezultat, wejście I2 jest najpierw zaprzeczane, a na-

stępnie łączone z wejściem I1 za pomocą bramki AND.

Tabela prawdy:

Negacja wejścia I2 oznaczana jest poprzez poziomą kreskę nad jego

symbolem. Połączenie obu wejść reprezentowane jest poprzez symbol

bramki AND.

I1 I2 = Q

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.8 Implikacja

Rys. 14:

Implikacja

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

≥1

Implikacja jest także nazywana negacją inhibicji. Na wyjściu nie pojawia

się sygnał jedynie w przypadku, gdy sygnał podawany jest na wejście

I1, a na wejściu I2 sygnał jest nieobecny.

Aby osiągnąć taki rezultat, wejście I2 jest najpierw negowane, a następnie

połączone z wejściem I1 za pomocą bramki OR.

Tabela prawdy:

Negacja wejścia I2 jest oznaczana poziomą kreską nad jego symbolem.

Połączenie obu wejść reprezentowane jest przez symbol działania OR.

I1I2Q

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.9 Równoznaczność

W przypadku równoznaczności, wejścia są w taki sposób podłączone,

że wyjście podaje sygnał jedynie w przypadku, gdy oba wejścia I1 i I2

są tego samego stanu. Zatem na wyjściu pojawia się sygnał tylko wtedy,

gdy na oba wejścia podany jest sygnał, lub gdy na obu wejściach nie

ma sygnału.

Tabela prawdy:

Konkrety symbol reprezentujący ekwiwalencję nie istnieje. Funkcja ta

jest formowana za pomocą funkcji podstawowych.

Rys. 15:

Równoznaczność

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.10 Kontrawalencja

Kontrawalencja nazywana jest także różnicą symetryczną, lub exclusi-

ve-OR.

Wynikiem działania kontrawalencji jest sygnał wyjściowy, gdy tylko na

jednym z wejść, I1 lub I2, obecny jest sygnał. W odróżnieniu od bramki

OR, brak jest sygnału wyjściowego gdy sygnał jest obecny na obu wej-

ściach.

Kontrawalencja jest implementowana poprzez zanegowanie wyniku

działania równoznaczności.

Tabela prawdy:

Nie istnieje żaden konkretny symbol do oznaczania kontrawalencji. Dzia-

łanie to uzyskuje się poprze łączenie podstawowych działań.

Rys. 16:

Kontrawalencja

I1
I2

graficzny symbol logiczny

schemat elektryczny

schemat pneumatyczny

schemat drabinkowy

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.11 Pamięć

Pamięć używana w programowaniu, nazywa się także przerzutnikiem.

Kolejne stosowane nazwy to: element bistabilny i przełącznik. Jest to

obwód elektroniczny, który może przyjmować dwa stabilne stany. Po-

nieważ stany te nie mogą ulec zmianie same z siebie, ostatni stan jest

zawsze przechowywany.

Przerzutnik jest to najprostszy obwód elektroniczny, który może przecho-

wywać jeden bit. Przerzutniki znajdują zastosowanie w wielu układach

elektronicznych.

Dwa stany przerzutnika określa się jako “set” i “reset”, czyli ustawianie i

kasowanie, a także za pomocą liter S i R.

Przerzutniki są powszechnie stosowane jako pamięci. Jeden przerzutnik

może przechowywać tylko jeden bit. Pojemność może być zwiększona

poprzez użycie wielu przerzutników jednocześnie. Osiem przerzutników

zezwala na przechowywanie jednego bajtu. Takie zakresy pojemności

określane są jako rejestry. Konkretne wartości różnią się w zależności

od rodzaju mikroprocesora.

Rys. 17:

Przerzutnik z dominującym sygnałem ustawiającym

I1
I2

S
R

–

dominujący sygnał ustawiający

I1 sygnał ustawiający

I2 sygnał kasujący

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Łączenie większej liczby przerzutników ze sobą pozwala także na tworze-

nie bardziej skomplikowanych systemów, takich jak liczniki. Przerzutniki

można także znaleźć bezpośrednio w mikroprocesorach. Dlatego też,

uważa się je za ważne moduły podstawowe dla całej techniki cyfrowej i

mikroelektroniki, w tym komputerów.

Pojedyncze komórki statycznej pamięci RAM, takiej jaka używana jest

w kartach pamięci, także składają się z obwodów przerzutników. Nato-

miast komórka dynamicznej pamięci RAM składa się z kondensatora i

tranzystora.

Tak jak pętle samoblokujące się w obwodach przekaźnikowych, obwody

przechowywania danych różnią się od siebie w zależności od dominu-

jącego sygnału wejściowego. Nie ma różnicy między obydwoma typami

jeśli tylko jeden sygnał jest podawany w danym momencie.

Różnica w sygnale wyjściowym pojawia się wtedy, gdy oba sygnały

wejściowe podane są równocześnie. W implementacji z dominującym

sygnałem ustawiającym (set), w takiej sytuacji sygnał wyjściowy pojawia

się.

Natomiast w implementacjach z dominującym sygnałem kasującym (re-

set), sygnał na wyjściu nie pojawia się, gdy sygnał obecny jest na obu

wejściach.

Rys. 18:

Przerzutnik z dominującym sygnałem kasującym

–

I1
I2

R
S

dominujący sygnał kasujący

I1 sygnał ustawiający

I2 sygnał kasujący

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.4.12 Algebra Boole’a

Działania logiki binarnej są opisane w dziale matematyki, zwanym algebrą

Boole’a. Algebra Boole’a jest także powiązana z obszarem binarnych

obwodów kombinatorycznych i sekwencyjnych.

Oba obszary są podobne do siebie z matematycznego punktu widzenia,

jedynie symbole mogą być różne. Natomiast algebra Boole’a skupia się

na związkach pomiędzy stanami przełączników w systemach przełą-

czania.

W przeszłości, systemy przekaźnikowe już były obliczane z wykorzysta-

niem algebry Boole’a. Zasady obliczeń obowiązują także dla komponen-

tów struktury elektronicznej. Stan wysoki jest analogiczny do załączonego

przekaźnika, zatem też do logicznej jedynki.

Poniżej, symbole w kształcie v użyte są do oznaczenia działań AND i

OR. Zauważ, że symbol działania AND jest otwarty na dole, podczas

gdy dla OR, na górze.

Prawo przemienności obowiązuje tylko do równań z działaniami AND i

OR. W takim przypadku możliwa jest dowolna zmiana kolejności wystę-

powania zmiennych.

Prawo łączności obowiązuje do równań, w których dodatkowo występują

nawiasy. Jest jednak podobne do prawa przemienności.

Prawo rozdzielności dotyczy równań z kombinacjami działań AND i OR.

Opisuje mnożenie i rozpisywanie równania.

ABCCBA

ABCABCABC

ABCABAC

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Równania mogą być upraszczane korzystając z prawa pochłaniania.

Prawo przeczenia opisuje operacje na zanegowanych zmiennych. Po-

zwala to na uproszczenie zapisu działania.

Prawa De Morgana także znajdują zastosowanie w rachunku zdań. Prawa

te mówią, iż wspólna negacja dwóch zmiennych poddanych operacji AND

lub OR, równa jest działaniu o przeciwnym operatorze, na tych samych,

lecz zanegowanych zmiennych.

Podwójna negacja sama siebie znosi.

Tak jak w matematyce, działania w nawiasach mają pierwszeństwo.

Bardziej złożone problemy zapisywane są w postaci tabel prawdy. Tabele

te prezentują relacje pomiędzy zmiennymi wejściowymi i wyjściowymi,

korzystając jedynie z dwóch stanów: zera i jedynki. Po zapisie funkcji

w postaci tabeli prawdy, możliwe jest przeprowadzenie maksymalnego

uproszczenia funkcji.

Po konwersji do formy matematyczno-logicznej, możliwe jest stworzenie

diagramu matematyczno-logicznego. Zasady i prawa algebry Boole’a

obowiązują także w tym przypadku.

AABA

AABAB

AA0

AA1

ABAB

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.5

Programowanie sterowników PLC

Na początku, programy sterowników PLC na ogół miały strukturę liniową.

Polecenia programu były przetwarzane i wykonywane linia po linii.

Zasadniczo, dzisiejsze duże programy muszą być pisane w formie struk-

turalnej. To znaczy, że program jest podzielony na wiele podprogramów.

Te podprogramy także nazywa się modułami programu.

Programowanie strukturalne ma następujące zalety:

– Programy są bardziej czytelne. Dodatkowe zmiany w programie

można dokonać z łatwością. Ułatwia to także wyszukiwanie błędów.

– Powtórnie używane podprogramy pisane są tylko raz. Gdy zachodzi

potrzeba, program przeprowadza skok do potrzebnego modułu i

wykonuje go. Upraszcza to całościowy proces programowania.

– Możliwe jest przeskakiwanie podprogramów, które nie są potrzeb-

ne przy przetwarzaniu programu w danym momencie. Pozwala to

na znaczne obniżenie czasu cyklu, szczególnie w rozbudowanych

programach.

– Producenci sterowników PLC także dystrybuują gotowe podprogra-

my. Niektóre procedury, takie jak inicjowanie procesu sterowania

czy wyszukiwanie błędów mogą być, w formie modułów, z łatwością

dołączone do programu użytkownika.

2.5.1 Programowanie strukturalne

Różni producenci tworzą własne oprogramowanie służące do progra-

mowania sterowników PLC. Podstawy programowania są podobne, lecz

różnią się niektórymi poleceniami.

Międzynarodowy standard IEC 61131 został stworzony jako baza do

tworzenia ujednoliconego programowania sterowników PLC. Norma IEC

61131-3, która dotyczy języków programowania, jest raczej dyrektywą

niż sztywnym standardem.

Norma ujednoliconych języków programowania jest korzystna zarówno

dla producentów, jak i użytkowników sterowników. Producenci nie mu-

szą się martwić tworzeniem zupełnie nowego oprogramowania, co jest

kosztowne. Z drugiej strony, użytkownicy mogą z łatwością pracować z

różnymi systemami programowania, ponieważ zbudowane są na takich

samych podstawach.

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

Podczas korzystania z modułów programowych, należy pamiętać, iż w

większości przypadków wyjścia mogą zostać ustawione tylko raz podczas

całego cyklu programu. Do wymiany informacji pomiędzy pojedynczymi

modułami, korzysta się z flag.

Początek i koniec programu zawsze musi znajdować się w głównym

module. Moduł ten także nazywany jest modułem organizacji 1 (organi-

zation module 1). Pojedyncze moduły funkcyjne lub inne funkcje mogą

być wywoływane z modułu głównego. Wywołanie może być bezwarun-

kowe (występuje zawsze), lub warunkowe (wykonywane po spełnieniu

określonych warunków).

Funkcje nie posiadają żadnego rodzaju pamięci. Gdy wywoływane są z

tym samym argumentem, wartość zwracana zawsze będzie identyczna.

Natomiast moduły funkcyjne mogą zawierać liczniki lub elementy cza-

sowe. W zależności od stanu tych zmiennych wewnętrznych, wartość

zwracana przez moduł funkcyjny może przyjmować różne wartości dla

tych samych argumentów.

Moduły programu także mogą przechowywać dane. Dane te mogą być

przywoływane podczas cyklu pracy programu, lecz możliwe jest także

zapisywanie danych podczas cyklu.

Rys. 19:

Programowanie strukturalne

BA FB1

OB1

FB1

FB2

BA FB2

FB3

BA FB3

Sterowania i napędy elektryczne

Minos

2.5.2 Deklaracja zmiennych

Przykład

Oznaczenia wejść i wyjść sterownika PLC odróżnia pierwszy znak. Literę

I używa się przy oznaczaniu wejść, natomiast literę Q przy oznaczaniu

wyjść. Niektóre niemieckie systemy programowania także korzystają z

tych liter.

Pojedyncze wejścia, poza początkową literą I, oznaczane są za pomocą

dwóch liczb oddzielonych kropką. Pierwsza liczba oznacza grupę, nato-

miast druga przyjmuje wartość od 0 do 7 i służy do oznaczenia wejścia

w obrębie pojedynczej grupy. Zatem maksymalnie osiem wejść należy

do jednej grupy. Osiem, ponieważ jeden bajt składa się z ośmiu bitów.

Wyjścia są oznaczane według tej samej zasady. Te same numery grup

mogą być używane dla wejść i wyjść, lecz nie mogą istnieć dwa wejścia

lub dwa wyjścia o tym samym numerze.

Wejścia:

I0.0, I0.1, I0.2, I0.3, ... I0.7, I1.0, I1.1, ...

Wyjścia:

Q0.0, Q0.1, Q0.2, Q0.3, ... Q0.7, Q1.0, Q1.1, ...

W nowoczesnych systemach programowania, możliwe są także opisy

wejść i wyjść oparte na słowie maszynowym, oprócz systemów na bazie

bajtu. Ponieważ słowo składa się z dwóch bajtów, każda grupa może

zawierać 16 pojedynczych wejść lub wyjść. W takim przypadku, zakres

oznaczeń dla jednej grupy może wynosić np od I0.0 do I0.15.

Te oznaczenia adresów mogą zostać zamienione na inne symbole w

programie. Jeżeli wejście I0.0 jest połączone z przyciskiem startu, może

zostać opatrzone etykietą START. Oznaczenie to będzie widniało w pro-

gramie zamiast I0.0.

Oznaczenia wejść i wyjść deklarowane są na początku programu. Nazywa

się to polem deklaracją.

Pole deklaracji także definiuje ilość pojedynczych bitów, z których składa

się zmienna. Pojedyncze wejście, takie jak na przykład przycisk startu,

może jedynie przyjmować stany: włączone i wyłączone. Wymaga to tylko

jednego bitu a typ zmiennej to BOOL. Zmienne wymagające paru bitów

mogą być zadeklarowane jako BYTE lub WORD.

Zmienne globalne obejmują zasięgiem cały program, podczas gdy pozo-

stałe zmienne mogą być użyte jedynie w odpowiednim podprogramie.

Sterowania i napędy elektryczne

100

Minos

Najmniejszą jednostką programu jest instrukcja. Składa się z części

operatora określającego czynność, i z części argumentu, który zawiera

zmienną.

Instrukcje mogą się różnić w zależności od systemu programowania, do-

starczanego przez różnych producentów. Oto kilka ważnych instrukcji:

funkcja AND wykonująca działanie na zmiennej typu BIT,

BYTE lub WORD.

funkcja OR wykonująca działanie na zmiennej typu BIT,

BYTE lub WORD>

Zapisywanie w pamięci

Kasowanie pamięci

Przypisanie rezultatu działania.

Inne instrukcje składają się z nawiasów, gdzie ich zawartość jest obli-

czana na początku, następnie rezultat jest wykorzystywany w dalszych

obliczeniach.

Istnieje także kilka instrukcji obsługujących liczniki i komendy czasowe.

Inne instrukcje przesyłają dane do różnych rejestrów, przesuwają jeden

lub wszystkie bity w bajcie, a także wykonują operacje porównania.

Moduły mogą zostać wywołane korzystając z instrukcji skoków warunko-

wych i bezwarunkowych. Bezwarunkowe skoki zawsze są realizowane,

natomiast skoki warunkowe zachodzą jedynie po spełnieniu konkretnych

warunków.

Pojedyncze instrukcje mogą być zapisywane w inny sposób w różnych

językach programowania. W zależności od typu funkcji sterującej, niektóre

języki programowania są mniej lub bardziej odpowiednie do napisania

implementacji. Część języków zawiera reprezentacje graficzne instrukcji,

inne są językami tekstowymi.

2.5.3 Instrukcje

Obok portów wejść i wyjść, używa się także flag. Numerowane są one

w podobny sposób, z literą F na początku.

Flagi przechowują wartości wyników działań, a także mogą przekazywać

te wartości do i z podprogramów.

Tak zwane stałe flagi potrafią zachować swój stan nawet w przypadku

zaniku źródła energii.

Sterowania i napędy elektryczne

101

Minos

Lista instrukcji jest maszynowym językiem programowania, który jest

dostępny na większości platform programujących. Jednak nie wszyst-

kie języki typu lista instrukcji zgodne są z IEC 61131-3, pomimo użycia

oznaczenia STL przez producenta sterownika PLC. Dlatego też, często

niemożliwy jest prosty transfer programu napisanego w STL na platfor-

mie jednego producenta, do systemu programowania innego producenta

PLC.

Lista instrukcji pozwala na logiczne połączenie wejść i wyjść sterownika

PLC. W tym celu umieszcza się operator i argumenty w jednym wier-

szu.

Dodatkowo, każdy wiersz powinien zawierać komentarz, który wyjaśnia

operację. Praktyka taka znacząco upraszcza wprowadzanie zmian w

późniejszym czasie i zrozumienie programu. Komentarze powinny być

wpisywane w nawiasach z symbolem gwiazdki. System programowania

ignoruje takie komentarze, jedynie kod programu zostanie załadowany

do sterownika PLC.

Lampka kontrolna na wyjściu sterownika PLC powinna się zaświecić,

gdy dwa przyciski zostaną wciśnięte razem, lub gdy przełącznik kon-

trolny jest włączony. Program w formie listy instrukcji może wyglądać

następująco:

I0.0

(* przycisk 1 *)

I0.1

(* przycisk 2 *)

I0.2

(* przełącznik kontrolny *)

Q0.0

(* lampka kontrolna *)

W każdym wierszu, najpierw występuje oznaczenie operacji, następnie

argument. Komentarz zawsze usytuowany jest po prawej stronie wiersza.

Na wartościach z pierwszych dwóch wejść przeprowadzana jest operacja

AND. Wynik tej operacji oraz wartość wejścia trzeciego, są argumenta-

mi operacji OR. Znak równości oznacza, iż rezultat obliczeń logicznych

podawany jest na wyjście.

Lista instrukcji jest podobna do języka Assembler w programowaniu

komputerów. Strukturyzacja programu jest możliwa jedynie poprzez

komendy skoków.

Jedną z zalet języka STL jest zwięzłość kodu programu. Jest to bardzo

ważna cecha w przypadku PLC z małą ilością pamięci.

Listy instrukcji są głównie używane przez zaawansowanych programistów.

Użytkownicy z mniejszym doświadczeniem preferują języki programowa-

nia z wizualizacją, co powoduje, iż skomplikowane procesy w programie

wydają się bardziej oczywiste.

2.5.4 Lista instrukcji STL (Statement List)

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

102

Minos

Schemat drabinkowy jest graficzną reprezentacją programu. Wygląda

jak schemat przepływu prądu używany we wcześniejszych systemach

sterowania przekaźnikowego. Pojedynczy program podzielony jest na

sekcje, które nazywane są sieciami.

Schemat drabinkowy jest stosunkowo starą metodą reprezentacji graficz-

nej. Pojedyncze symbole mogą być przedstawiane za pomocą znaków

alfanumerycznych. Dlatego też, możliwe było wyświetlanie tych symboli

na starych wyświetlaczach, które pracowały tylko w trybie tekstowym.

Schemat drabinkowy jest także podobny do amerykańskiej reprezentacji

obwodów przekaźnikowych, w których pojedyncze ścieżki umieszczane

były poziomo.

Aby stworzyć schemat drabinkowy z europejskiego schematu obwodów

elektrycznych, najpierw trzeba go obrócić o 90° zgodnie ze wskazówka-

mi zegara. Następnie należy wykonać odbicie lustrzane względem osi

pionowej, i zamienić symbole na odpowiednie.

Schematy drabinkowe są szczególnie preferowane przez elektryków,

ponieważ są podobne do schematów z przekaźnikami. Schematy dra-

binkowe przede wszystkim wykorzystuje się w logicznych systemach

sterowania.

2.5.5 Schemat drabinkowy LD (Ladder Diagram)

Rys. 20:

Przykład schematu drabinkowego

–S1

–S2

–S3

–S4

–S5

–K1

Sterowania i napędy elektryczne

103

Minos

Język bloków funkcyjnych także jest graficzną reprezentacją programu.

Pojedyncze elementy funkcyjne połączone są ze sobą za pomocą funkcji

logicznych.

Podobnie jak w schemacie drabinkowym, program podzielony jest na

sieci. Sieci z funkcjami logicznymi mogą często łatwo zostać przekon-

wertowane na schemat drabinkowy, a schemat drabinkowy może zostać

przekonwertowany w język bloków funkcyjnych.

Elementy graficzne w języku bloków funkcyjnych są prostokątami po-

łączonymi ze sobą za pomocą poziomych i pionowych linii. Przepływ

sygnału w tym przypadku odbywa się z lewej strony na prawą. Wyjścia

kilku prostokątów nie mogą być po prostu połączone ze sobą. Muszą

zawsze być złączone jako wejścia kolejnego prostokąta

Wynik działania reprezentowanego przez prostokąt jest oznaczany po

prawej stronie. Tylko jeden wynik może być obliczany przez każdą sieć,

lecz może być zastosowany do paru wyjść równocześnie.

Język bloków funkcyjnych przede wszystkim używany jest przez osoby

z małym doświadczeniem programistycznym. Podobnie do schematu

drabinkowego, język ten przede wszystkim wykorzystywany jest do pro-

gramowania sterowań logicznych.

2.5.6 Schemat bloków funkcyjnych FBD (Function block diagram)

Rys. 21:

Przykład języka bloków funkcyjnych

–K1

>=1

–S1

–S2

–S3

–S4

–S5

Sterowania i napędy elektryczne

104

Minos

Sekwencyjny schemat funkcyjny jest kolejną reprezentacją graficzną.

Korzysta się z niego w szczególności w systemach sterowania sekwen-

cyjnego z obliczaniem krok po kroku.

Pojedyncze części sekwencyjnego schematu funkcyjnego są nazywane

krokami. Istnieją także tranzycje pomiędzy krokami, które również nazywa

się warunkami rozpoczęcia kroku. Kolejny krok może zostać rozpoczęty

jedynie w przypadku, gdy warunek tranzycji został spełniony.

Każdy krok zawiera akcję, która będzie wykonywana podczas tego kroku.

Dodatkowo, warunek musi być spełniony, aby krok mógł być realizowany.

Akcje mogą być jedynie obowiązujące podczas konkretnego kroku, lub

mogą ustawiać wyjście, które zostanie skasowane w kolejnym kroku.

Jest także możliwe rozdzielenie cyklu na kilka sekwencji, które mogą

być przetwarzane równocześnie, lub, pojedyncze sekwencje mogą być

wykonywane na zmianę w zależności od jakiegoś warunku. Różne cykle

są możliwe w zależności od stanu wejść.

2.5.7 Sekwencyjny schemat funkcyjny SFC (Sequential function chart)

Rys. 22:

Przykład wykresu funkcji sekwencyjnych

start

1N1

end

-S1

motor on

-K1

-S3

-S2

Sterowania i napędy elektryczne

105

Minos

Język ST jest językiem wysokiego poziomu i może być porównany z

językiem PASCAL z dziedziny programowania komputerów. Przede

wszystkim upraszcza on realizację procesów sterowania wymagających

złożonych obliczeń.

Język ST jest językiem tekstowym tak jak lista poleceń, lecz komendy

maszynowe języka STL nie są używane.

Zaletą języka tekstu strukturalnego, w porównaniu do listy poleceń, jest

możliwość zwięzłego formułowania funkcji programu. Struktura programu

staje się bardzo przejrzysta, korzystając z bloków instrukcji.

Są także pewne wady tego języka. Programista nie ma bezpośredniego

wpływu na kod maszynowy, ponieważ konwersja jest przeprowadzania

poprzez specjalny program konwertujący - kompilator. Dlatego też, pro-

gramy pisane w językach wysokiego poziomu na ogół działają wolniej i

zajmują więcej pamięci. Obniża to wydajność programu.

Program w języku tekstu strukturalnego składa się z wielu pojedynczych

instrukcji. Instrukcje rozdzielane są średnikami. W odróżnieniu od listy

poleceń, w tym przypadku instrukcje mogą zajmować wiele wierszy.

Możliwe jest także umieszczenie paru instrukcji w jednym wierszu.

Komentarze umieszczane są w nawiasach z gwiazdkami. Nie muszą

być usytuowane na końcu wiersza, lecz w każdym miejscu, gdzie mogą

wystąpić spacje, także w środku instrukcji.

Przypisanie w tekście strukturalnym wykonywane jest przy użyciu dwu-

kropka ze znakiem równości. Wartość wyrażenia po prawej stronie znaku

równości jest przypisywana zmiennej po lewej stronie. Rozgałęzianie

programu realizowane jest poprzez instrukcje IF. Tekst strukturalny nie

zawiera instrukcji skoku.

A := B + C (* dodawanie wartości zmiennych B i C *) ;

W powyższym przykładzie, wartości B i C są dodawane i wynik przypi-

sywany jest zmiennej A. Komentarz usytuowany jest na końcu wiersza.

Instrukcja zakończona jest średnikiem.

2.5.8 Język tekstu strukturalnego ST (Structured Text)

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

106

Minos

Elementy czasowe nazywane są także timerami. Używane są do wyko-

nywania różnego rodzaju opóźnień w programie, podobnie do przekaź-

ników czasowych w przekaźnikowych systemach sterowania. W każdym

przypadku, długość cyklu sterownika PLC musi być znacząco krótsza od

czasów opóźnień w elementach czasowych.

W zależności od rodzaju funkcji sterowania, używa się różnych rodzajów

timerów. Tak jak przekaźniki czasowe, istnieją opóźnienia załączenia i

opóźnienia wyłączenia. Niektóre timery używane są też do ustawiania

długości impulsów wejściowych.

Programowanie elementu czasowego w języku bloków funkcyjnych jest

proste do opisania. Oznaczenie timera jest umieszczane ponad blokiem.

Oznaczenie w górnej wewnętrznej części prostokąta determinuje rodzaj

użytego timera.

Poniższe porty timera muszą być w każdym przypadku podłączone:

warunek startu, uruchamia timer,

stała czasowa, długość opóźnienia,

wyjście, które zostaje ustawione po upływie ustalonego

czasu.

Dalsze porty mogą zostać użyte, gdy ich funkcje są potrzebne:

stop, zatrzymuje timer bez kasowania,

reset timera, kasowanie do stanu początkowego,

zwraca wartość pozostałego czasu w formie słowa maszy-

nowego.

2.5.9 Elementy czasowe

Rys. 23:

Timer w języku bloków funkcyjnych

T#1s
I0.1

I0.0

PT
ST

I0.2

Q1.0

Sterowania i napędy elektryczne

107

Minos

2.5.10 Liczniki

Rys. 24:

Liczniki odwrotne w języku bloków funkcyjnych

Liczniki mogą być na przykład używane do zliczania wykonanych cykli

maszyny, aby uzyskać ilość wykonanych sztuk. Mogą one przetwarzać

jedynie nieujemne liczby całkowite.

Istnieją różne typy liczników, w zależności od funkcji sterowania. Liczni-

ki odwrotne zostają zainicjowane pewną wartością i odliczają w dół do

momentu osiągnięcia zera. Liczniki liczące do przodu, lub inkrementery,

mogą rozpoczynać zliczanie od zera lub od innej wartości. Ich aktualna

wartość porównywana jest z wartością oczekiwaną. Gdy wartość oczeki-

wana zostaje osiągnięta, wyjście zostaje ustawione. Dodatkowo istnieją

liczniki połączone, mające możliwość odliczania do przodu i do tyłu.

Programowanie liczników w języku bloków funkcyjnych jest proste. Na-

zwa licznika umieszczona jest powyżej bloku. Opis w górnej wewnętrznej

części prostokąta określa rodzaj licznika.

Porty licznika mają poniższe funkcje:

impuls zliczany, licznik dodaje/odejmuje jedynkę za każ-

dym razem, gdy pojawia się impuls,

wartość licznika, wartość początkowa dla licznika odwrot-

nego,

załadowanie stałej do licznika, wykonywane, gdy na tym

wejściu pojawi się sygnał,

kasowanie licznika do jego stanu początkowego,

zwraca aktualny stan licznika, wartość ta może zostać po-

równana z inną wartością,

wyjście, zostaje ustawione w licznikach odwrotnych, gdy

zero zostanie osiągnięte.

I1.1

I1.0

PV
LD

I1.2

Q2.0

Sterowania i napędy elektryczne

108

Minos

Pamięć, także nazywana przerzutnikiem, potrzebna jest do podtrzymy-

wania krótkich sygnałów przez dłuższy czas. Nazywana jest bistabilną,

ponieważ utrzymuje jeden z dwóch stanów: włączona lub wyłączona.

Podanie sygnału na wejście S włącza pamięć i na wyjściu pojawia się

sygnał. Aby skasować pamięć podaje się sygnał na wejście R. Te funkcje

są identyczne dla obu rodzajów pamięci.

Różnica pojawia się, gdy sygnał jest podany na oba wejścia równocze-

śnie. W pamięci z dominującym ustawianiem, w takim przypadku pojawi

się sygnał na wyjściu. Natomiast w przypadku pamięci z dominującym

kasowaniem, przy podaniu sygnału na oba wejścia, sygnał na wyjściu

się nie pojawi.

Dlatego też, funkcjonalność pamięci jest analogiczna do układów prze-

kaźnikowych samoblokujących się z dominującym załączaniem lub

dominującym wyłączeniem.

2.5.11 Pamięć

Rys. 25:

Pamięć w języku bloków funkcyjnych i w tekście strukturalnym

dominujący sygnał

ustawiający

dominujący sygnał

kasujący

I0.0

I0.1

Q0.0

I1.0

I1.1

Q1.0

FUNCTION_BLOCK SR

VAR_INPUT

S1 : BOOL;

R : BOOL;

END_VAR

VAR_OUTPUT

Q1 : BOOL;

END_VAR

Q1 := S1 OR (NOT R AND Q1);

END_FUNCTION_BLOCK

FUNCTION_BLOCK RS

VAR_INPUT

S : BOOL;

R1 : BOOL;

END_VAR

VAR_OUTPUT

Q1 : BOOL;

END_VAR

Q1 := NOT R1 AND (S OR Q1);

END_FUNCTION_BLOCK

Sterowania i napędy elektryczne

109

Minos

Do sterowania procesami, w których czynności występują kolejno po

sobie, używa się sekwencji. Dla tego przypadku, sekwencyjny schemat

funkcyjny jest odpowiednim językiem. Sekwencje można także progra-

mować korzystając z pamięci z dominującym kasowaniem.

Każdy krok potrzebuje swojej własnej pamięci. Pierwszy krok może zostać

aktywowany, na przykład, przyciskiem “start” i warunkiem startu. Wyjście

pamięci ustawia flagę.

Następny krok zostaje aktywowany, gdy warunek zostanie spełniony.

Może się to stać jedynie wtedy, gdy flaga pierwszego kroku jest ustawiona.

Po uaktywnieniu drugiego kroku, pierwszy krok zostaje deaktywowany.

Na flagach mogą zostać przeprowadzone operacje logiczne w innej części

programu, i mogą zostać użyte jako wyjście sygnałowe.

Zgodnie z wymaganiami procesu, kroki zostają aktywowane jeden za

drugim. Przy aktywacji kolejnego kroku, poprzedni zostaje deaktywowany.

Taki schemat działania jest zbliżony do sekwencji kasowania w technice

przekaźnikowej.

2.5.12 Sekwencje

Rys. 26:

Sekwencja w języku bloków funkcyjnych

M0.2

M0.1

M0.3

M0.2

–S1

–B1

M0.1

–B2

Sterowania i napędy elektryczne

110

Minos

Sterowania i napędy elektryczne

111

Minos

3.1

Wstęp

Napędy elektryczne

Energia elektryczna jest wymagana lub wykorzystywana w wielu obsza-

rach techniki. Dlatego też, maszyny elektryczne należą do najważniej-

szego sprzętu. Energia elektryczna jest także używana w systemach

sterowania tych maszyn.

Maszyny elektryczne dzieli się na generatory i silniki. Generatory prze-

twarzają energię mechaniczną na energię elektryczną. Silniki odwrotnie

przetwarzają energię elektryczną na energię mechaniczną. Dlatego też,

silniki nazywa się także napędami.

Większość maszyn elektrycznych pracuje w ruchu obrotowym. Silniki,

które generują ruch liniowy, nazywa się silnikami liniowymi. Dobrze zna-

nym przykładem takiego silnika jest napęd Transrapid.

Rozmiary maszyn elektrycznych wahają się od silników o średnicach

kilku milimetrów, do generatorów o masie kilkuset ton.

Najmniejsze silniki mają moc około jednego miliwata. Natomiast naj-

większe generatory produkują moc elektryczną o wartości ponad tysiąca

megawatów. Podając w watach, zakres ten rozciąga się od 0,001 W do

1 000 000 000 W.

Transmisja i dystrybucja energii elektrycznej jest realizowana poprzez

sieci napięcia. Na dużych dystansach używa się sieci wysokiego napię-

cia. Odbiorniki energii są podłączone do sieci wysokiego napięcia za

pośrednictwem sieci średniego i niskiego napięcia.

Jedną z najważniejszych zalet napięcia zmiennego, które jest najuży-

teczniejszą formą energii, jest możliwość jego transformacji na inne

wartości za pomocą transformatorów. Transformatory mają zakresy mocy

odpowiadające zakresą mocy maszyn elektrycznych.

Przesył prądu stałego o wysokim napięciu jest wykorzystywany przy po-

łączeniach typu punkt-punkt. Jest on bardziej skomplikowany z technicz-

nego punktu widzenia, jednak straty są niższe przy dużych dystansach,

jak w przypadku przesyłu przez morze lub ocean.

Sterowania i napędy elektryczne

112

Minos

3.2

Pola elektryczne i magnetyczne

Ładunki elektryczne mogą być dodatnie lub ujemne. Elektrony mają ła-

dunek ujemny, natomiast jądro atomowe jest naładowane dodatnio.

Ładunki elektryczne oddziaływują na siebie z określoną siłą. Ładunki

tego samego typu odpychają się na wzajem, podczas gdy ładunki róż-

noimienne przyciągają się. Siły te uważa się za dodatnie, gdy ładunki się

odpychają. Przypadek ten ma miejsce w przypadku dwóch dodatnich lub

dwóch ujemnych ładunków.

Naładowana sfera działa na znajdujące się w pobliżu ładunki o przeciw-

nym znaku, siłą o kierunku ku środkowi sfery. Linie siły reprezentują linie

strumienia pola elektrycznego.

Kierunek tych linii jest ustalony od dodatnich do ujemnych ładunków, lub

od plusa do minusa. Innymi słowy, linie strumienia pola elektrycznego wy-

chodzą z ładunków dodatnich, a kończą się na ładunkach ujemnych.

–

Rys. 55:

Linie strumiena elektrycznego w polu elektrycznym

3.2.1 Pole elektryczne

Sterowania i napędy elektryczne

113

Minos

Linie strumienia w jednorodnym polu elektrycznym są równoległe. Przy-

padek ten ma miejsce, gdy przeciwnie naładowane są ciała tej samej

wielkości. Większość pól elektrycznych w maszynach jest niejednorod-

nych.

Im wyższa gęstość linii strumienia, tym intensywniejsze jest pole elek-

tryczne. Najczęstszą miarą pola elektrycznego jest wolt/metr (V/m).

Ilość ładunków na jednostce powierzchni nazywana jest gęstością po-

wierzchniową ładunku. Przemieszczenie się ładunków w kierunku linii

strumienia jest także nazywane gęstością strumienia elektrycznego lub

gęstością przemieszczenia.

Pola elektryczne są także generowane wokół przewodników elektrycz-

nych, które przenoszą ładunki elektryczne. Przewodnik ze swoją izolacją

tworzą pojemność. Odwrotnie niż w przypadku kondensatorów, ta pojem-

ność jest na ogół niepożądana w przewodnikach elektrycznych.

Napięcie na kondensatorze podłączonym do sinusoidalnie zmiennego

napięcia, zmienia się w sposób ciągły. Najszybsza zmiana napięcia i

najintensywniejszy przepływ prądu mają miejsce przy przecinaniu zera

przez krzywą sinusoidalną napięcia.

Napięcie nie ulega zmianie na wierzchołkach krzywej sinusoidalnej. Wte-

dy też nie płynie żaden prąd. Oznacza to, iż napięcie na kondensatorze

wyprzedza prąd o 90°.

Przesunięcie napięcia i prądu jest nazywane przesunięciem fazowym.

Ponieważ napięcie przybiera dodatnie i ujemne wartości, prąd w jednym

momencie wpływa do kondensatora, a w innym wypływa z niego. Dlatego,

kondensator pobiera część mocy z sieci, i oddaje ją później.

W przypadku przesunięcia fazowego o 90°, przyjęta moc jest równa mocy

oddanej. Oscylująca mocy jest nazywana mocą bierną.

Pobór mocy biernej powoduje rezystancja reaktancyjna. W odróżnienu

od rezystancji reaktancyjnej cewek, kondensatory posiadają tak zwaną

reaktancję pojemnościową.

Każde pole elektryczne magazynuje energię. Energia ta jest gromadzona

w kondensatorach. Ilość energii zależy od napięcia i pojemności. Jed-

nakże te ilości energii nie są wystarczająco duże, aby korzystać z nich

w istotny sposób w technologii energetycznej.

Sterowania i napędy elektryczne

114

Minos

3.2.2 Pole magnetyczne

Magnetyzm jest wywołany ruchem elektronów. Elektrony orbitują wokół

jądra atomowego, generując siły magnetyczne. Różne materiały działają

na zewnętrzne pola magnetyczne w różny sposób.

Umieszczanie materiałów paramagnetycznych w polu magnetycznym

powoduje niewielkie zwiększenie pola magnetycznego. Do tych mate-

riałów należą aluminium i wiele materiałów izolujących.

Natomiast materiały diamagnetyczne osłabiają pole magnetyczne. Miedź,

srebro i złoto należą do materiałów diamagnetycznych.

Zelazo, nikiel i kobalt są materiałami ferromagnetycznymi. Takie materiały

znacząco wzmacniają pole magnetyczne, w którym się znalazły. Pole

magnetyczne jest skoncentrowane w materiałach ferromagnetycznych.

Dlatego też, materiały ferromagnetyczne są często wykorzystywane w

maszynach elektrycznych.

Materiały ferrimagnetyczne zachowują się podobnie. Jednakże, nie

wzmacniają one pola magnetycznego tak znacząco, jak materiały fer-

romagnetyczne. Dwutlenek chromu i ferryt należą do materiałów ferri-

magnetycznych. Materiały te są wykorzystywane przede wszystkim w

technologii komunikacyjnej.

Gdy prąd elektryczny płynie przez przewodnik, wokół niego wytwarzane

jest pole magnetyczne. W tym przypadku, pole magnetyczne ma formę

współśrodkowych pierścieni. Kierunki linii strumienia magnetycznego

mogą być ustalone za pomocą zasady śruby prawoskrętnej. Podczas

wkręcania śruby, kierunek obrotu wskazuje kierunek linii strumienia

magnetycznego, podczas gdy ruch liniowy śruby wskazuje kierunek

przepływu prądu.

Gdy prąd elektryczny płynie w tym samym kierunku przez dwa równoległe

przewodniki, przyciągają się one na wzajem. Natomiast przewodniki od-

pychają się w przypadku, gdy prąd płynie w przeciwnych kierunkach.

Wiele szerergowo połączonych zwojów tworzy cewkę. Gdy prąd elek-

tryczny płynie przez cewkę, linie strumienia pojedynczych zwojów łączą

się, tworząc elektromagnes.

Strona, z której linie strumienia opuszczają cewkę, jest nazywana biegu-

nem północnym. Ponieważ prąd płynie przez sąsiednie zwoje w tym sa-

mym kierunku, zwoje te przyciągają się, utrzymując integralność cewki.

Cewki są ważnymi elementami silników elektrycznych i transformatorów.

Działanie magnetyczne zależy od natężenia prądu i ilości uzwojeń. Iloczyn

obu tych wartości daje siłę magnetomotoryczną.

Sterowania i napędy elektryczne

115

Minos

Im większa siła magnetomotoryczna i mniejsza cewka, a zarazem, mniej-

sza długość linii strumienia, tym większa siła pola magnetycznego.

Gęstość strumienia jest ważną wielkością w przypadku cewek magnetycz-

nych. Dla cewek z rdzeniem żelaznym, wartość ta może zostać odczytana

z krzywej magnetyzacji, która różni się dla różnych materiałów.

Materiały wykorzystywane w maszynach elektrycznych i transformato-

rach osiągają nasycenie magnetyczne przy pewnych natężeniach pola

magnetycznego. Oznacza to, iż gęstość strumienia nie może zostać

zwiększona poprzez podnoszenie natężenia pola.

Mnożąc natężenie strumienia magnetycznego i pole przekroju rdzenia

cewki, otrzymujemy gęstość strumienia magnetycznego. Wartość strumie-

nia magnetycznego w maszynach elektrycznych zależy od ilości uzwojeń

i współczynnika uzwojenia. W poniższym przypadku, użyta została idea

połączonego strumienia.

Rys. 56:

Linie strumiena w polu magnetycznym

Sterowania i napędy elektryczne

116

Minos

3.2.3 Indukcja

Gdy prąd elektryczny płynie przez przewodnik, powstaje wokół niego

pole magnetyczne. Jeżeli ten przewodnik zostanie umieszczony w in-

nym polu magnetycznym, zachodzi interakcja pomiędzy oboma polami.

Jeżeli prąd płynie diagonalnie do zewnętrznego pola magnetycznego,

na przewodnik działa siła. Siła ta, działająca pionowo na przewodnik,

nazywana jest siłą Lorentz’a.

Kierunek działania siły może zostać ustalony za pomocą reguły lewej

ręki. Jeżeli lewa ręka jest trzymana płasko tak, że linie pola wchodzą w

jej wewnętrzną powierzchnię i palce wskazują kierunek przepływu prądu,

to oddzielony kciuk wskazuje kierunek siły. Reguła ta jest także zwana

regułą silnikową, ponieważ siły te są wykorzystywane do generowania

ruchu.

Cewka składa się z wielu szeregowo połączonych zwojów przewodzą-

cych, co pozwala na zwielokrotnienie działającej siły. Wykorzystywane

jest to przede wszystim w silnikach. Pole magnetyczne cewek jest także

wykorzystywane w lampach kineskopowych do odchylania strumienia

elektronów. W tym przypadku nie potrzebny jest przewodnik. Ruch elek-

tronów jest wystarczający do wygenerowania siły Lorentz’a.

Natomiast ruch przewodnika w polu magnetycznym powoduje genero-

wanie napięcia w tym przewodniku. Ten efekt nazywany jest indukcją.

Jeżeli oba końce przewodnika zostaną połączone, popłynie przez niego

prąd, równoważący różnicę potencjałów.

Wyindukowany prąd także generuje pole magnetyczne. To pole jest zo-

rientowane tak, aby hamować ruch przewodnika. Dlatego też, wymagana

jest działanie zewnętrznej siły, aby przewodnik kontynuował ruch. Ta

zasada jest wykorzystywana w generatorach, gdzie zewnętrzny napęd

jest wykorzystywany do generowania napięcia i prądu elektrycznego.

Reguła prawej ręki jest wykorzystywana do ustalenia kierunku przepływu

prądu. Jeżeli prawa ręka jest trzymana płasko tak, że linie pola wchodzą

w jej wewnętrzną powierzchnię i oddzielony kciuk wskazuje kierunek

ruchu, to palce wskazują kierunek przepływu wyindukowanego prądu.

Ta reguła jest także nazywana regułą generatora.

Wyindukowane napięcie może zostać zwiększone przez dołączanie

przewodnika w postaci zwojów, tworząc cewki. Im więcej zwojów ma

cewka i im bardziej intensywne są zmiany strumienia magnetycznego,

tym wyższe napięcie zostanie wyindukowane. Może być ono regulowane

na przykład poprzez zmiany prędkości obrotowej generatorów.

Sterowania i napędy elektryczne

117

Minos

Gdy prąd przemienny płynie przez cewkę z masywnym stalowym rdze-

niem, tak zwane prądy wirowe zostaną wyindukowane w rdzeniu.

Ponieważ stal jest dobrym przewodnikiem elektrycznym, prądy wirowe

mogą powodować intensywne grzanie się stalowego rdzenia. Aby zmi-

nimalizować wpływ prądów wirowych, rdzenie stalowe budowane są z

cienkich blach izolowanych warstwą farby. W takim przypadku, jedynie

słabe prądy wirowe powstają w pojedynczych warstwach rdzenia.

Podczas podłączania cewki do napięcia stałego, pole magnetyczne po-

wstaje w cewce - wraz z podłączeniem napięcia. Pole to indukuje napięcie

w cewce, które powoduje, iż prąd płynący przez cewkę narasta wolniej.

To samoindukowane napięcie działa przeciwnie do przepływu prądu.

Podczas wyłączania prądu stałego, także powstaje samoindukowane na-

pięcie. W tym przypadku działa ono w tym samym kierunku, co przepływ

prądu, który płynął przed wyłączeniem napięcia stałego. Takie napięcia

mogą mieć duże wartości i mogą powodować łuk elektryczny na prze-

łącznikach, który niszczy styki tych przełączników.

Aby zapobiec temu zjawisku, tak zwana dioda swobodnego obrotu przy-

łączona jest równolegle do cewki. Ta dioda blokuje prąd podczas normal-

nej pracy, a przepuszcza prąd wygenerowany przez samoindukcję przy

wyłączaniu. Przepływ prądu przez cewkę powoli opada, zapobiegając

jakimkolwiek uszkodzeniom styków przełącznika.

Cewki są także nazywane induktywnościami. Pojęcie induktywności także

wyraża zdolność cewki do indukowania napięcia.

Gdy na cewkę zostanie podane napięcie zmienne, indukcja powstrzymuje

przepływ prądu. Dlatego też, prąd osiąga swoją maksymalną wartość

później niż napięcie.

Podobnie jak w przypadku kondensatorów, przesunięcie fazowe ma war-

tość 90°. Jednak w tym przypadku to napięcie na cewce wyprzedza prąd.

Reaktancja cewki jest także określana mianem reaktancji indukcyjnej.

Pola magnetyczne także gromadzą energię, podobnie do pól elektrycz-

nych. Ilość energii zależy od indukcyjności cewki i wartości prądu.

Sterowania i napędy elektryczne

118

Minos

3.3

Podstawowe informacje o źródłach prądu elektrycznego

Pojęcie generowania prądu oznacza przetwarzanie innych form energii

w energię elektryczną. Bezpośrednie wytwarzanie energii jest niemoż-

liwe.

Energia elektryczna nie może być magazynowana w dużych ilościach.

Dlatego też, prąd elektryczny musi być generowany i zużywany jedno-

cześnie.

Duża część energi elektrycznej w Niemczech jest generowana w elek-

trowniach węglowych i atomowych. W obu tych typach elektrowni, woda

jest podgrzewana do uzyskania pary wodnej. Para ta jest wykorzystywana

do napędzania turbin, które są połączone z generatorami. Ostatecznie,

generatory produkują energię elektryczną.

Ilość wytwarzanej pary wodnej nie może zostać zmieniona bardzo szyb-

ko. Dlatego też, elektrownie węglowe są używane jako elektrownie o

średnim obciążeniu, podczas gdy elektrownie atomowe stanowią część

elektrowni o obciążeniu bazowym, ze względu na złożony proces roz-

ruchu elektrowni.

Czas rozruchu elektrowni z turbinami gazowymi jest bardzo krótki. Uży-

wane są one w średnich i szczytowych zakresach obciążeń. Działają na

zasadzie generatorów napędzanych turbinami gazowymi.

Elektrownie wodne i wiatrowe należą do odnawialnych źródeł energii.

Także w tych przypadkach, turbina lub łopatki wirnika używane są do

napędzania generatora.

Elektrownie słoneczne z ogniwami słonecznymi nie wymagają generato-

ra. Ogniwa słoneczne produkują energię elektryczną wprost ze światła

słonecznego. Natomiast elektrownie słoneczno-cieplne produkują parę

wodną, która napędza turbiny generatorów.

Ogniwa paliwowe są kolejną możliwością generowania energii elektrycz-

nej bez użycia generatorów. W tym przypadku, wodór reaguje z tlenem

tworząc wodę, generując po drodze energię elektryczną. Jednak ogniwa

paliwowe nie są szeroko wykorzystywane do generacji energii.

Stacje magazynowania mocy w przepompowywanych zbiornikach są

używane głównie do gromadzenia energii elektrycznej. Nadprodukcja

energii jest wykorzystywana do pompowania wody do wysoko usytuowa-

nego zbiornika. Pozwala to na generowanie dodatkowej energii poprzez

turbiny, w czasie szczytowego zapotrzebowania na energię.

3.3.1 Wytwarzanie prądu

Sterowania i napędy elektryczne

119

Minos

3.3.2 Przesyłanie i dystrybucja prądu elektrycznego

Energia elektryczna generowana w elektrowniach jest dystrybuowana

za pośrednictwem sieci elektrycznych. Sieci wysokonapięciowe pracują

przy napięciach ponad 1000 V.

Sieci wysokiego napięcia na ogół przesyłają prąd trójfazowy. Używane

napięcia to 110 kV, 220 kV lub 380 kV. Wartości napięcia od 220 kV

wzwyż nazywane są ekstra-wysokimi napięciami.

Sieci z napięciem 220 kV i 380 kV przesyłają energię na bardzo duże

odległości. Duże elektrownie są przede wszystkim podłączane do sieci

energetycznych z 380 kV. Takie sieci są na ogół realizowane jako linie

nadziemne.

Sieci wysokiego stałego napięcia i jednofazowe sieci kolejowe pracują na

stałym prądzie. Wydatki związane z przesyłem prądu stałego są wyższe,

lecz straty na liniach są niższe w związku z brakiem wpływu reaktancji

przewodów.

Sieci, które dystrybuują napięcia o wartościach 10, 20 lub 30 kV są na-

zywane sieciami średniego napięcia. Te sieci są połączone z sieciami

wysokonapięciowymi i niskonapięciowymi za pomocą transformatorów

w podstacjach transformatorowych.

Każdy duży odbiorca podłączony jest bezpośrednio do sieci średniego

napięcia. Dystrybucja energii jest dokonywana albo za pośrednictwem

podwieszonych linii na masztach, albo za pośrednictwem podziemnych

kabli. Linie podwieszone stosuje się przede wszystkim na otwartym te-

renie, podczas gdy w miastach raczej używa się kabli podziemnych.

Dystrybucja do pojedynczych, drobnych odbiorców, jest realizowana

poprzez sieci niskiego napięcia. Te sieci pracują przy napięciach 400

V/230 V. W tym przypadku także używa się linii podwieszonych, bądź

kabli podziemnych.

Kable podziemne są mniej wrażliwe na wypadki niż linie podwieszane,

wymagają także mniej przestrzeni i nie pogarszają widoku. Jednakże,

są droższe z powodu wymaganych prac ziemnych. Aluminium lub miedź

mogą zostać użyte jako materiał przewodzący.

Sieci dystrybucyjne są połączone z odbiorcą energii za pomocą połączeń

domowych. Główna skrzynka podłączeń zawiera przełączniki bezpie-

czeństwa dla osobnych linii.

Sterowania i napędy elektryczne

120

Minos

3.4

Transformatory

Transformator na ogół składa się z dwóch izolowanych elektrycznie

uzwojeń. Połączenie tych uzwojeń jest dokonywane za pomocą pola

magnetycznego. Stalowy rdzeń transformatora przewodzi strumień pola

magnetycznego.

Idealny transformator jest wolny od strat, czyli jego sprawność to 100

%. Rzeczywisty transformator z nieobciążonym uzwojeniem wtórnym,

zachowuje się jak transformator idealny. Stan ten nazywa się pracą

spoczynkową transformatora.

Transformatory mogą przetwarzać napięcia, prądy, rezystancje, pojem-

ności i indukcyjności.

Stosunek napięć na wejściu i wyjściu transformatora idealnego jest równy

stosunkowi ilości zwojów na uzwojeniach pierwotnym i wtórnym.

współczynnik transformatora

napicie wejściowe

napięcie wyjściowe

ilość zwojów na wejściu

ilość zwojów na wyjściu

t = U

/ U

= N

/ N

Stosunek prądu wejściowego i wyjściowego jest równy odwrotności

stosunku liczby uzwojeń:

prąd wejściowy

prąd wyjściowy

ilość zwojów na wejściu

ilość zwojów na wyjściu

t = I

/ I

= N

/ N

Idealny transformator ma 200 zwojów na wejściu i 800 zwojów na wyj-

ściu. Napięcie wejściowe jest równe 48 V. Ile wynosi wartość napięcia

na wyjściu? Jaka jest wartość natężenia prądu wejściowego, jeżeli prąd

wyjściowy to 2 A?

Napięcia:

/ U

= N

/ N

48 V / U

= 200 / 800

= 192 V

Napięcie wyjściowe wynosi 192 V.

3.4.1 Transformator idealny

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

121

Minos

Prądy:

/ I

= N

/ N

/ 2 A = 800 / 200

= 8 A

Natężenie prądu wejściowego wynosi 8 A.

W idealnym transformatorze, stosunek podłączonych rezystancji jest

równy kwadratowi stosunku transformatora:

stosunek transformatora

impedancja wejściowa

impedancja wyjściowa

ilość zwojów na wejściu

ilość zwojów na wyjściu

= Z

/ Z

= N

/ N

Idealny transformator ma 200 zwojów na wejściu i 800 zwojów na wyjściu.

Rezystancja na wyjściu równa jest 500 Ω. Jak ta rezystancja wpływa na

stronę wejściową?

/ Z

= N

/ N

/ 500 Ω = 200

/ 800

= 31,25 Ω

Nie tylko impedancje ulegają transformacji, lecz także reaktancje. Za-

równo pojemnościowe i indukcyjne reaktancje, jak i pojemności i induk-

cyjności.

Poniższe obliczenia są wykorzystywane do obliczania pojemności C i

induktywności L:

pojemności:

1 / t

= C

/ C

indukcyjności:

= L

/ L

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

122

Minos

Przy pracy spoczynkowej, cewka wyjściowa jest nieobciążona. W tym

przypadku transformator zachowuje się jak cewka o wysokiej induktyw-

ności.

Podając zbyt wysokie napięcie na wejście transformatora powoduje się

intensywny wzrost prądu magnetyzującego. Może to spowodować prze-

palenie cewki i zniszczenie transformatora.

Prąd pracy spoczynkowej wzrasta z powodu szczelin powietrznych w

stalowym rdzeniu transformatora. Obniża to współczynnik sprawności

transformatora. Aby zminimalizować wpływ tego efektu, płyty stalowego

rdzenia powinny być umieszczane na sobie w taki sposób, że połączenia

są usytuowane na przemian po różnych stronach rdzenia.

Prąd włączenia transformatora może przyjąć bardzo wysokie wartości,

ponad dziesięciokrotnie wyższe, niż prąd znamionowy. Tak wysokie prą-

dy mogą także pojawić się podczas odciążania transformatora. Dlatego

też, wyłączniki zabezpieczające na wejściu transformatora muszą być

zaprojektowane na podwójny prąd znamionowy.

W obciążonych transformatorach, część linii strumienia pola magne-

tycznego przechodzi na zewnątrz rdzenia stalowego przez powietrze.

Ta część strumienia magnetycznego jest nazywana strumieniem stero-

wania. Powoduje on potrzebę ekranowania w wielu transformatorach,

szczególnie w technologiach telekomunikacyjnych.

Aby zmierzyć napięcie zwarcia transformatora, należy połączyć oba

podłączenia wyjścia. W tym przypadku, napięcie zwarcia jest napięciem

wejściowym, podczas podawania prądu znamionowego.

Niskie napięcie zwarcia oznacza, iż wewnętrzna rezystancja transforma-

tora jest niska. Gdy takie transformatory pracują z obciążeniem, napięcie

wyjściowe spada niewiele. Jednakże, przy niskich wartośćiach rezystacji

wejściowej, wartości natężenia prądu zwarcia są duże. Może to spowo-

dować zniszczenie uzwojenia i całego transformatora.

Napięcie zwarcia w trójfazowych transformatorach i w transformatorach

sieciowych wynosi mniej niż 10 % napięcia znamionowego, podczas gdy

w transformatorach dzwonkowych to około 40 %.

3.4.2 Transformator rzeczywisty

Sterowania i napędy elektryczne

123

Minos

Stosunek mocy rzeczywistej na wyjściu do mocy rzeczywistej na wejściu

jest określany jako współczynnik sprawności. Współczynnik ten jest

zmniejszany przez straty w rdzeniu i w cewkach.

Strumień magnetyczny wewnątrz rdzenia stalowego utrzymuje się niemal

bez zmian, niezależnie od obciążenia. Dlatego też, straty na rdzeniu są

niemalże stałe.

Natomiast strata mocy na cewkach rośnie z czwartą potęgą obciążenia.

Konsekwencją tego jest fakt, iż sprawność transformatora generalnie

zależy od obciążenia. W transformatorach sieciowych, obie wartości strat

mocy są mniej więcej równe.

Straty mocy w uzwojeniach nie istnieją w uzwojeniu wyjściowym trans-

formatora nieobciążonego. W tym przypadku, straty mocy uzwojenia

wejściowego są także bardzo niskie, ponieważ przepływający prąd jest

także niski.

Zatem moc zużywana przez transformator w pracy jałowej równa jest

stratom na rdzeniu stalowym. Straty mocy na rdzeniu mogą być mierzone

poprzez test pracy jałowej.

Straty mocy na cewkach mogą być wyznaczone wykonując test zwarcia

przy obciążeniu znamionowym. W tym przypadku, prądy znamionowe

płyną przez uzwojenia, powodując straty mocy.

Napięcia podczas testu zwarcia są niskie, co powoduje, że strumień

magnetyczny wewnątrz rdzenia jest także niski, a straty w rdzeniu po-

mijalnie małe.

Roczny współczynnik sprawności opisuje stosunek wytworzonej pracy

do zużytej pracy podczas jednego roku. Różnica między tymi dwoma

wartościami jest stratą pracy na transformatorze.

Ponieważ straty na rdzeniu są niezależne od obciążenia, niższy współ-

czynnik sprawności rocznej jest wtedy, gdy transformator jest włączony

bez obciążenia przez dłuższy czas, a obciążenia są podawane tymcza-

sowo.

Transformatory, które pracują pod obciążeniem tylko przez krótkie

okresy czasu i muszą być włączone przez długi okres, powinny być

konstruowane w taki sposób, aby straty na rdzeniu były niższe od strat

na uzwojeniach.

Sterowania i napędy elektryczne

124

Minos

Maszyny elektryczne o ruchu obrotowym posiadają wirnik, który obraca

się podczas pracy. Te maszyny mogą być nazywane generalnie maszy-

nami elektrycznymi, gdy nie zachodzi ryzyko pomyłki z innymi maszynami

elektrycznymi.

Maszyny elektryczne mogą być podzielone względem ich funkcji na silniki,

generatory i przetwornice.

Silniki transformują energię elektryczną na energię mechaniczną. Uży-

wane są powszechnie jako napędy w wielu obszarach zastosowań.

Generatory są użyte do przetwarzania energii mechanicznej na enerigę

elektryczną. Energia elektryczna jest na ogół generowana za pomocą

wielkich agregatów, zatem generatory są na ogół większe od silników,

Małe generatory są wykorzystywane w rezerwowych systemach zaopa-

trzania w energię. Samochody także wyposażone są w małe generatory.

Te generatory są nazywane alternatorami.

Przetwornice elektrycze są wykorzystywane do transformacji energii elek-

trycznej o określonym napięciu i częstotliwości na inną wartość napięcia

lub częstotliwości. Jednakże, dzięki postępowi w elektronice, ta funkcja

jest często realizowana przez falowniki. Te urządzenia elektroniczne nie

posiadają żadnych elementów obrotowych.

Obrotowe maszyny elektryczne mogą być zasilane różnymi typami prądu

elektrycznego. Prąd trójfazowy jest używany bardzo często, a maszyny

przez ten rodzaj prądu zasilane to maszyny trójfazowe.

Maszyny na jednofazowy prąd zmienny są także często używane, nato-

miast maszyny na prąd stały są spotykane rzadziej.

Silniki są także nazywane maszynami z wirującym polem, ponieważ na

takiej zasadzie powstaje w nich moment obrotowy.

Maszyny synchroniczne są maszynami elektrycznymi z prędkością ob-

rotową równą częstotliwości wirującego pola. Natomiast prędkość obro-

towa silników asynchronicznych jest wyższa lub niższa od częstotliwości

wirowania pola.

W silnikach indukcyjnych energia elektryczna jest przekazywana do wir-

nika za pomocą indukcji. W tym przypadku nie wymagane są szczotki.

3.5

Maszyny elektryczne o ruchu obrotowym

3.5.1 Wstęp

Sterowania i napędy elektryczne

125

Minos

Gdy magnes stały w kształcie sztaby wiruje wokół swojego środka, pole

magnetyczne także wiruje. Powstaje wirujące pole.

Trójfazowy prąd zmienny pozwala wygenerować wirujące pole bez użycia

obracającego się magnesu. W tym celu, trzy cewki są równo rozmiesz-

czone co 120°.

Każda z tych cewek wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez

nią zmienny prąd trójfazowy. Te pola łączą się razem tworząc łączne

pole magnetyczne.

Ponieważ fazy prądu zmiennego są także przesunięte o 120°, dwubiegu-

nowe pole magnetyczne zostanie wygenerowane przez cewki. Powstałe

wirujące pole magnetyczne obraca się o pełne 360° podczas każdego

cyklu. Gdy wykorzystuje się częstotliwość 50 Hz, powstaje prędkość

obrotowa równa 3000 obrotom na minutę.

Gdy użyte jest sześć cewek, są one ustawione co 60°. Powstaje wtedy

czterobiegunowe wirujące pole, które wiruje pół obrotu podczas cyklu. Za-

tem przy 50 Hz powstaje prędkość obrotowa 1500 obrotów na minutę.

3.5.2 Maszyny z wirującym polem magnetycznym

90°

180°

270°

360°

120°

Rys. 57:

Linie strumienia pola magnetycznego

Sterowania i napędy elektryczne

126

Minos

Straty podczas funkcjonowania są nieuniknione podczas przetwarzania

energii elektrycznej w mechaniczną w silnikach, a także w odwrotnym

procesie w generatorach. Straty powodują nagrzewanie.

Straty w rdzeniach są stratami spowodowanymi przez prądy wirowe

i odwrotne magnetyzowanie w materiałach magnetycznych. Straty w

cewkach wystepują na oporności uzwojeń.

Opory ruchu powodują dodatkowe straty, tak jak opór w łożyskach i na

szczotkach.

Sprawność silnika charakteryzuje łączne straty. Jest ona stosunkiem

mocy oddanej do mocy pobranej.

Moc wyjściowa silnika może zostać określona poprzez pomiar momentu i

prędkości obrotowej. Moc wejściowa jest pobierana z sieci i może zostać

zmierzona za pomocą odpowiednich przyrządów pomiarowych.

Moment jest to siła na obwodzie wału napędowego. Może zostać zmie-

rzony na przykład za pomocą prądnicy DC.

Prądnice DC są także nazywane miernikami mocy. Składają się one z

generatora prądu stałego, którego część zewnętrzna, stator, jest zamon-

towany na przegubie. Podczas procesu pomiaru momentu, moment działa

na obudowę generatora.

Moment ten jest przekazywany na miernik za pomocą dźwigni, która

pozwala na pomiar siły wygenerowanej przez moment. Energia elek-

tryczna wyprodukowana przez generator jest transformowana na ciepło

za pomocą rezystorów obciążenia.

Iloczynem znamionowej prędkości obrotowej silnika i znamionowego

momentu jest moc znamionowa. Reprezentuje ona moc mechaniczną

otrzymywaną na wale wyjściowym. Wartości najważniejszych parametrów

silnika można znaleźć na jego tabliczce znamionowej.

Kierunek obrotu silnika jest kierunkiem obrotu wału, patrząc się na niego

od tyłu. Ruch w prawo nazywa się ruchem zgodnm ze wskazówkami

zegara, natomiast ruch w lewo nazywa się przeciwnym do ruchu wska-

zówek zegara.

Obrót zgodnie ze wskazówkami zegara otrzymuje się poprzez podłącze-

nie zacisków U1, V1 i W1 silnika trójfazowego z przewodami faz L1, L2

i L3. Kierunek ruchu może zostać odwrócony poprzez zamianę dwóch

spośród trzech przewodów fazowych.

3.5.3 Moment i moc

Sterowania i napędy elektryczne

127

Minos

3.6

Silniki asynchroniczne

Silniki asynchroniczne są zasilane napięciem zmiennym jedno- lub trój-

fazowym. Posiadają wiele zastosowań. Wirujące pole stojana indukuje

napięcie w wirniku, które powoduje ruch wirnika.

Energia jest przekazywana do wirnika za pośrednictwem indukcji. Dlatego

też, silniki asynchroniczne są także nazywane silnikami indukcyjnymi. Nie

potrzebne są szczotki do przekazywania prądu do wirnika.

Prędkość obrotowa wirnika dla maszyn asynchronicznych różni się nie-

znacznie od częstotliwości pola magnetycznego w stojanie. Różnica ta

nazywana jest poślizgiem. Mierzona jest w procentach częstotliwości

pola wirującego. Dla silników mieści się on w zakresie od 3 do 8 % czę-

stotliwości wirowania pola.

Prędkość obrotowa silnika asynchronicznego jest niższa niż częstotliwość

pola wirującego. Natomiast prędkość obrotowa generatora asynchronicz-

nego jest nieznacznie wyższa od częstotliwości wirującego pola.

Jeśli silnik asynchroniczny jest napędzany siłą zewnętrzną, która przyśpie-

szy jego prędkość obrotową, funkcjonuje on jako generator. Generatory

asynchroniczne są używane do generowania mocy do 5 KW.

Generatory asynchroniczne muszą być podłączone do sieci zasilania,

co generuje pole wirujące w stojanie. Zatem moc bierna pobierana jest

z sieci. Generatory asynchroniczne oddają moc czynną do sieci.

Dwubiegunowy silnik trójfazowy jest podłączony do sieci 50 Hz. Jego

wirnik obraca się z prędkością obrotową równą 2850 obr/min. Ile wynosi

poślizg?

Wirujące pole silnika dwubiegunowego przy 50 Hz wiruje z częstotliwo-

ścią 3000 obrotów na minutę. Zatem, różnica pomiędzy częstotliwością

wirującego pola a prędkością obrotową wynosi 150 obr/min.

Wartość poślizgu jest równa stosunkowi różnicy częstotliwości do czę-

stotliwości pola wirującego

s = 150 min

-1

/ 3000 min

-1

= 0,05 = 5,0 %.

Prędkość obrotowa silnika zmniejsza się przy zwiększającym się obcią-

żeniu. Dlatego poślizg jest zależny od obciążenia.

Przykład

Sterowania i napędy elektryczne

128

Minos

3.6.1 Wirnik klatkowy

Wirnik silników asynchronicznych najczęściej ma budowę klatkową. Poza

wałem i konstrukcją z laminowanej blachy, wirnik klatkowy posiada także

dwa pierścienie zwierające połączone ze sobą za pomocą prętów.

Pręty ułożone są w rowkach konstrukcji blaszanej wirnika. Pręty i pier-

ścienie zwierające tworzą klatkę. Stąd nazwa wirnik klatkowy.

Pręty są na ogół ustawione lekko ukośnie, co powoduje, że wartość mo-

mentu jest niezależna od pozycji wirnika. Wykorzystywane pręty na ogół

mają przekrój okrągły, lecz prostokątne pręty są także spotykane.

Klatka jest wykonana z aluminium lub miedzi. Straty w miedzianych

prętach są niższe, zatem sprawność silnika jest nieznacznie wyższa. Ze

względu na niższe straty mocy, w wirnikach miedzianych nie ma potrzeby

montowania radiatorów na pierścieniach zwierających, jak ma to miejsce

w wirnikach aluminiowych.

Dodatkowo, silniki z miedzianym wirnikiem są także nazywane silnikami

energooszczędnymi. Jednak moment rozruchowy tych silników jest niż-

szy niż tych z wirnikiem aluminiowym, ponieważ rezystancja efektywna

miedzi jest niższa.

Wirujące pole jest generowane przez uzwojenia stojana. Indukuje ono

napięcie w klatce wirnika i prąd płynie przez przewodniki klatki, które są

połączone poprzez pierścienie zwierające.

Prąd na wirniku generuje pole magnetyczne, które obraca wirnik w

kierunku wirowania pola magnetycznego stojana. Gdy wirnik osiągnie

prędkość obrotową równą częstotliwości wirowania pola stojana, napię-

cie przestanie być indukowane w wirniku i żaden moment nie zostanie

wygenerowany.

Dlatego też, prędkość obrotowa wirnika w silnikach asynchronicznych

musi zawsze być niższa od prędkości wirowania pola stojana, o wartość

poślizgu.

Wirnik w silnikach klatkowych jest na ogół umieszczony wewnątrz stoja-

na. Jednak możliwe jest także ulokowanie wirnika na zewnątrz. Wirniki

zewnętrzne można znaleźć przede wszystkim w małych silnikach. W

takim przypadku, zewnętrzny wirnik jest wykorzystywany bezpośrednio

do napędzania, na przykład bębna pasowego.

Sterowania i napędy elektryczne

129

Minos

Zmienne pola magnetyczne powstają w silnikach zaprojektowanych na

jednofazowy prąd zmienny. Te pola mogą zostać rozłożone na dwa równe

pola z odwrotnym zwrotem.

Taka konstrukcja silnika jest nazywana silnikiem rozruchowym. Gdy jeden

z kierunków obrotu zostanie aktywowany, zmienne pole magnetyczne

wywoła moment obrotowy działajacy na wirnik klatkowy i silnik podtrzyma

ruch w aktywowanym kierunku.

W innym wariancie konstrukcyjnym, dodatkowa cewka ustawiona jest

w stojanie obok głównego uzwojenia, przesunięta o 90°. Aby wywołać

wirujące pole w stojanie, wymagane jest opóźnienie czasowe prądu w

cewce dodatkowej. Te silniki jednofazowe mogą startować autonomicznie,

dzięki powstałemu wirującemu polu.

Przesunięcie fazowe uzwojenia pomocniczego w odniesieniu do uzwojeń

głównych może zostać osiągnięte za pośrednictwem kondensatorów,

reaktancji lub poprzez zastosowanie zwiększonej induktywności cewki

dodatkowej. Taka konstrukcja jest bardzo rzadka, ponieważ moment

rozruchowy jednofazowego silnika ze zwiększoną induktywnością jest

niski.

Przesunięcie fazowe w silnikach kondensatorowych jest otrzymywane

przy użyciu kondensatorów. Ten typ silników występuje w zakresie mocy

do 2 kW. Kierunek obrotów może zostać zmieniony zamieniając kierunek

przepływu prądu przez cewkę dodatkową. Okablowanie głównej cewki

pozostaje bez zmian.

Moment rozruchowy silników kondensatorowych zależy od pojemności

kondensatora. Zatem aby otrzymać dużą wartość momentu rozrucho-

wego, podłącza się dodatkowo kondensator rozruchowy, równolegle do

kondensatora normalnej pracy.

Kondensator rozruchowy musi zostać odłączony po rozbiegu silnika, po-

nieważ duża pojemność może spowodować przepływ relatywnie dużego

prądu przez uzwojenie dodatkowe, co powoduje ekstremalne grzanie się

cewki podczas długotrwałej pracy.

Kondensator normalnej pracy musi zużywać moc bierną o wartości 1,3

kvar na każdy kW mocy silnika. Ta wartość dla kondensatora rozrucho-

wego poinna być około trzy razy wyższa.

Dla silników o mocy do 300 W, cewka rezystancyjna może zostać użyta

zamiast kondensatora. Cewka ta także powinna zostać odłączona po

rozruchu silnika, aby uniknąć przegrzewania się. Po tym odłączeniu,

silnik będzie działał jak silnik rozruchowy.

3.6.2 Jednofazowe silniki klatkowe

Sterowania i napędy elektryczne

130

Minos

Rys. 58:

Silnik trójfazowy zasilany jednofazowym prądem zmiennym

obroty zgodnie ze

wskazówkami zegara

obroty przeciwnie

do wskazówek zegara

Normalne silniki trójfazowe także mogą być zasilane jednofazowo, korzy-

stając z podłączenia typu Steinmentz’a. Jednak zanim silnik trójfazowy

zostanie podłączony do jednej fazy, silnik musi być przystosowany do

napięcia 230 V w połączeniu typu trójkąt.

Jedna z cewek trójfazowego silnika jest podłączona bezpośrednio do sieci

zasilania. Kondensator jest podłączony równolegle do jednej z dwóch

innych cewek. Kierunek ruchu zależy od wybranej cewki.

Ponieważ wartości prądu różnią się od siebie w różnych cewkach, po-

wstaje eliptyczne pole wirujące. Pozwala ono na wykorzystywanie jedynie

do 70 % mocy znamionowej przy zasilaniu trójfazowym. Także moment

rozruchowy jest około dwukrotnie niższy.

Wymagana pojemność kondensatora zależy od napięcia. Pzy 230 V wy-

magana pojemność to około 70 µF na każdy kW mocy znamionowej.

Sterowania i napędy elektryczne

131

Minos

3.7

Silniki z komutatorem prądu

Silniki z komutatorem prądu przede wszystkim pracują na prąd stały.

Niektóre typy działają także przy zasilaniu prądem zmiennym.

Komutator jest umiejscowiony na wirniku, który jest także nazywany

twornikiem. Składa się on z wielu miedzianych pasków odizolowanych

od siebie. Każdy z tych pasków jest połączony z inną cewką twornika.

Komutator nazywany jest także kolektorem.

Szczotki wykonane z węgla lób grafitu są przymocowane w uchwytach

na ramie zewnętrznej silnika - stojanie. Szczotki są dociśnięte przez

sprężyny do pasków miedzianych komutatura. Zatem szczotki ślizgają

się po paskach miedzianych gdy twornik się obraca.

Prąd elektryczny płynie ze szczotek, przez komutator, do twornika. Ponie-

waż ruch obrotowy twornika powoduje sekwencyjne zwieranie szczotek

z paskami miedzianymi, prąd popłynie kolejno przez cewki twornika,

połączone z paskami miedzianymi.

Stojan w silnikach komutatorowych jest także nazywany ramą magneso-

wą. Wewnątrz tej ramy generowane jest stacjonarne pole magnetyczne.

W silnikach o mocy do 20 kW, pole to może być także generowane przez

magnes stały. Zaletą magnesów stałych jest brak strat w uzwojeniach

wzbudzania, co generalnie polepsza współczynnik sprawności silnika.

Gdy prąd płynie przez przewodzące uzwojenia twornika, wytwarzane

przez ten prąd pole interferuje z polem stojana. W rezultacie, na twornik

działa moment obrotowy. Podczas ruchu obrotowego, prąd płynie w spo-

sób ciągły przez szczotki i komutator do uzwojeń twornika, co powoduje

wysoki moment obrotowy.

Im większa ilość pojedynczych uzwojeń twornika, tym wyższy zostanie

wygenerowany moment podczas ruchu obrotowego twornika.

Gdy maszyna prądu stałego pracuje pod obciążeniem, pole magnetycz-

ne twronika zakrzywia w pewnym stopniu całkowite pole magnetyczne.

W tym przypadku, szczotki zaopatrują twornik w prąd nie w optymalnej

pozycji. Powoduje to silne iskrzenie na szczotkach.

Zakrzywiania pola magnetycznego można uniknąć, stosując bieguny

komutatora. Te bieguny są cewkami ustawionymi w stojanie pod kątem

90° w stosunku do głównych uzwojeń stojana. Bieguny komutatora są

podłączone szeregowo z twornikiem, zatem przepływa przez nie ten

sam prąd.

Sterowania i napędy elektryczne

132

Minos

Rys. 59:

Powstawanie momentu obrotowego

prąd twornika

prąd wzbudzenia

Wyprowadzenia silników i generatorów prądu stałego są oznaczane

identycznie. Wykorzystuje się poniższe znaki:

cewka armatury,

cewka bieguna komutacji,

cewka kompensacyjna,

cewka równoległa,

cewka bocznikowa,

odrębna cewka wzbudzenia

Różne cewki oznaczane są cyframi umieszczonymi przed oznaczeniem

literowym. Natomiast cyfry po oznaczeniu literowym oznaczają początek

i koniec cewki, odpowiednio jako 1 i 2.

Gdy prąd w każdej cewce płynie z jej początku do końca, silnik obraca

się zgodnie ze wskazówkami zegara. Można to ustalić obserwując wał

wyjściowy silnika.

Aby odwrócić kierunek obrotu, należy zmienić kierunek przepływu prądu

w tworniku lub w uzwojeniu stojana. Preferowaną metodą jest zmiana

kierunku prądu w tworniku.

Sterowania i napędy elektryczne

133

Minos

3.7.1 Podłączenia silników prądu stałego

Istnieją różne sposoby podłączeń cewki wzbudnika względem cewki

twornika w silnikach prądu stałego.

W silnikach szeregowych, te uzwojenia są połączone szeregowo. Cały

prąd, który płynie przez twornik, przepływa także przez cewkę wzbud-

nika.

Ponieważ wartość prądu rozruchu jest relatywnie wysoka, moment rozru-

chowy jest także wysoki. Dlatego też, silniki szeregowe mają najwyższy

moment rozruchowy ze wszystkich silników elektrycznych.

Gdy silnik pracuje bez obciążenia, prąd płynący przez cewki spada,

co osłabia pole wzbudnika. Prędkość obrotowa silnika wzrasta. Silnik

szeregowy może osiągać bardzo wysokie prędkości obrotowe, co może

prowadzić do jego zniszczenia. Nazywa się to “rozbieganiem”.

Rozbieganiu silnika można zapobiec w małych silnikach, montując duże

łopatki wentylatora. Te łopatki zapewniają dodatkowe obciążenie przy

wysokich prędkościach obrotowych. Na przykład, silniki szeregowe nie

mogą być stosowane jako napęd pasa płaskiego, ponieważ pas może

spaść powodując rozbieganie się silnika.

Rys. 60:

Podłączenia silników prądu stałego

L+

L–

silnik szeregowy

L+

L–

silnik bocznikowy

1L+

2L–

silnik obcowzbudny

1L–

2L+

L+

L–

silnik szeregowo-bocznikowy

Sterowania i napędy elektryczne

134

Minos

Silniki szeregowe stosuje się przed wszystkim w elektrycznie napędza-

nych pojazdach, takich jak tramwaje. Duży moment rozruchowy w tym

przypadku jest dużą zaletą.

Sterowanie prędkością obrotową jest realizowane za pomocą rezystora

szeregowego. Jednak prędkość obrotowa jest silnie zależna od obciąże-

nia. Silniki szeregowe ze stojanem z elektromagnesem mogą być także

zasilane prądem zmiennym, ponieważ prąd synchronicznie zmienia

kierunek przepływu w tworniku i w uzwojeniach wzbudzenia.

Prąd uzwojeń wzbudzenia w silnikach obcowzbudnych jest dostarczany

przez autonomiczne źródło napięcia. Silniki z magnesem trwałym także

należą do silników obcowzbudnych. Silniki z magnesem trwałym wyko-

nywane są do pracy z mocą do około 30 kW.

Podczas rozruchu lub podczas sterowania prędkością obrotową, napięcie

twornika jest zredukowane za pomocą rezystora szeregowego. Prędkość

obrotowa może zostać zwiększona powyżej prędkości znamionowej

poprzez redukcję napięcia na cewce wzbudzenia.

Prędkość obrotowa silników obcowzbudnych jest bardzo stabilna, nawet

przy zmianach obciążenia, ponieważ pole magnetyczne cewki wzbudze-

nia jest niezależne od twornika.

Jeśli napięcie twornika lub uzwojeń wzbudzenia pozostaje bez zmian,

silniki obcowzbudne zachowują się podobnie do silników trójfazowych.

Nie ulegają rozbieganiu podczas pracy bez obciążenia.

Silniki obcowzbudne są wykorzystywane przede wszystkim w narzę-

dziach i obrabiarkach. Głównym powodem tego jest ich szeroki zakres

prędkości obrotowych.

Sterowania i napędy elektryczne

135

Minos

Cewka wzbudzenia w silnikach bocznikowych jest podłączona równole-

gle do twornika. Także w tym przypadku prędkość obrotowa może być

zmieniana poprzez zmianę napięcia twornika lub napięcia wzbudnika.

Tak jak silniki obcowzbudne, w silnikach bocznikowych obciążanie powo-

duje jedynie niewielkie zmiany prędkości obrotowej. Jednakże podczas

pracy, cewka wzbudzenia nie powinna być odłączana osobno od twornika.

Może to prowadzić do rozbiegu silnika.

Generalnie, silniki, które nie rozbiegają się podczas pracy jałowej i któ-

rych prędkość obrotowa niewiele spada pod obciążeniem, nazywa się

silnikami o zachowaniu bocznikowym. Tyczy się to przede wszystkim

silników obcowzbudnych. W dzisiejszych czasach, silniki bocznikowe

są rzadko stosowane.

Tak zwany silnik szeregowo-bocznikowy zawiera dodatkową cewkę

podłączoną szeregowo z twornikiem, w połączeniu z bocznikową cewką

wzbudzenia. Tak szeregowo podłączona dodatkowa cewka zwiększa pole

magnetyczne wzbudnika.

Dodatkowa cewka szeregowa przybliża charakterystykę tego silnika do

charakterystyki silników szeregowych. Jest to spowodowane, przede

wszystkim przez większy moment rozruchowy. Prędkość obrotowa może

być dostosowana przez zmianę napięcia twornika i cewki wzbudzenia.

W silnikach szeregowo-bocznikowych, dodatkowa cewka szeregowa jest

podłączona w taki sposób, że jej pole magnetyczne ma ten sam kierunek,

co pole magnetyczne cewki bocznika. Ten silnik zachowuje się jak silnik

bocznikowy, gdy jest nieobciążony. Jednakże, w silnikach szeregowo-

bocznikowych, zmiana obciążenia powoduje większy spadek prędkości

obrotowej, niż w silnikach bocznikowych.

Z drugiej strony, dodatkowa cewka szeregowa w silnikach szeregowo-

bocznikowych z odwrotnym podłączeniem, osłabia pole magnetyczne

twornika. Może to nastąpić na przykład, gdy polaryzacja twornika zostanie

zamieniona przez przypadek.

Prędkość obrotowa silników szeregowo-bocznikowych o odwrotnym pod-

łączeniu wzrasta ze wzrostem obciążenia. Umożliwia to rozbiegania się

tych silników. Dlatego też, unika się tego rodzaju podłączeń. Może być

on jednak wykorzystany w specyficznych przypadkach, na przykład, gdy

prędkość obrotowa nie powinna spadać przy zwiększaniu obciążenia.

Główną zaletą silników z dodatkowym uzwojeniem szeregowym jest duży

ich moment rozruchowy.

Sterowania i napędy elektryczne

136

Minos

3.7.2 Silniki uniwersalne

W silnikach szeregowych, prąd płynie przez cewkę wzbudzenia i cewkę

twronika. Podczas zmiany kierunku przepływu prądu, polaryzacja obu pól

magnetycznych zostanie odwrócona w tej samej chwili i kierunek działania

momentu pozostaje ten sam. Dlatego też silniki szeregowe nadają się do

pracy przy zarówno prądzie stałym, jak i prądzie zmiennym.

Aby zminimalizować straty wynikające z prądów wirowych, które powstają

podczas zasilania prądem zmiennym, wirnik i stojan muszą zostać zabie-

lone. Samoindukcja cewki wzbudzenia ogranicza prąd. Przez to maleje

także moc silnika, prędkość obrotowa i moment rozruchowy. Dlatego

ilość zwojów cewki wzbudzenia podczas zasilania prądem zmiennym

musi być mniejsza, aniżeli podczas zasilania prądem stałym.

Ten rodzaj silnika jest nazywany silnikiem uniwersalnym. Jednakże kon-

struowane są one przede wszystkim pod zasilanie prądem zmiennym.

Silniki uniwersalne zachowują się jak silniki szeregowe. Moment rozrucho-

wy jest wysoki. Silniki te mogą ulec rozbieganiu podczas pracy jałowej.

Unika się tego na ogół poprzez stałe połączenie silnika z przekładnią

lub wentylatorem.

Silniki uniwersalne są wykorzystywane przede wszystkim w małych na-

rzędziach elektrycznych, takich jak wiertarki. Używane są także w urzą-

dzeniach gospodarstwa domowego, takich jak odkurzacze. Maksymalna

moc tych silników to około 1,5 kW.

Moc jest ograniczona do niskich wartości, ponieważ silniki uniwersalne

wykorzystują tylko jedną fazę z trójfazowej sieci. Jednakże, tramwaje i

pociągi o napędzie elektrycznym są wyposażone w szeregowe silniki

prądu zmiennego o mocy paruset kW.

Prędkość obrotowa jest reguowana za pomocą rezystora szeregowego.

W narzędziach elektrycznych, wykorzystywane są modulatory fazowe z

tyrystorami lub triakami, służące do tego samego celu.

Rezystory dławiące są używane do zapobiegania iskrzeniu szczotek.

Dławią one zakłócenia radiowe, które powodują impulsy zakłócające o

dużej częstotliwości.

Dodatkowo, maszyny komutatorowe mogą być zaprojektowane także

dla prądu trójfazowego. W tym celu, trzy szczotki są ustawiane na ko-

mutatorze pod kątem 120°. Jednak ten rodzaj silnika jest bardzo rzadko

stosowany.

Sterowania i napędy elektryczne

137

Minos

3.7.3 Awarie silników komutatorowych

Silniki komutatorowe mają bardziej skomplikowaną budowę od silników

trójfazowych klatkowych, co zwiększa ilość możliwych awarii. Szczególnie

należy uwzględnić możliwość awarii szczotek.

Podczas pracy z prądem stałym, praktycznie żade iskrzenie nie jest

dopuszczalne. Przy zasilaniu prądem zmiennym, akceptuje się jedynie

delikatne iskrzenie.

Iskrzenie na szczotkach generalnie oznacza, iż stan szczotek lub komu-

tatora jest zły. Szczotki powinny zostać sprawdzone, i w razie potrzeby

wyczyszczone. Można także wymienić szczotki.

Należy także sprawdzać komutator, czy nie posiada wad. Nie powinny się

zdarzać żadne przewodzące połączenia pomiędzy sąsiednimi płytkami

komutatora. Zbyt twarde szczotki mogą przemieszczać miedź, powodu-

jąc zwarcia pomiędzy płytkami. W takim przypadku należy użyć bardziej

miękkich szczotek.

Zbyt mały nacisk szczotek także generuje iskrzenie. Nacisk szczotek

powinien w takim przypadku zostać zwiększony za pomocą siły nacisku

sprężyn.

Intensywne iskrzenie na szczotkach może być także spowodowane ko-

rozją komutatora. W takim przypadku należy go wyczyścić. Komutatory

z odchyłką walcowości powinny zostać przetoczone.

Intensywne iskrzenie przy dużych obciążeniach może oznaczać, iż silnik

jest przeciążony. Należy wtedy zmniejszyć obciążenie silnika, lub zamie-

nić go na silnik o większej mocy.

Natomiast iskrzenie przy małych obciążeniach może wystąpić, gdy bie-

guny komutatora zostaną nieprawidłowo podłączone. Należy sprawdzić

polaryzację, i wprowadzić zmiany, jeśli są wymagane.

Gdy występuje iskrzenie tylko w jednym kierunku, ustawienie szczotek

może być nieprawidłowe. Powinno być wtedy poprawione, jeśli jest to

możliwe. Jeżeli iskrzenie następuje podczas zmiany kierunku obrotów,

oznacza to, że polaryzacja biegunów komutatora jest nieprawidłowa i

należy ją zmienić.

Przeciążenia i niskie napięcia zasilania prowadzą do bardzo silnego

nagrzewania silnika. Iskrzenie powoduje nagrzewanie się komutatora.

Przyczyny nagrzewania się silnika powinny zostać wyeliminowane jak

najszybciej.

Należy unikać zbyt wysokich prędkości obrotowych, ponieważ mogą one

prwadzić do zniszczenia silnika.

Sterowania i napędy elektryczne

138

Minos

3.8

Inne rodzaje silników

Wirniki silników synchronicznych zawierają magnes trwały lub elektro-

magnes. Konstrukcje z magnesem trwałym preferowane są dla silników

prądu zmiennego. W przypadku silników z elektromagnesem w wirniku,

wymagane są pierścienie komutatora, aby dostarczyć do wirnika ener-

gię.

Wirujące pole magnetyczne powstaje przy przepływie prądu trójfazo-

wego przez uzwojenia stojana. Pole to oddziałuje na bieguny magnesu

wirnika.

Gdy wirnik jest zatrzymany, nie może ruszyć samoczynnie, gdy pole

wirujące zostanie włączone. Dopiero obracający się wirnik z prędkością

równą częstotliwości wirowania pola, zaczyna być napędzany.

Aby rozpędzić silnik synchroniczny, częstotliwość pola wirującego powin-

na być zwiększana powoli od 0 Hz do nominalnej częstotliwości 50 Hz,

co wymaga dodatkowych urządzeń rozruchowych.

Jeżeli wirnik jest wyposażony dodatkowo w klatkę, silnik zacznie pracę

jako silnik asynchroniczny. Podczas rozruchu cewka wzbudzenia w

tworniku powina być podłączona przez rezystancję, co pozwala na roz-

ładowanie napięcia wyindukowanego w tej cewce.

Po tym, jak wirnik prawie osiągnął prędkość obrotową wirującego pola

pracując jako silnik asynchroniczny, należy włączyć prąd wzbudzenia

twornika. Silnik będzie kontynuował pracę jako silnik synchroniczny.

Klatka zapobiega także wachaniom pracy przy zmianie obciążenia, dla-

tego nazywa się ją także cewką tłumiącą. Wyposażone są w nią przede

wszystkim duże silniki.

Podczas pracy z obciążeniem, twornik utrzymuje prędkość obrotową

wirującego pola. Jednak przy wysokich obciążeniach twornik spóźnia się

za wirującym polem, o tak zwany kąt obciążenia. Przy braku obciążenia,

kąt obciążenia spada z powrotem do 0°.

Moment silnika najpierw rośnie wraz z obciążeniem. Dla silnika dwubie-

gunowego, maksymalny moment otrzymuje się przy kącie obciążenia

równym 90°. Ta wartość jest określana jako moment przeciążenia. Przy

zwiększaniu obciążenia ponad tę wartość, moment zacznie spadać, a

silnik, gdy nie jest wyposażony w klatkę tłumiącą, zatrzyma się.

Moment znamionowy silników synchronicznych jest na ogół o około po-

łowę mniejszy od momentu przeciążenia.

3.8.1 Silniki synchroniczne

Sterowania i napędy elektryczne

139

Minos

Prąd wzbudzenia w silnikach synchronicznych może się zmieniać podczas

pracy. Wyindukowane napięcie przy niskim prądzie wzbudzenia jest niż-

sze od napięcia sieci. Rezultatem tego jest pobór z sieci mocy biernej.

Przy wysokich prądach wzbudzenia, silnik synchroniczny jest nadpobu-

dzony. W tym przypadku, indukcyjna moc bierna jest oddawana do sieci,

a silnik synchroniczny działa jak obciążenie pojemnościowe.

Duże silniki synchroniczne pracują czasem bez obciążenia, lecz z nad-

pobudzeniem. Pełniąc taką funkcję, silniki synchroniczne są nazywane

maszynami przesuwającymi fazę.

Silniki z biegunami utajonymi są silnikami synchronicznymi, zasilanymi

jednofazowym prądem zmiennym. Wirnik zawiera magnesy trwałe z

dwoma lub czterema biegunami. Stojan posiada tę samą ilość biegunów,

co wirnik. Po starcie, wirnik obraca się z tą samą prędkością, co wirujące

pole.

Prędkość obrotowa jest relatywnie wysoka, w stosunku do małej ilości

biegunów. Dlatego też, te silniki określa się jako szybkobieżne silniki z

utajonymi biegunami.

Niskobieżne silniki z utajonymi biegunami odpowiednio wymagają

większej ilości biegunów. Istnieją różne warianty konstrukcji z wirnikami

wewnętrznymi i zewnętrznymi. Zakres poboru mocy to od 1 do 4 W.

Silniki z takimi wartościami mocy są na przykład używane w zegarach

lub w zapisujących urządzeniach pomiarowych. Kierunek obrotu nie jest

odwracalny.

Silniki kondensatorowe, które pracują jako silniki synchroniczne, także

osiągają wysokie prędkości obrotowej. Mają dwa lub cztery bieguny. Jeśli

istnieje potrzeba, prędkość obrotowa może być zmniejszana za pomocą

przekładni.

Kondensator generuje przesunięcie fazy prądu w drugiej cewce stojana,

co powoduje powstanie pola wirującego. Wybór kierunku obrotu może

zostać dokonany poprzez podłączenie kondensatora przed jedną z obu

cewek.

Moment rozruchowy jest na ogół bardzo niski, tak jak w silnikach syn-

chronicznych. Wirnik w silnikach kondensatorowych może być zaprojek-

towany jako zewnętrzny lub wewnętrzny, tak jak w silnikach z utajonymi

biegunami. Natomiast pole wirujące w silnikach kondensatorowych jest

bardziej jednolite i współczynnik sprawności jest wyższy.

Zakres mocy jest podobny. Silniki kondensatorowe są zawsze silnikami

miniaturowymi.

Sterowania i napędy elektryczne

140

Minos

3.8.2 Silniki krokowe

Silniki krokowe posiadają w wirniku magnes stały. Funkcję sterującą za-

pewniają prostokątne impulsy prądu stałego. Wirnik obraca się o jeden

krok przy każdym impulsie. Przy szybkiej sekwencji kroków, ruch obrotowy

silnika krokowego jest ciągły.

Obrót wykonywany przez wirnik podczas jednego kroku jest nazywany

kątem kroku. Ilość kroków bezpośrednio zależy od ilości impulsów. Ozna-

cza to, iż silnik działa bez żadnych błędów cyklu.

Istnieją silniki z różną ilością uzwojeń. Każda cewka może być unipolarna

lub bipolarna. W przypadku cewek unipolarnych, pole magnetyczne może

być włączane za pomocą jednobiegunowego przełącznika, podczas gdy w

przypadku bipolarnych cewek, wymagany jest przełącznik z możliwością

zmiany polaryzacji biegunów.

Sterowanie silnikiem krokowym nie może zostać zrealizowane ani za

pomocą mechanicznych, ani elektromechanicznych przełączników, tyl-

ko za pomocą specjalnych obwodów sterowania. Obwody te zawierają

mikrokomputer z generatorem impulsów.

Jednofazowe silniki krokowe są w stanie wygenerować tylko jedno pole

wirujące w jednym kierunku. Niemożliwa jest zmiana kierunku obrotu silni-

ka. W przypadku większej ilości faz, zmianę kierunku osiąga się poprzez

zmianę sekwencji podawania impulsów na pojedyncze cewki.

Przy pracy pełnokrokowej, wirnik obraca się o jeden pełny kąt kroku przy

każdej zmiane sterowania. Natomiast w pracy półkrokowej, wirnik obra-

ca się o połowę kąta kroku przy jednym cyklu sterowania. Dodatkowo

możliwa jest praca mikrokrokowa, gdzie kąt kroku dzielony jest na parę

mikrokroków poprzez dopasowywanie wartości prądu na wszystkich

uzwojeniach.

Wartość kąta kroku zależy od ilości biegunów, ilości faz i typu sterowania

(pełnokrokowe, półkrokowe, mikrokrokowe).

Typowe kąty kroku przybierają wartości pomiędzy 145° a 1,8°. W rezul-

tacie, ilości kroków na obrót wynoszą od 8 do 200, przy małych kątach

kroku.

Prędkość obrotowa silników krokowych zależy od kątu kroku i częstotli-

wości generowania impulsów na pojedyncze cewki.

Sterowania i napędy elektryczne

141

Minos

Silniki krokowe z dyskiem magnesowym posiadają wirnik w formie cien-

kiego dysku z magnesu stałego. Masa tego wirnika jest bardzo mała, co

pozwala na bardzo szybką zmianę kierunku obrotów silnika.

Stojan w silnikach krokowych z dużymi kątami kroku, od około 7,5°, jest

zaprojektowany zgodnie z zasadą biegunów naprzemiennych. Oznacza

to, że bieguny obu cewek stojana są ustawione na przemian. Stojan ma

tę samą liczbę biegunów.

Silniki krokowe o budowie unipolarnej mają większą ilość biegunów,

aniżeli silniki krokowe oparte na zasadzie biegunów naprzemiennych.

Zatem kąty kroku są także małe.

Wirnik składa się z dwóch oddzielnie uzębionych kół magnetycznych.

Uzębienia tych dwóch kół są przesunięte względem siebie o pół zęba.

Gdy nie jest podawany prąd na stojan, wirnik przyjmuje pozycję spo-

czynkową.

Aby zrealizować funkcję sterowania silnika krokowego, prąd musi być

podawany do pojedynczych cewek w konkretnej sekwencji. W zależności

od sposobu podłączeń i strategii sterowania, w danym momencie pobu-

dzana może być jedna lub dwie cewki.

Mikrokontroler wykorzystywany jest do zliczania impulsów zegara i do

przełączania zasilania na cewkach w poprawnej kolejności. Podłączony

do niego element elektroniki zasilającej podaje prąd bezpośrednio na

cewki.

Podczas rozruchu silnika pod obciążeniem, nie należy przekraczać gra-

nicznego momentu rozruchowego, aby zapobiec błędom cyklu. Dlatego,

przyśpieszanie do celowej prędkości powinno być ograniczane, jeśli

zachodzi potrzeba. Jest to realizowane za pomocą ramp przyśpieszania

i hamowania.

Maksymalne obciążenie silnika krokowego jest określane jako maksy-

malny roboczy moment obrotowy. Przy większych obciążeniach, twornik

obraca się o kąt różniący się od wartości pożądanej o kąt obciążenia,

który nie może przekroczyć kąta jednego kroku.

Silniki krokowe są silnikami małych mocy. Prędkość obrotowa i moment

mogą być dodatkowo regulowane za pomocą przekładni. Silniki krokowe

są używane w drukarkach jako napędy wykonawcze.

Sterowania i napędy elektryczne

142

Minos

Aby rozpędzić silnik ze stanu zatrzymanego do roboczej prędkości

obrotowej, wymagany jest system sterowania. Ta procedura jest także

nazywana rozruchem.

Przełączniki są używane przede wszystkim do bezpośredniego włączania

małych silników. Przy włączniu pośrednim, wykorzystuje się styczniki.

Pojednyczne styki w ręcznie obsługiwanych przełącznikach krzywkowych

są rozwierane i zwierane za pomocą krzywek. Tabele stanu używa się

do reprezentacji pozycji przełączenia dla każdego styku.

Styczniki elektromagnetyczne mogą pracować przy prądzie stałym i

zmiennym. Obwód główny na ogół posiada trzy styki. Pozostałe styki są

nazywane stykami dodatkowymi. Są używane do przełączania obwodów

sterowana.

Styczniki półprzewodnikowe nie zawierają żadnych mechanicznych czę-

ści ruchomych. Składają się z elementów półprzewodnikowych i pracują

bezhałasowo. Jednak produkują więcej ciepła niż styczniki elektroma-

gnetyczne. Kontaktory półprzewodnikowe nie zapewniają pełnej izolacji

pomiędzy odbiornikiem a siecią, ponieważ ich rezystancja w stanie blo-

kującym jest skończona, w przeciwieństwie do otwartych styków.

3.9

Sterowanie silnikami z wirującym polem

Rys. 61:

Symbole graficzne dla przełączników krzywkowych, z tabelą stanów

3˜

A B C

D E F

A
B

C
D
E

element

przełączający

pozycja przełączenia

elemen przełączający otwarty

elemen przełączający zamknięty

Sterowania i napędy elektryczne

143

Minos

3.9.1 Układy rozruchu dla silników trójfazowych

Silniki elektryczne podczas rozruchu pobierają wysoki prąd. Gdy zostanie

osiągnięta robocza prędkość obrotowa, prąd pobierany jest też dosyć

wysoki.

Pobierany prąd nie powinien przekraczać 60 A, aby zapobiec spadkom

napięcia w sieci publicznej, lub zadziałaniu sprzętu zabezpieczającego

przed zbyt dużym prądem. Jest to regulowane przez regulamin korzy-

stania z sieci publicznej, ustalany przez operatora.

Silniki pobierające prąd nie przekraczający 60 A mogą być podłączane

bezpośrednio. Dla jednofazowych silników prądu zmiennego, daje do

moc około 1,7 kVA. Dla silników trójfazowych, przy prądzie poniżej 60 A

można osiągnąć moc do około 5,2 kVA.

Większe silniki wymagają urządzenia rozruchowego. Wtedy silnik może

osiągnąć stan pracy w kilku krokach, co ogranicza pobierany prąd. W

tym celu często używa się dodatkowych rezystancji.

Rezystorowe układy łagodnego rozruchu są urządzeniami rozruchowymi

zawierającymi oporniki. Jeżeli układ ten zawiera także zabezpieczenia

wysokoprądowe, układ ten generalnie nazywa się układem łagodnego

startu silnika.

Prąd włączenia w trójfazowych silnikach klatkowych może osiągać dzie-

sięciokrotność prądu znamionowego. Dlatego też napięcie jest zmniej-

szane na czas rozruchu, co powoduje zmniejszenie prądu włączenia.

Jednak obniżeniu ulega także moment rozruchowy.

Przełącznik gwiazda-trójkąt jest często wykorzystywany dla silników o

mocy znamionowej do 11 kW, które są zaprojektowane do pracy przy

połączeniu w trójkąt przy 400 V.

Gdy silnik jest włączany, uzwojenia są połączone w gwiazdę. Wtedy na

każdą cewkę podawane jest napięcie 230 V. Z powodu niższego napięcia,

moment rozruchowy wynosi tylko jedną trzecią momentu rozruchowego

przy połączeniu w trójkąt.

Dlatego też, przełącznik gwiazda-trójkąt może być wykorzystywany z

silnikami bez dużego obciążenia przy rozruchu.

Po osiągnięciu roboczej prędkości obrotowej, cewki powinny zostać

przełączone na trójkąt. Wtedy podane zostaje pełne napięcie 400 V i

silnik zaczyna pracować z pełnym momentem.

Sterowania i napędy elektryczne

144

Minos

rozruch

praca

400 V

230 V

Rys. 62:

Podłączenia typu gwiazda i trójkąt

Przełączanie pomiędzy połączeniami typu gwiazda i trójkąt może być

realizowane ręcznie przy pomocy przełączników krzywkowych. Jeżeli

silnik po obciążeniu nadal będzie pracował połączony w gwiazdę, mogą

przez cewki popłynąć zbyt wysokie prądy. Silnik zostanie przeciążony, a

cewki mogą ulec spaleniu.

Przy użyciu styczników, dodatkowo do stycznika sieciowego, wymagane-

go do załączania napięcia, użyty jest stycznik przełączający podłączenia

z trójkąta na gwiazdę. Przy włączeniu silnika, oba kontaktory zostają

aktywowane. Po upłynięciu pewnego, ustawianego czasu, przekaźnik

czasowy wyłącza kontaktor przełącznika gwiazda-trójkąt, przełączając

podłączenia na tryb trójkąt. Przełączanie jest wykonywane automatycz-

nie.

Inną opcją jest ograniczanie prądu rozruchoweg silnika za pomocą

rozruchowych cewek reaktancyjnych. Podłączone są one jak rezystory

ograniczające prąd, czyli przed silnikiem klatkowym.

Gdy silnik osiągnie swoją roboczą prędkość, napięcie wzrasta. Jest to sy-

gnał do przełączenia stycznika i zmostkowania cewek reaktancyjnych.

Rozruchowe cewki reaktancyjne są używane w silnikach o mocy zna-

mionowej do 15 kW.

Sterowania i napędy elektryczne

145

Minos

Rys. 63:

Cewki reaktancyjne i rezystancje rozruchowe

3˜

U1 V1 W1

U2 V2 W2

3˜

Dla silników o mocy znamionowej do 15 kW, możliwe jest użycie rezy-

stancji ograniczających, w miejsce cewek reaktancyjnych. Taki obwód

często stosowany jest przy silnikach połączonych w gwiazdę. W takim

przypadku jest on nazywany startem punktu zero. Należy wziąć pod

uwagę nagrzewanie się rezystora podczas rozruchu.

Dla małych silników, które mogą być włączane bezpośrednio, rezystor

jest czasami podłączany do jednej z linii podłączeniowej. Jest on most-

kowany po rozpędzeniu silnika.

Rezystor powoduje łagodniejszy rozruch silnika. Ten obwód nazywany jest

łagodnym rozruchem silnika klatkowego. Jest stosowany przy silnikach

o mocy znamionowej do 2,2 kW.

Inną możliwością jest użycie transformatorów rozruchowych. Jednakże,

ten wariant jest stosunkowo drogi. Transformator także redukuje napię-

cie przy rozruchu silnika. Są one stosowane przy silnikach klatkowych o

mocy niższej niż 15 kW.

Sterowania i napędy elektryczne

146

Minos

Elektroniczne startery silników są wykorzystywane, aby uniknąć jednej

z wad rezystorów rozruchowych, którą jest znaczny pobór mocy. Jest

to zjawisko generujące straty przede wszystkim przy długich okresach

pracy.

Elektroniczne startery silników obniżają napięcie poprzez częściowe

blokowanie prądu, podczas sinusoidalnego cyklu zmiany napięcia.

Istnieją różne możliwości zmiany przepływu prądu podczas sinusoidal-

nego cyklu napięcia. W sterowaniu obcięciem fazy wznoszącej, prąd

nie płynie przez starter podczas pierwszej wznoszącej części krzywej

sinusoidalne napięcia zmiennego. Podczas pozostałej części cyklu prąd

zostaje włączony. W rezultacie napięcie jest niższe niż w przypadku

krzywej bez modyfikacji.

W przypadku sterowania obcinaniem fazy opadającej, pierwsza część

krzywej sinusoidalnej pozostaje bez zmian. W rezultacie napięcie jest

zmniejszane poprzez wyłączanie przepływu prądu tuż przed przecięciem

zera przez krzywą sinusoidalną.

Sterowanie segmentowym obcinaniem fazy jest połączeniem obcinania

fazy opadającej i obcinania fazy wznoszącej. W tym przypadku, pozostaje

jedynie pewien segment krzywej sinusoidalnej.

Rys. 64:

Sterowania obcinaniem fazy wznoszącej, opadającej i segmentowej

U, I

sterowanie obcinaniem fazy wznoszącej

sterowanie obcinaniem fazy opadającej

sterowanie obcinaniem segmentu fazy

Sterowania i napędy elektryczne

147

Minos

W elektronicznych starterach silników stosuje się tyrystory lub triaki o

dużej rezystancji zaporowej. Rezystancja ta blokuje przepływ prądu.

Po tym, jak tyrystory lub triaki zostają aktowowane, ich rezystancja

przepływu prądu staje się pomijalnie mała i straty mocy są względnie

niskie.

Startery silników elektrycznych składają się z części mocy i części ste-

rującej. Cześć sterująca zawiera jednostkę sterującą, która generuje

impulsy aktywujące komponenty części mocy.

Każda faza w części mocy posiada dwa równolegle podłączone tyrystory

lub triaki, ustawione w różnych kierunkach. Startery silników w trójfazo-

wych sieciach są często wykorzystywane do sterowania jedynie dwoma

fazami, lecz spotyka się startery sterujące wszystkimi trzema. Wymaga

to dwóch dodatkowych tyrystorów lub triaków.

Startery silników są także wykorzystywane do realizowania łagodnego

rozruchu silnika. W tym przypadku, napięcie silnika jest wolno zwięk-

szane od 40 % do 100 %, wykorzystując sterowania obcinaniem fazy

wznoszącej. Czas wymagany przez ten proces jest nazywany czasem

rampy. Im krótszy czas rampy, tym szybciej silnik osiąga swoją prędkość

roboczą.

Startery silników mogą redukować prąd rozruchu za pomocą ogranicznika

prądu. W tym przypadku, napięcie jest zwiększane w taki sposób, aby

pewna wartość prądu rozruchowego nie została przekroczona. Jednak

przedłuża to czas rozruchu silnika.

Elektroniczne startery silników mogą także zawierać funkcję powolnego

wyłączania. Prędkość silnika jest zmniejszana poprzez stopniowe obni-

żanie napięcia od 100 % do 40 %.

Funkcja oszczędzania energi w starterach silników pozwala na zredu-

kowanie napięcia dla silników częściowo obciążonych. Dla większych

obciążeń, napięcie jest odpowiednio zwiększane.

Jedną z wad elektronicznych starterów silników jest brak zupełnego

odizolowania silnika od sieci. Dlatego też, wymagany jest przełącznik

z rozwartymi stykami. Rozwierające styki powinny być także użyte w

sprzęcie służącym do awaryjnego wyłączenia urządzenia.

Straty w postaci ciepła należy brać pod uwagę przede wszystkim dla

dużych silników. Startery dla tych silników są wyposażane w radiatory,

odpowiednie do ich poziomu grzania się. Powstające ciepło musi zostać

rozproszone.

Sterowania i napędy elektryczne

148

Minos

3.9.2 Sterowanie maszynami komutatorowymi

Małe szeregowe silniki prądu stałego można włączać bezpośrednio. Na-

tomiast dla dużych silników, napięcie podczas rozruchu jest ograniczane.

Może być to zrealizowane jedynie poprzez rezystancję ograniczającą.

Cewki reaktancyjne i transformatory nie mogą zostać użyte, ponieważ

w grę wchodzi napięcie stałe.

Napięcie stałe jest często generowane poprzez prostowanie napięcia

zmiennego. Użycie tyrystorów zamiast diód prostowniczych pozwala

także wpływać na wartość wyprostowanego napięcia stałego.

Tyrystory, tak jak diody, blokują prąd w jednym kierunku, lecz dodatkowo

blokują prąd w drugim kierunku, chyba, że zostaną aktywowane. Wyma-

gane do tego jest sterowanie generujące impulsy aktywujące.

W zależności od czasu stanu aktywnego, mniejsza lub większa część

krzywej sinusoidalnej napięcia zmiennego zostaje odcięta. Odległość

pomiędzy punktem zerowym, a punktem aktywacji jest nazywany kątem

aktywacji. Przyjmuje on wartości od 5° do 180°. Proces ten obniża średnią

wartość wynikowego napięcia.

Tyrystory mogą zostać użyte we wszystkich rodzajach obwodów prostują-

cych. Pojedyncy tyrystor intensywnie wpływa na całą sieć, zatem przede

wszystkim stosuje się układy mostkowe. Jeżeli wszystkie diody w mostku

zostaną zamienione na tyrystory, mostek taki określa się mianem mostka

w pełni sterowanego. Jest on niezbędny, gdy używa się silnika do funkcji

hamowania. W tym przypadku energia jest oddawana do sieci.

W większości przypadków używa się mostków w połowie sterowanych. W

tych mostkach, tylko jedna dioda w gałęzi jest zastępowana tyrystorem.

Zatem trzy diody i trzy tyrystory są potrzebne do podłączenia silnika prądu

stałego do sieci trójfazowej.

Regulatory prądu stałego są wykorzystywane, gdy sliniki szeregowe mu-

szą być zasilane prądem stałym. Regulatory włączają i wyłączają prąd

na krótki okres czasu. Prąd jest wygładzany poprzez induktywność.

Im dłuższy okres włączenia prądu, tym wyższe jest napięcie wynikowe.

Ten typ sterowania jest nazywany modulacją szerokości impulsu (PWM -

Pulse Width Modulation). Podczas używania regulatorów prądu stałego,

straty są niższe, aniżeli podczas używania rezystancji ograniczających.

Sterowania i napędy elektryczne

149

Minos

Sprzęt rozruchowy jest na ogół wymagany do rozruchu obcowzbudnych

silników prądu stałego. Napięcie wzbudzenia jest podawane w pełni

podczas rozruchu, natomiast napięcie twornika zostaje zredukowane.

Napięcie twornika może zostać łatwo zredukowane za pomocą ustawia-

nego rezystora ograniczającego.

Silniki obcowzbudne są często zasilane z trójfazowej sieci, poprzez

prostowniki. Sprzęt prostowniczy musi mieć możliwość ograniczania

napięcia twornika. Wykorzystywane jest do tego sterowanie obcinaniem

fazy wznoszącej lub opadającej.

Silniki uniwersalne na ogół mają małe rozmiary i mogą być włączane

bezpośrednio. Aby uzyskać płynny rozruch, napięcie może zostać zredu-

kowane za pomocą cewki reaktancyjnej lub rezystora ograniczającego.

Sterowanie obcinaniem fazy wznoszącej lub opadającej może być także

użyte do regulacji napięcia na silnikach uniwersalnych. Regulatory pręd-

kości obrotowej muszą być przystosowane do tego typu silnika.

Rys. 65:

Mostek prostowniczy w połowie sterowany

M A1

1D2

1D1

2D2

2D1

Sterowania i napędy elektryczne

150

Minos

3.10 Zabezpieczenia silników

Silniki elektryczne mogą przenosić pewne przeciążenie. Wyższa war-

tość przeciążenia, lub dłuższy jego okres prowadzi do niedozwolonego

nagrzewania się cewek, co może prowadzić do ich uszkodzenia. W tym

przypadku silnik ulega spaleniu.

Typowe bezpieczniki nie chronią silnika przed przeciążeniem. Te bez-

pieczniki są zaprojektowane na wysokie prądy rozruchowe i nie reagują

w przypadku przeciążenia.

Wyłączniki zabezpieczające silnik mają styki na paskach bimetalicznych.

Zbyt wysokie prądy nagrzewają bimetal, co powoduje jego zginanie i

otwarcie styków, wyłączając silnik. Określa się je ograniczeniem ter-

micznym.

Nagrzewanie się pasków bimetalicznych trwa znaczyny okres czasu.

Opóźnienie to jest pożądane w przypadku wyłączników ochronnych, po-

nieważ wyłącznik nie powinien reagować na wysokie prądy przy rozruchu

silnika, lub w przypadku krótkotrwałego przeciążenia.

Bimetaliczne wyłączniki ochronne nie zapewniają jednak ochrony przed

zwarciem. Dlatego stosuje się dodatkowo tradycyjne bezpieczniki.

Często wyłączniki ochronne silników zawierają przerywacz obwodu o

szybkiej reakcji, jako uzupełnienie do pasków bimetalicznych. Te prze-

rywacze obwodu składają się z cewki i rdzenia. Zbyt wysokie prądy

powodują ruch rdzenia i rozłączenie linii wejściowych silnika.

Zabezpieczenie termiczne i elektromagnetyczny wyłącznik o szybkiej re-

akcji są połączone szeregowo. Zabezpieczenie termiczne jest ustawiane

na konkretną moc znamionową silnika. Wyłącznik elektromagnetyczny

ustawiany jest na wyższą wartość prądu. Reaguje on w przypadku

zwarcia.

Jednak w przypadku zwarcia powstać mogą łuki elektryczne, które łączą

styki wyłączników zabezpieczających. Dlatego, obok wyłączników elek-

tromagnetycznych, stosuje się także dodatkowe bezpieczniki.

Wyłączniki ochronne są głównie używane dla małych i średnich silników.

Po mimo tych zabezpieczeń, istnieje możliwość uszkodzenia, ponieważ

kontrolowany jest pobór prądu bez pomiaru temperatury cewek.

Może to prowadzić do przegrzania się cewek, nawet w przypadku zasto-

sowania zabezpieczenia termicznego.

Sterowania i napędy elektryczne

151

Minos

Rys. 66:

Przekaźnik ochronny silnika

3˜

Bezpośrednie sprawdzanie temperatury uzwojeń może zostać zrealizo-

wane za pomocą pozystorów przymocowanych do cewek silnika. Rezy-

stancja pozystorów wzrasta ze wzrostem temperatury cewek.

Wzrastająca rezystancja wyłącza przekaźnik, który wyłącza silnik za

pomocą stycznika. Sprawdzanie temperatury cewek jest stosowane, gdy

wymagany jest wysoki poziom bezpieczeństwa.

Wadą sprawdzania temperatury cewek za pomocą pozystorów, jest wy-

soki koszt, ponieważ pozystory muszą być konstrukcyjnie zintegrowane

z silnikiem. Dlatego, pozystory wykorzystywane są przede wszystkim w

dużych silnikach.

Niektóre zabezpieczenia silników włączają silnik ponownie po ostygnięciu,

inne mają blokadę ponownego załączenia. Należy je ponownie włączyć

ręcznie.

Czasami możliwe jest przełączanie pomiędzy manualnym i automatycz-

nym resetem.

Sterowania i napędy elektryczne

152

Minos

3.10.1 Klasy materiałów izolacyjnych

Maszyny elektryczne, z powodu strat mocy, nagrzewają się podczas

pracy. Temperatura wzrasta, dopóki nie zostanie osiągnięta równowaga

termiczna z otoczeniem. Służą do tego radiatory.

Najwyższą dozwoloną utrzymującą się temperaturę determinuje rodzaj

materiałów izolacyjnych użytych w maszynie.

Poniżej wymienione są klasy izolacji używane w maszynach elektrycz-

nych, i ich maksymalne utrzymujące się temperatury.

90 °C (na przykład w PCV w połączeniach)

105 °C (na przykład lakier w cewkach klasy A)

120 °C (na przykład utwardzony papier w komponentach pras)

130 °C (na przykłąd izolacje z miki w komponentach pras)

155 °C (na przykład włókno szklane w cewkach zatopionych w

żywicy epoksydowej)

180 °C (na przykład włókno szklane w cewkach zatopionych w

polisiloksanie)

>180 °C (na przykład porcelana w izolatorach)

Maksymalna różnica temperatur między medium chłodzącym jest nazy-

wana graniczną temperaturą przegrzania. Różnica ta jest podawana w

Kelwinach. Przyjęte jest, iż temperatura medium chłodzącego przy użyciu

chłodzenia powietrzem, to 40 °C.

Graniczne temperatury przegrzania cewek leżą w zakresie od 75 do 100

K. Różnica temperatur może osiągać 125 K w produktach wykonanych

z miki, szkła lub krzemu. Natomiast graniczna temperatura przegrzania

łożysk ślizgowych lub beztarciowych leży w zakresie od 45 do 65 K.

Sterowania i napędy elektryczne

153

Minos

3.10.2 Rodzaje pracy maszyn elektrycznych

Nagrzewanie maszyny zależy od długości czasu jej pracy. Podczas

krótkotrwałej pracy przy dużym obciążeniu maszyna może się nagrzać

mniej, niż przy długotrwałej pracy z małym obciążeniem.

Standardowe rodzaje pracy stanowią porównanie zachowania przy pracy

z różnymi cyklicznymi wartościami obciążeń. Opisują one warunki pracy

konkretnej maszyny.

W pracy ciągłej S1 maszyna może pracować długi okres czasu przy swoim

obciążeniu znamionowym, bez przekroczenia dozwolonej temperatury.

Jeżeli na tabliczce znamionowej silnika nie ma informacji dotyczącej pracy

długotrwałej, to maszyna może pracować w trybie ciągłym.

W pracy dorywczej S2, czas pracy maszyny z obciążeniem znamiono-

wym jest krótki, w porównaniu do czasu przerw. Maszyna stygnie do

temperatury otoczenia podczas przerw, więc jej maksymalna dozwolona

temperatura nie zostanie osiągnięta. Czas trwania pracy dorywczej po-

winien być oznaczony na tabliczce znamionowej. Jego typowe wartości

to 10, 30, 60 i 90 minut.

Intensywne grzanie się przy rozpędzaniu nie jest brane pod uwagę w

pracy przerywanej okresowo S3. W tym przypadku, procentowa wartość

definiuje jak długo silnik może być włączony podczas czasu cyklu równego

na przykład 10 minut.

Praca przerywana okresowo z rozruchem S4 bierze pod uwagę fakt, iż

silnik będzie włączany bardzo często, lub czas rozruchu będzie trwał

dość długo. W dodatku dla innych wartości zdefiniowane są, moment

bezwładności silnika i maksymalny moment bezwładności obciążenia.

Hamulce silników elektrycznych generują dodatkowe ciepło. Jest to do-

datkowo zdefiniowane przez tabliczkę znamionową w przypadku pracy

przerywanej okresowo z hamowaniem elektrycznym S5.

Inne rodzaje cykli pracy są używane dla ciągłego ruchu silnika, lecz nie

zawsze z obciążeniem.

Typ cyklu pracy długotrwałej z przerwami jałowymi S6 opisuje, jak długo

może silnik pracować pod obciążeniem podczas jednego cyklu. Nagrze-

wanie spowodowane hamowaniem jest zdefiniowane w rodzaju cyklu

pracy S7, pracy długotrwałej z hamowaniem elektrycznym.

Typ pracy okresowej długotrwałej ze zmianami prędkości obrotwej S8,

ustala maksymalny czas rozruchu dla silników, które pracują z różnymi

prędkościami obrotowymi. Natomiast praca z nieokresowymi zmianami

obciążenia i prędkości obrotowej S9, obok niecyklicznych zmian obcią-

żenia i prędkości obrotowej, uwzględnia także szczytowe, krótkotrwałe

obciążenia, które znacząco przekraczają moc znamionową silnika.

Sterowania i napędy elektryczne

154

Minos

3.11 Bezpieczeństwo pracy

Aby uniknąć jakichkolwiek wypadków związanych z elektrycznością, pra-

ce przy urządzeniach elektrycznych muszą koniecznie być wykonywane

przy wyłączonym napięciu. Jednakże, istnieją wyjątki od tej reguły.

Dodatkowo, personel jest podzielony na instalatorów i specjalistów elek-

trotechników. Instalatorzy nie są upoważnieni do wykonywania prac przy

napięciu przekraczającym 50 V napięcia zmiennego i 120 V napięcia

stałego.

Osoby przeszkolone to osoby nie będące specjalistami elektrykami, lecz

odpowiednio przeszkolone. Specjaliści elektrycy to osoby, które przeszly

profesjonalną edukację w kierunku konkretnego zawodu w dziedzinie

elektrotechniki. Dodatkowo, specjalista elektryk ze specjalnymi umie-

jętnościami jest osobą, która ma długie doświadczenie w zawodzie, lub

przeszła dodatkowe testy i egzaminy, takie jak egzamin na mistrza.

Aby przełączyć urządzenie na stan bez napięcia, należy postępować

według konkretnej procedury.

Urządzenie musi zostać odłączone od wszystkich linii napięcia i nie tylko.

Przewody uziemione nie należą do tej grupy. Widoczne miejsca odłączeń

powinny zostać przygotowane dla napięć powyżej 1 kV.

Osoba odpowiedzialna za nadzorowanie i kontrolę, powinna wykonać

wyłączenie maszyny. Powinno to nastąpić przed rozpoczęciem jakich-

kolwiek prac przy maszynie.

Należy zabezpieczyć wyłączone urządzenie przed ponownym podłącze-

niem do sieci. Może być to osiągnięte poprzez usunięcie bezpieczników.

Tabliczka z zakazem podłączenia urządzenia dodatkowo powinna znaleźć

się w miejscu rozłączenia.

Trzecim krokiem jest upewnienie się, iż urządzenie rzeczywiście zosta-

ło odłączone od źródeł zasilania. Wszystkie istniejące obwody należy

sprawdzić. Brak obecności napięcia powinien zostać stwierdzony nie w

miejscu rozłączania, lecz w miejscu prowadzonych prac.

Czwartym krokiem jest uziemienie urządzenia. Na przykład, podczas

pracy z przewodami nadziemnymi do 1000 V, powinny one zostać zwarte

i uziemione. Urządzenie użyte w tym celu należy najpierw połączyć z

ziemią, następnie z urządzeniem.

Piątym krokiem jest przykrycie pobliskich komponentów pod napięciem,

aby uniknąć jakiegokolwiek kontaktu z nimi. Zarówno ten krok, jak i krok

czwarty, nie są krokami niezbędnymi, lecz zapewniają dodatkowe bez-

pieczeństwo.

Sterowania i napędy elektryczne

155

Minos

Aby ponownie włączyć urządzenie, powyższe kroki powinny zostać wy-

konane w odwrotnej kolejności. Napięcie może zostać pnownie włączone

jedynie, gdy cały personel opuścił miejsce pracy.

Możliwe jest także wykonywanie prac pod napięciem, co redukuje wydat-

ki. W tym przypadku, z powodu niebezpieczeństw, należy przestrzegać

dodatkowych środków ostrożności. Jedynie osoby ze specjalnymi kwa-

lifikacjami mogą zostać dopuszczone do tychże prac.

3.11.1 Srodki zabezpieczenia

Należy zapobiegać kontaktom z częściami urządzeń pod napięciem,

aby uniknąć wypadków związanych z energią elektryczną. Istnieją dwa

rodzaje kontaktu: bezpośredni kontakt dwubiegunowy, gdzie prąd płynie

od jednego bieguna, przez ciało, do drugiego, i kontakt jednobiegunowy,

gdzie prąd płynie przez ciało do ziemi.

Generalnie, jednobiegunowe i dwubiegunowe kontakty są równie nie-

bezpieczne. Ryzyko nie istnieje jedynie wtedy, gdy osoba ulegająca

kontaktowi, jest odizolowana od ziemi. Bywa tak w przypadku obszarów

testowych lub przy pracy z przewodami wysokonapięciowymi.

Ochrona przed bezpośrednim kontaktem jest osiągana przez izolację,

przykrywanie lub owijanie części przewodzących napięcie.

Może także zdażyć się kontakt pośredni, podczas którego części normal-

nie nie będące pod napięciem, napięcie przewodzą, z powodu wadliwych

izolacji.

Sprzęt ochrony przed prądem upływu jest kolejnym typem zabezpieczeń.

Sprzęt ten pozwala na porównywanie prądu płynącego do odbiorników,

z prądem powracającym, za pomocą przetworników prądu całkowitego.

Prądy te są równe w przypadku prawidłowo funkcjonujących urządzeń.

W przypadku awarii izolacji, część prądu nie popłynie z powrotem przez

przetwornik prądu całkowitego, aktywując sprzęt zabezpieczający. Róż-

nica w wartościach prądu, która aktywuje ten sprzęt, to na ogół 30 mA.

Taka wrażliwość zapobiega wypadkom ze skutkiem śmiertelnym.

Jednakże, zabezpieczenia przed prądem upływu są używane jedynie

jako dodatkowe środki bezpieczeństwa.

Sterowania i napędy elektryczne

156

Minos

3.11.2 Zabezpieczenia przeciw awariom

Środki przeciw awariom są używane w celu uniknięcia zagrożeń w przy-

padku awarii izolacji. Jednym z najważniejszych środków jest ochrona

przed kontaktem pośrednim.

Przebicie na obudowę, zwarcie, lub uziemienie mogą wystąpić w przy-

padku awarii izolacji. Jednocześnie może wystąpić wiele awarii.

Przebicie na obudowę oznacza, iż napięcie jest obecne na obudowie

urządzenia, z powodu wadliwej izolacji. Może być to na przykład obu-

dowa silnika.

Zwarcie oznacza kontakt pomiędzy dwoma liniami przewodzącymi na-

pięcie. W tym przypadku napięcie może być także obecne na obudowie

urządzenia.

Uziemienie oznacza, iż przewód pod napięciem ma kontakt z ziemią. W

tym przypadku, może pojawić się napięcie w ziemi pomiędzy punktem

kontaktu, a miejscem położonym dalej.

Środki ochrony są podzielone na trzy klasy zabezpieczeń. W klasie za-

bezpieczeń I, wykorzystuje się przewody zabezpieczające. W przypadku

uszkodzenia, prąd popłynie przez ten przewód, wyłączając dopływ energii

elektrycznej.

W II klasie zabezpieczeń występuje izolacja zabezpieczająca, obok izo-

lacji części przewodzących. Przewód zabezpieczający nie może być w

tym przypadku użyty.

III klasa zabezpieczeń wykorzystuje bardzo niskie napięcie. W tym przy-

padku wartość napięcia nie może przekroczyć 50 V napięcia zmiennego,

lub 120 V napięcia stałego.

W pewnych obszarach zastosowań ustalany jest nawet niższy limit na-

pięcia, taki jak 25 V napięcia zmiennego lub 60 V napięcia stałego. Nie

jest wtedy wymagane zabezpieczenie przed bezpośrednim kontaktem. W

takim systemie działają na przykład niskonapięciowe lampy halogenowe

lub kolejki modelarskie.

Bardzo niskie napięcie jest podzielone na napięcie bezpieczeństwa SELV

(security extra low voltage), które nie jest połączone z ziemią, oraz na

napięcie zabezpieczające PELV (protective extra low voltage), które

może być uziemione.

Sterowania i napędy elektryczne

157

Minos

3.11.3 Kompatybilność elektromagnetyczna

Kompatybilność elektromagnetyczna dotyczy komponentów elektro-

nicznych, zatem także bezpieczeństwa pracy urządzeń posiadających

te komponenty.

Wysokie napięcia elektryczne o wartości parunastu tysięcy woltów mogą

zostać wygenerowane poprzez naładowanie elektrostatyczne. Te napięcia

tworzą się poprzez separację ładunków, na przykład podczas zwykłego

chodzenia po syntetycznym dywanie.

Nawet napięcia znacznie niższe od tych wygenerowanych przez ładunki

elektrostatyczne, mogą uszkodzić półprzewodniki. Dlatego niezbędne

jest rozładowywanie tych napięć poprzez kontakt z uziemionym prze-

wodem przed bezpośrednim kontaktem z półprzewodnikami. Prawidło-

wo uziemione miejsca pracy są wymagane do pracy z komponentami

elektronicznymi.

Także wyładowaniom atmosferycznym towarzyszą bardzo wysokie na-

pięcia. Wpływają one nie tylko w przypadku bezpośredniego uderzenia w

sieć energetyczną. Także uderzenia w odległości kilkuset metrów mogą

przesłać napięcia poprzez połączenia pojemnościowe i indukcyjne.

Przepięcia muszą zostać uziemione za pomocą filtrów przepięciowych,

które są podłączone do chronionego sprzętu.

Pola elektromagnetyczne także powodują powstawanie zakłóceń. Aby

ich uniknąć, stosuje się izolacje specjalnymi ekranami przy ich źródłach,

aby nie interferowały z sygnałami radiowymi i telewizyjnymi.

Urządzenia elektryczne przeznaczone do sprzedaży na terenie Unii

Europejskiej powinny posiadać certyfikat CE. Za to odpowiedzialny jest

personel marketingowy. Znak CE oznacza, iż urządzenie jest zgodne ze

standardami europejskimi, także z dyrektywą o kompatybilności elektro-

magnetycznej.

Sterowania i napędy elektryczne

158

Minos

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
AutoCad 2005 PL podrecznik uzytkownika
norton internet security 2006 pl podręcznik użytkownika wersja do druku GDNLZL2NUCRI23G3GCMPE66CPV
ebook openoffice pl podręcznik PXRCKMYY2LMUFDCE3CP7S6V35T7Y2H2JEK2XAAA
Ivona PL Podręczxnik
pl Podręcznik Terminale NS7 NS10 NS12
5 Czujniki Podrecznik PL
logo podręcznik pl AGOWIBW4NQIH5ISZSWRYJ66ZZOXCZMEPY7DWXOY
PODRĘCZNIK UŻYTKOWNIKA PL
PC 1200 Podręcznik Wzorcowy 3D PL
helion adobe ilustrator cs pl oficjalny podrecznik rozdz 6 7CKCPUAQO364ZBMKWNSWLXSESZ7Z7KRGSN3D6YI
D&D 3e Podrecznik Gracza PL
6 Podrecznik2 PL
errata wfrp podrecznik podstawowy 2ed pl WCM6MPISBW46O2437Q6UHQDMMBAHFA4RAHLL3OA
7 Podrecznik PL

więcej podobnych podstron