MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ Urszula Ran Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych 311[07].Z3.02 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji PaÅ„stwowy Instytut Badawczy Radom 2006 Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego Recenzenci: dr inż. Jan Diaczuk mgr inż. Igor Lange Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Danuta PaweÅ‚czyk Konsultacja: mgr inż. Gabriela Poloczek Korekta: Poradnik stanowi obudowÄ™ dydaktycznÄ… programu jednostki moduÅ‚owej 311[07].Z3.02 Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych zawartego w moduÅ‚owym programie nauczania dla zawodu Technik elektronik. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji PaÅ„stwowy Instytut Badawczy, Radom 2006 Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 1 SPIS TREÅšCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstÄ™pne 5 3. Cele ksztaÅ‚cenia 6 4. MateriaÅ‚ nauczania 7 4.1. Silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego i prÄ…du przemiennego 7 4.1.1. MateriaÅ‚ nauczania 7 4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 14 4.1.3. Ćwiczenia 14 4.1.4. Sprawdzian postÄ™pów 16 4.2. Silniki krokowe i silniki liniowe 17 4.2.1. MateriaÅ‚ nauczania 17 4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 24 4.2.3. Ćwiczenia 24 4.2.4. Sprawdzian postÄ™pów 26 4.3. Przekazniki i styczniki elektromagnetyczne 27 4.3.1. MateriaÅ‚ nauczania 27 4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 32 4.3.3. Ćwiczenia 32 4.3.4. Sprawdzian postÄ™pów 33 4.4. SiÅ‚owniki 34 4.4.1. MateriaÅ‚ nauczania 34 4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 39 4.4.3. Ćwiczenia 39 4.4.4. Sprawdzian postÄ™pów 41 4.5. Bezstykowe elementy zaÅ‚Ä…czajÄ…ce i sterujÄ…ce mocÄ… 42 4.5.1. MateriaÅ‚ nauczania 42 4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 48 4.5.3. Ćwiczenia 48 4.5.4. Sprawdzian postÄ™pów 49 4.6. Przemienniki czÄ™stotliwoÅ›ci 50 4.6.1. MateriaÅ‚ nauczania 50 4.6.2. Pytania sprawdzajÄ…ce 53 4.6.3. Ćwiczenia 53 4.6.4. Sprawdzian postÄ™pów 55 5. Sprawdzian osiÄ…gnięć 56 6. Literatura 61 Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 2 1. WPROWADZENIE Poradnik bÄ™dzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o elementach i urzÄ…dzeniach wykonawczych automatyki, takich jak: silniki prÄ…du staÅ‚ego i prÄ…du przemiennego, silniki krokowe i liniowe, przekazniki i styczniki elektromagnetyczne, siÅ‚owniki i elektrozawory, tyrystorowe regulatory mocy oraz przemienniki czÄ™stotliwoÅ›ci. Poradnik ten zawiera: 1. Wymagania wstÄ™pne, czyli wykaz niezbÄ™dnych umiejÄ™tnoÅ›ci i wiedzy, które powinieneÅ› mieć opanowane, aby przystÄ…pić do realizacji tej jednostki moduÅ‚owej. 2. Cele ksztaÅ‚cenia tej jednostki moduÅ‚owej. 3. MateriaÅ‚ nauczania, który umożliwia samodzielne przygotowanie siÄ™ do wykonania ćwiczeÅ„ i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy wskazanÄ… literaturÄ™ oraz inne zródÅ‚a informacji. Obejmuje on również: - pytania sprawdzajÄ…ce wiedzÄ™ potrzebnÄ… do wykonania ćwiczenia, - ćwiczenia wraz z poleceniem i sposobem wykonania, - wykaz materiałów, narzÄ™dzi i sprzÄ™tu potrzebnych do realizacji ćwiczenia, - sprawdzian postÄ™pów, który umożliwi Ci sprawdzenie poziomu umiejÄ™tnoÅ›ci po wykonaniu ćwiczeÅ„. WykonujÄ…c sprawdzian postÄ™pów powinieneÅ› odpowiadać na pytanie tak lub nie, co oznacza, że opanowaÅ‚eÅ› materiaÅ‚ albo nie. 4. Sprawdzian osiÄ…gnięć sprawdzajÄ…cy Twoje opanowanie wiedzy i umiejÄ™tnoÅ›ci z zakresu caÅ‚ej jednostki moduÅ‚owej. 5. Wykaz literatury, z jakiej możesz korzystać podczas nauki w celu pogÅ‚Ä™bienia wiedzy z zakresu programu jednostki moduÅ‚owej. Jeżeli masz trudnoÅ›ci ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproÅ› nauczyciela o wyjaÅ›nienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz okreÅ›lonÄ… czynność. Po opanowaniu umiejÄ™tnoÅ›ci spróbuj zaliczyć sprawdzian z zakresu jednostki moduÅ‚owej. Jednostka moduÅ‚owa: Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych , jest drugÄ… z moduÅ‚u: Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ automatyki schemat 1. BezpieczeÅ„stwo i higiena pracy W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikajÄ…cych z rodzaju wykonywanych prac. Przepisy te poznaÅ‚eÅ› już podczas realizacji wczeÅ›niejszych jednostek moduÅ‚owych. Podczas realizacji ćwiczeÅ„ bÄ™dÄ… przypominane przepisy bhp, do których musisz siÄ™ stosować. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 3 311[07].Z3 Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ automatyki 311[07].Z3.01 311[07].Z3.02 Badanie czujników Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ i przetworników przemysÅ‚owych wykonawczych 311[07].Z3.03 Badanie ukÅ‚adów sterowania ze sterownikiem PLC 311[07].Z3.04 311[07].Z3.05 Badanie regulatorów ciÄ…gÅ‚ych Badanie regulatorów nieliniowych Schemat ukÅ‚adu jednostek moduÅ‚owych w module Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ automatyki Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 4 2. WYMAGANIA WSTPNE PrzystÄ™pujÄ…c do realizacji programu jednostki moduÅ‚owej uczeÅ„ powinien umieć: - definiować, stosować i przeliczać jednostki ukÅ‚adu SI, - obsÅ‚ugiwać podstawowe przyrzÄ…dy do pomiaru wielkoÅ›ci elektrycznych, - wykonywać pomiary wielkoÅ›ci elektrycznych z zachowaniem zasad bhp, - interpretować bÅ‚Ä™dy pomiarów parametrów elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych, - obliczać bÅ‚Ä…d bezwzglÄ™dny i wzglÄ™dny na podstawie klasy i zakresu pomiarowego przyrzÄ…du, - sporzÄ…dzać charakterystyki statyczne i dynamiczne, - klasyfikować maszyny i urzÄ…dzenia elektryczne, - wyjaÅ›niać ogólne zasady dziaÅ‚ania i bezpiecznego użytkowania podstawowych maszyn i urzÄ…dzeÅ„ elektrycznych, - rozróżniać podstawowe parametry maszyn i urzÄ…dzeÅ„ elektrycznych, - korzystać z różnych zródeÅ‚ informacji. PowinieneÅ› mieć opanowany materiaÅ‚ jednostek moduÅ‚owych: 1. 311[07].O1.01 Przygotowanie do bezpiecznej pracy, 2. 311[07].O1.04 Analizowanie dziaÅ‚ania oraz stosowanie podstawowych maszyn i urzÄ…dzeÅ„ elektrycznych, 3. 311[07].O2.03 Badanie elementów i ukÅ‚adów automatyki. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 5 3. CELE KSZTAACENIA W wyniku realizacji programu jednostki moduÅ‚owej powinieneÅ› umieć: - zmierzyć parametry przekazników i styczników, - zmierzyć parametry silników prÄ…du staÅ‚ego i prÄ…du przemiennego oraz krokowych i liniowych, - zmierzyć parametry tyrystorowych regulatorów mocy, - zmierzyć parametry przemienników czÄ™stotliwoÅ›ci, - zmierzyć parametry siÅ‚owników i elektrozaworów, - sporzÄ…dzić charakterystyki statyczne i dynamiczne elementów wykonawczych, - skorzystać z książek, dokumentacji technicznej, katalogów, norm technicznych oraz innych zródeÅ‚ zawierajÄ…cych podstawowe parametry i charakterystyki elementów wykonawczych, - zastosować przepisy bhp podczas Å‚Ä…czenia ukÅ‚adów pomiarowych oraz dokonywania pomiarów. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 6 4. MATERIAA NAUCZANIA 4.1. Silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego i prÄ…du przemiennego 4.1.1. MateriaÅ‚ nauczania Maszyna elektryczna MaszynÄ… elektrycznÄ… nazywamy urzÄ…dzenie elektromechaniczne sÅ‚użące do przetwarzania energii. CechÄ… charakterystycznÄ… maszyn elektrycznych jest to, że zachodzÄ…ce w nich przemiany energii odbywajÄ… siÄ™ za poÅ›rednictwem pola magnetycznego i przy udziale ruchu. Ze wzglÄ™du na rodzaj energii przetwarzanej w maszynie elektrycznej możemy je podzielić na: - prÄ…dnice (przetwarzajÄ… energiÄ™ mechanicznÄ… na energiÄ™ elektrycznÄ…), - silniki (przetwarzajÄ… energiÄ™ elektrycznÄ… na energiÄ™ mechanicznÄ…), - przetwornice (przetwarzajÄ…ce energiÄ™ elektrycznÄ… na energiÄ™ elektrycznÄ…, ale o innych parametrach). Istnieje wiele różnorodnych rozwiÄ…zaÅ„ maszyn elektrycznych różniÄ…cych siÄ™ rodzajem prÄ…du, zasadÄ… dziaÅ‚ania i budowÄ…. Maszyny elektryczne ze wzglÄ™du na rodzaj prÄ…du i zasadÄ™ dziaÅ‚ania możemy podzielić na: - prÄ…du staÅ‚ego, - prÄ…du przemiennego, a te z kolei na: synchroniczne; asynchroniczne maszyny indukcyjne; komutatorowe jednofazowe i wielofazowe. Każda maszyna elektryczna może pracować bez wprowadzania jakichkolwiek zmian konstrukcyjnych zarówno jako prÄ…dnica, jak i jako silnik. Jednak w celu osiÄ…gniÄ™cia optymalnych efektów ekonomicznych i technicznych, maszyny sÄ… budowane już z konkretnym przeznaczeniem, do wykorzystania jako silnik lub jako prÄ…dnica. Do najistotniejszych zalet maszyn elektrycznych należą: duża sprawność, możliwość regulacji różnych wielkoÅ›ci prÄ™dkoÅ›ci, napiÄ™cia, prÄ…du, możliwość zdalnego sterowania oraz duża niezawodność dziaÅ‚ania. NajliczniejszÄ… grupÄ™ maszyn stanowiÄ… silniki elektryczne, a spoÅ›ród nich silniki prÄ…du przemiennego, szczególnie silniki indukcyjne maÅ‚ej i Å›redniej mocy, które sÄ… tanie, proste w obsÅ‚udze i zasilane sÄ… bezpoÅ›rednio z sieci prÄ…du przemiennego. Ze wzglÄ™du na konieczność dostarczenia im mocy biernej indukcyjnej, powodujÄ… zwiÄ™kszenie strat mocy w liniach przesyÅ‚owych i spadki napięć. NastÄ™pnÄ… grupÄ™ stanowiÄ… silniki komutatorowe jednofazowe prÄ…du przemiennego maÅ‚ej mocy, które znalazÅ‚y zastosowanie w napÄ™dach urzÄ…dzeÅ„ powszechnego użytku, ze wzglÄ™du na dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci regulacyjne. Silniki synchroniczne prÄ…du przemiennego, z kolei bardzo korzystnie wpÅ‚ywajÄ… na pracÄ™ sieci, ale mogÄ… być stosowane tylko tam, gdzie rozruch odbywa siÄ™ rzadko i nie jest wymagana regulacja prÄ™dkoÅ›ci obrotowej (np. w pompach, wentylatorach, sprężarkach). Również ważne miejsce w napÄ™dach urzÄ…dzeÅ„ stanowiÄ… silniki prÄ…du staÅ‚ego, ze wzglÄ™du na dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci regulacyjne oraz dogodność dla automatycznego sterowania napÄ™dem elektrycznym. WadÄ… ich jest skomplikowana budowa i stosunkowo wysoka cena. Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych CharakterystykÄ… mechanicznÄ… silnika elektrycznego nazywamy zależność prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej És silnika od wytwarzanego momentu Ms. Rozróżniamy trzy rodzaje charakterystyk, wynikajÄ…ce z zasady dziaÅ‚ania maszyn elektrycznych (rys. 1): synchronicznÄ… (idealnie sztywna), bocznikowÄ… (sztywna), i szeregowÄ… (miÄ™kka).Charakterystyka mechaniczna silnika zależy od rodzaju silnika i jego parametrów. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 7 Rys. 1. Typowe charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych 1 synchroniczna, 2 bocznikowa, 3 - szeregowa [4, s. 144] CharakterystykÄ™ idealnie sztywnÄ… majÄ… silniki synchroniczne, dla których prÄ™dkość kÄ…towa jest niezależna od momentu oporowego w zakresie od wartoÅ›ci zerowej do wartoÅ›ci maksymalnej, po przekroczeniu której silnik wypada z synchronizmu. CharakterystykÄ™ sztywnÄ… majÄ… silniki indukcyjne, silniki bocznikowe prÄ…du staÅ‚ego oraz silniki bocznikowe komutatorowe prÄ…du przemiennego. CharakteryzujÄ… siÄ™ one nieznacznÄ… zależnoÅ›ciÄ… prÄ™dkoÅ›ci obrotowej od momentu oporowego. CharakterystykÄ™ miÄ™kkÄ… majÄ… silniki szeregowe prÄ…du staÅ‚ego i silniki szeregowe komutatorowe prÄ…du przemiennego, które charakteryzuje duża zależność prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej od momentu oporowego (prÄ™dkość znacznie siÄ™ zmniejsza wraz ze wzrostem obciążenia). Sztywność charakterystyki jest okreÅ›lona przez wzglÄ™dny spadek prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej "É (%) przy zmianie momentu silnika M od 0 do MN i jest okreÅ›lony wzorem: Ö0 -ÖN "É = Å"100% Ö0 gdzie: É0 - prÄ™dkość idealnego biegu jaÅ‚owego, w rad·s-1; ÉN - prÄ™dkość znamionowa, w rad·s-1. Gdy "É d" 10% - charakterystykÄ™ zalicza siÄ™ do sztywnych. Jeżeli charakterystyka zostaÅ‚a wyznaczona przy znamionowych parametrach napiÄ™cia zasilajÄ…cego twornik silnika, to nazywamy jÄ… charakterystykÄ… naturalnÄ…. Charakterystyki wyznaczone dla innych napięć nazywamy sztucznymi. Silniki wykonawcze Silniki elektryczne stosowane jako elementy wykonawcze (np. w serwomechanizmach) muszÄ… speÅ‚niać okreÅ›lone wymagania, tj.: - Å‚atwość sterowania w szerokich granicach prÄ™dkoÅ›ci obrotowej ze zmianÄ… kierunku ruchu wÅ‚Ä…cznie, - duża szybkość reagowania na zmianÄ™ sterowania, - liniowość charakterystyk, - duży moment rozruchowy, - możliwość pracy przy nieruchomym wirniku, - samohamowność, - wysoka niezawodność, - maÅ‚e wymiary. Wymagania te najlepiej spoÅ›ród wszystkich silników prÄ…du staÅ‚ego i silników prÄ…du przemiennego speÅ‚niajÄ…: silnik wykonawczy indukcyjny dwufazowy i silnik wykonawczy obcowzbudny prÄ…du staÅ‚ego. Ponadto dla potrzeb automatyki skonstruowano specjalne silniki elektryczne, np.: silniki momentowe, niektóre silniki synchroniczne, ale głównie silniki krokowe. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 8 Silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego Silniki prÄ…du staÅ‚ego, jak już wspomniano wyżej, charakteryzujÄ… siÄ™ dobrymi wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciami ruchowymi dużym zakresem regulacji prÄ™dkoÅ›ci obrotowej oraz dużym momentem rozruchowym. DziÄ™ki temu sÄ… chÄ™tnie stosowane w ukÅ‚adach napÄ™dowych, szczególnie energoelektronicznych. W zależnoÅ›ci od sposobu poÅ‚Ä…czenia uzwojenia wzbudzajÄ…cego silniki prÄ…du staÅ‚ego dzielimy na: - samowzbudne: bocznikowe, szeregowe i szeregowo-bocznikowe, - obcowzbudne. Ponadto sÄ… budowane silniki o magnesach trwaÅ‚ych, w których zródÅ‚em strumienia magnetycznego jest magnes trwaÅ‚y. PracÄ™ silnika prÄ…du staÅ‚ego opisujÄ… zależnoÅ›ci wynikajÄ…ce z praw indukcji elektromagnetycznej i elektrodynamiki: E = ke·Åš·É i Me = ke·Åš·Ia, gdzie: E siÅ‚a elektromotoryczna indukowana w tworniku silnika, w V; ke staÅ‚a zależna od konstrukcji maszyny; Åš strumieÅ„ magnetyczny wywoÅ‚any prÄ…dem wzbudzenia, w Wb; É prÄ™dkość kÄ…towa, w rad·s-1; Me moment rozwijany przez silnik, w N·m; Ia prÄ…d twornika, w A. W stanie ustalonym pracÄ™ silników wszystkich typów opisuje nastÄ™pujÄ…ce równanie: U = E + Rac Ia. Po podstawieniu zależnoÅ›ci E = ke·Åš·É otrzyma siÄ™: U = ke·Åš·É + Rac Ia. Z powyższego równania można wyznaczyć prÄ™dkość kÄ…towÄ… silnika: U -RacIa É = keÅš Me a po podstawieniu zależnoÅ›ci Ia = otrzyma siÄ™: keÅš R ac É = É0 - Me (keÅš)2 U gdzie: É0 = - prÄ™dkość kÄ…towa idealnego biegu jaÅ‚owego. keÅš W stanie ustalonym pracy silnika, momentowi obciążenia Mh przeciwstawia siÄ™ równy co do wartoÅ›ci, lecz przeciwnie skierowany moment elektromagnetyczny Me, któremu odpowiadajÄ… okreÅ›lone wartoÅ›ci prÄ…du twornika Ia i strumienia Åš, przy czym wartość strumienia zależy od napiÄ™cia zasilania w silnikach: bocznikowym i obcowzbudnym lub od prÄ…du obciążenia w silniku szeregowym. ZnajÄ…c prÄ…d twornika Ia i napiÄ™cie zasilania U, można okreÅ›lić napiÄ™cie E, a na tej podstawie, przy znanej wartoÅ›ci strumienia, szukanÄ… prÄ™dkość kÄ…towÄ… É. Najważniejsze wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci ruchowe silników sÄ… przedstawiane w sposób wykreÅ›lny za pomocÄ… charakterystyk: É = f(I) lub É = f(M) przy U = const i Rf = const zwanych charakterystykami mechanicznymi silnika prÄ…du staÅ‚ego (rys. 2). Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 9 Rys. 2. Charakterystyki mechaniczne silników prÄ…du staÅ‚ego 1i 2 bocznikowego i obcowzbudnego: 1 przy pominiÄ™ciu oddziaÅ‚ywania twornika (maszyna z uzwojeniem kompensacyjnym), 2 przy uwzglÄ™dnieniu oddziaÅ‚ywania twornika; 3 szeregowo-bocznikowego przy dozwojeniu zgodnym; 4 szeregowego. [5, s. 271] Silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego sÄ… stosowane w ukÅ‚adach automatycznego sterowania i regulacji. Zadaniem tych silników jest przeksztaÅ‚cenie sygnaÅ‚u elektrycznego (napiÄ™cia sterujÄ…cego) na przemieszczenie mechaniczne (prÄ™dkość kÄ…towÄ… lub poÅ‚ożenie kÄ…towe).SÄ… to silniki maÅ‚ej mocy bez biegunów pomocniczych, w których uzwojenie biegunów i obwód wirnika jest zasilany z oddzielnych zródeÅ‚. Obwód wzbudzenia zasilany jest z sieci o staÅ‚ym napiÄ™ciu Uf, a obwód sterowania zasilany jest tylko wtedy, gdy silnik ma wykonać okreÅ›lone zadanie. Silnik wykonawczy, jak już wyżej wspomniano, powinien charakteryzować siÄ™ m. in.: - liniowoÅ›ciÄ… charakterystyk mechanicznych, - stabilnoÅ›ciÄ… charakterystyk mechanicznych, - samohamownoÅ›ciÄ…, - maÅ‚ymi wymiarami, - szybkÄ… odpowiedziÄ…. Do silników wykonawczych prÄ…du staÅ‚ego zaliczamy silniki obcowzbudne (rys. 3 a) lub ze wzbudzeniem przez magnesy trwaÅ‚e (rys. 3 b). Stosuje siÄ™ dwa sposoby regulacji prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej silnika: przez zmianÄ™ napiÄ™cia wirnika przy staÅ‚ym wzbudzeniu (rys. 4 a) i przez zmianÄ™ napiÄ™cia wzbudzenia przy staÅ‚ym napiÄ™ciu wirnika (rys. 4 b). Rys. 3. Budowa silnika wykonawczego prÄ…du staÅ‚ego o wzbudzeniu: a) elektromagnetycznym; b) przez magnesy trwaÅ‚e 1 wirnik, 2 uzwojenie wzbudzenia, 3 stojan jawnobiegunowy, 4 komutator i szczotki, 5 magnes trwaÅ‚y magnesowany promieniowo, 6 nabiegunniki magnesu [11, s. 110] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 10 Rys. 4. Charakterystyki mechaniczne silnika obcowzbudnego przy zmianach: a) napiÄ™cia zasilania, gdy Åš = const; b) strumienia, gdy napiÄ™cie zasilania U = const [4, s. 169] Silniki wykonawcze ze wzbudzeniem przez magnesy trwaÅ‚e majÄ… prostszÄ… budowÄ™ niż silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego ze wzbudzeniem elektromagnetycznym, ponadto lepsze warunki chÅ‚odzenia oraz wiÄ™kszÄ… sprawność. Silniki te sÄ… budowane zarówno jako silniki maÅ‚ej mocy (0,2 ÷ 0,5 W), jak i silniki o dużej mocy (1 ÷ 5 kW), przeznaczone do napÄ™du obrabiarek sterowanych numerycznie. MogÄ… być szybkoobrotowe ( 104 obr/min) lub wolnoobrotowe (500 obr/min). W silnikach wolnoobrotowych zmniejszenie prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej otrzymuje siÄ™ przez zwiÄ™kszenie liczby magnesów tworzÄ…cych bieguny silnika. Szczególnie nadajÄ… siÄ™ do napÄ™du obrabiarek ponieważ mogÄ… być bezpoÅ›rednio Å‚Ä…czone z nimi (bez poÅ›rednictwa przekÅ‚adni). ZaletÄ… ich jest również duża przeciążalność. Bardzo dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci dynamiczne majÄ… silniki tarczowe (lub silniki drukowane rys. 5). Wirnik w tym silniku wykonany w postaci tarczy, na której technikÄ… obwodów drukowanych naniesione sÄ… uzwojenia. CaÅ‚e uzwojenie skÅ‚ada siÄ™ z licznych pojedynczych zwojów, które otrzymano przez zespawanie na zewnÄ™trznym obwodzie tarczy Å›cieżek miedzianych z obu stron tarczy, natomiast przeciwne zakoÅ„czenia Å›cieżek doprowadzono do komutatora. Komutator umieszczony jest w pobliżu Å›rodka tarczy. Linie siÅ‚ pola magnetycznego wzbudzonego przez liczne magnesy trwaÅ‚e sÄ… prostopadÅ‚e do pÅ‚aszczyzny tarczy. Åšcieżki tworzÄ…ce uzwojenie sÄ… uksztaÅ‚towane promieniowo. Gdy przepÅ‚ywa przez nie prÄ…d, to powstaÅ‚e siÅ‚y sÄ… prostopadÅ‚e do przewodów, a wiÄ™c skierowane wzdÅ‚uż tworzÄ…cej, stycznie do tarczy. Rys. 5. Silnik tarczowy (drukowany): a) schemat budowy; b) schemat uzwojenia - liniÄ… przerywanÄ… narysowano druk naniesiony na niewidocznej stronie tarczy [9, s. 284] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 11 Wirnik silnika tarczowego nie zawiera żelaza, jego masa dlatego jest niewielka i niewielki, w zwiÄ…zku z tym, jest również moment bezwÅ‚adnoÅ›ci. DziÄ™ki temu staÅ‚e czasowe silników tarczowych sÄ… mniejsze niż porównywalnych silników o klasycznej konstrukcji. Najlepsze wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci dynamiczne majÄ… silniki prÄ…du staÅ‚ego, w których wirnik wykonany jest w postaci kubka (rys. 6). Kubek, bÄ™dÄ…cy odpowiednio uformowanymi uzwojeniami usztywnionymi specjalnymi żywicami, umieszczony jest w możliwie maÅ‚ej szczelinie miÄ™dzy biegunami magnesów trwaÅ‚ych (dla uzyskania dużych wartoÅ›ci strumienia wzbudzenia). Rys. 6. Schemat budowy kubkowego silnika prÄ…du staÅ‚ego: 1 wirnik kubkowy, 2 magnes trwaÅ‚y stojana,3 rdzeÅ„ ferromagnetyczny, 4 obudowa. [9, s. 283] Silniki wykonawcze prÄ…du przemiennego Jako silniki wykonawcze prÄ…du przemiennego stosuje siÄ™ silniki indukcyjne dwufazowe. Silniki te maja dwa uzwojenia (wzbudzenia i sterujÄ…ce) nawiniÄ™te na stojanie o osiach prostopadÅ‚ych wzglÄ™dem siebie. Uzwojenia sÄ… zasilane napiÄ™ciem przemiennym o tej samej czÄ™stotliwoÅ›ci (rys. 7). Na uzwojenie wzbudzenia podaje siÄ™ napiÄ™cie sieci zasilajÄ…cej Uw, a na uzwojenie sterujÄ…ce napiÄ™cie sterujÄ…ce Us. Aby silnik mógÅ‚ rozwinąć moment obrotowy, napiÄ™cia wystÄ™pujÄ…ce na uzwojeniach muszÄ… być przesuniÄ™te w fazie M = kUwUssinĆ, gdzie: Ć kÄ…t przesuniÄ™cia fazowego, k współczynnik. Rys. 7. Schemat zasilania uzwojeÅ„ stojana silnika dwufazowego: U1 U2 uzwojenie wzbudzajÄ…ce, V1-V2 uzwojenie sterujÄ…ce [3, s. 263] Najczęściej napiÄ™cie sterujÄ…ce jest przesuniÄ™te w fazie o Ä„/2 wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia i ma zmiennÄ… amplitudÄ™. Zmiana znaku napiÄ™cia sterujÄ…cego (czyli zmiana przesuniÄ™cia fazowego na - Ä„/2) powoduje zmianÄ™ zwrotu momentu obrotowego wytwarzanego przez silnik i zmianÄ™ kierunku ruchu. NapiÄ™cie sterujÄ…ce może mieć staÅ‚Ä… amplitudÄ™, natomiast zmienia siÄ™ przesuniÄ™cie fazy wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia. W pierwszym przypadku mówimy o sterowaniu amplitudowym, w drugim o sterowaniu fazowym (rys. 8). Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 12 Rys. 8. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego wykonawczego: a) przy sterowaniu amplitudowym; b) przy sterowaniu fazowym [11, s. 109] Wirnik silnika wykonawczego indukcyjnego nie ma komutatora, co zwiÄ™ksza niezawodność silnika. Na ogół sÄ… to maszyny klatkowe, przy czym najczęściej w celu zmniejszenia momentu bezwÅ‚adnoÅ›ci klatkÄ™ wirnika stanowi niemagnetyczny kubek, wykonany z aluminium. Silniki z niemagnetycznym wirnikiem kubkowym noszÄ… nazwÄ™ silników Ferrarisa (rys. 9). Rys. 9. Zasada budowy silnika indukcyjnego kubkowego: 1 uzwojenie stojana, 2, 3 zewnÄ™trzna i wewnÄ™trzna część magnetowodu, 4 wirnik kubkowy [3, s. 263] PrÄ™dkość kÄ…towÄ… reguluje siÄ™ przez regulacjÄ™ amplitudy lub przesuniÄ™cie fazowe napiÄ™cia zasilajÄ…cego uzwojenia sterujÄ…ce wzglÄ™dem napiÄ™cia zasilajÄ…cego uzwojenie wzbudzenia. Moc dwufazowych silników indukcyjnych wynosi od okoÅ‚o pół wata do kilkudziesiÄ™ciu watów, znamionowa prÄ™dkość kÄ…towa od 120 do 300 rad/s, a w szczególnych przypadkach osiÄ…ga 1500 rad/s (ok. 14000 obr./min). SÄ… one najczęściej zasilane napiÄ™ciem o czÄ™stotliwoÅ›ci 50Hz, a niekiedy 400Hz. Silniki wykonawcze momentowe Silniki momentowe nie sÄ… stosowane jako samodzielne elementy wykonawcze, lecz peÅ‚niÄ… w nich rolÄ™ pomocniczÄ… (np. w urzÄ…dzeniach elektrohydraulicznych i elektropneumatycznych). SÄ… natomiast stosowane, w urzÄ…dzeniach autopilotów i stabilizatorów statków, jako korektory żyroskopów. Silnik wykonawczy momentowy jest przetwornikiem sygnaÅ‚u elektrycznego na poÅ‚ożenie waÅ‚u silnika. Przy braku obciążenia staÅ‚emu sygnaÅ‚owi odpowiada ustalone poÅ‚ożenie waÅ‚u. Jeżeli pod wpÅ‚ywem zewnÄ™trznego momentu siÅ‚ waÅ‚ silnika odchyli siÄ™ od poÅ‚ożenia ustalonego, to w silniku wytworzy siÄ™ moment zwrotny (silnik zachowa siÄ™ jak sprężyna). Mikrosyn (rys. 10) jest przykÅ‚adem silnika wykonawczego momentowego. Uzwojenia wzbudzenia oraz sterujÄ…ce mikrosynu mogÄ… być zasilane, zarówno napiÄ™ciami staÅ‚ymi jak i napiÄ™ciami przemiennymi o jednakowej fazie .Zmianie ulega amplituda napiÄ™cia sterujÄ…cego Us, natomiast amplituda napiÄ™cia wzbudzenia Uw pozostaje staÅ‚a. Wirnik reluktancyjny ustawia siÄ™ tak, aby oÅ› reluktancji minimalnej pokrywaÅ‚a siÄ™ z wypadkowym strumieniem Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 13 magnetycznym Åš = Åšw + Åšs, przy czym kierunek strumienia wypadkowego zależy od napiÄ™cia sterujÄ…cego Us. . Rys. 10. Mikrosyn: a) budowa; b), c), d), e) kierunek strumienia wypadkowego Åš i zarazem kierunek poÅ‚ożenia wirnika przy różnych wartoÅ›ciach napiÄ™cia sterujÄ…cego Us [11, s. 111] 4.1.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Jak możemy podzielić maszyny elektryczne ze wzglÄ™du na rodzaj prÄ…du i zasadÄ™ dziaÅ‚ania? 2. Jakie charakterystyki mechaniczne majÄ… silniki elektryczne? 3. Które silniki maja charakterystykÄ™ idealnie sztywnÄ…? 4. Które silniki maja charakterystykÄ™ sztywnÄ…, a które miÄ™kkÄ…? 5. Jakie wymagania muszÄ… speÅ‚nić silniki elektryczne wykonawcze? 6. Jakie znasz silniki prÄ…du staÅ‚ego wykonawcze? 7. Jakie zalety majÄ… silniki wykonawcze prÄ…du staÅ‚ego o wzbudzeniu przez magnesy trwaÅ‚e? 8. Jak jest zbudowany silnik tarczowy? 9. Jak mogÄ… być sterowane silniki wykonawcze indukcyjne dwufazowe? 10. Jak jest zbudowany silnik Ferrarisa? 11. Gdzie sÄ… stosowane silniki wykonawcze momentowe? 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Badanie silników prÄ…du staÅ‚ego. Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasad obsÅ‚ugi i wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci użytkowych wybranych silników prÄ…du staÅ‚ego, wyznaczenie charakterystyki silnika w różnych warunkach zasilania obciążenia.[7, s. 175 181] Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ materiaÅ‚em teoretycznym o silnikach prÄ…du staÅ‚ego, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zapoznać siÄ™ z aparaturÄ… i ukÅ‚adami pomiarowymi do badania silników, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 14 4) wybrany silnik rozÅ‚ożyć na części, 5) wykonać szkice i scharakteryzować konstrukcjÄ™ silnika, 6) zmontować ponownie silnik, 7) zapoznać siÄ™ z pozostaÅ‚ymi silnikami, 8) sporzÄ…dzić charakterystyki poznanych silników, na podstawie obserwacji, tabliczek znamionowych, danych katalogowych, 9) wyznaczyć charakterystykÄ™ É = f(M) silników dla kilku napięć zasilajÄ…cych, 10) dokonać analizÄ™ otrzymanych wyników, porównujÄ…c z danymi katalogowymi, 11) wyznaczyć charakterystyki skokowe silników obserwujÄ…c zmiany napiÄ™cia na wyjÅ›ciu prÄ…dnicy tachometrycznej, 12) wyznaczyć staÅ‚e czasowe silnika, 13) sporzÄ…dzić dokumentacjÄ™ z przebiegu ćwiczenia, 14) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 15) dokonać oceny poprawnoÅ›ci wykonania ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - silniki prÄ…du staÅ‚ego, - modele silników, - ukÅ‚ad sterowania silników, - ukÅ‚ad pomiaru prÄ™dkoÅ›ci (np. z wyskalowana prÄ…dnicÄ… tachometrycznÄ…), - hamownica do zadawania momentu obciążajÄ…cego, - rejestrator lub oscyloskop, - katalogi silników, - karty katalogowe, instrukcje, DTR, - kartki papieru, - przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. Ćwiczenie 2 Badanie silników prÄ…du staÅ‚ego Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, charakterystyk i zasad użytkowania silników prÄ…du przemiennego.[7, s. 182 187] Uwaga: W trakcie ćwiczenia należy szczególnie przestrzegać zasad bhp. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em teoretycznym o silnikach prÄ…du przemiennego, 2) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 3) zapoznać siÄ™ z aparaturÄ… i ukÅ‚adami pomiarowymi do badania silników, 4) sporzÄ…dzić charakterystyki poznanych silników, na podstawie obserwacji, tabliczek znamionowych, danych katalogowych, 5) wybrany silnik rozÅ‚ożyć na części, 6) wykonać szkice i scharakteryzować konstrukcjÄ™ silnika, 7) zmontować ponownie silnik, 8) wyznaczyć charakterystykÄ™ n = f(M) wybranego silnika, 9) wykonać peÅ‚nÄ… dokumentacjÄ™ badaÅ„, 10) narysować dla wskazanych silników schematy ukÅ‚adów sterowania zaÅ‚Ä…czaniem, zmianÄ… kierunku, prÄ™dkoÅ›ciÄ…, 11) scharakteryzować pod wzglÄ™dem użytkowym wybrany silnik trójfazowy, 12) zaÅ‚Ä…czyć silnik trójfazowy i sprawdzić jego dziaÅ‚anie, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 15 13) sporzÄ…dzić dokumentacjÄ™ z przebiegu ćwiczenia, 14) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 15) dokonać oceny poprawnoÅ›ci wykonania ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - silniki prÄ…du przemiennego, - modele silników, - ukÅ‚ady zasilajÄ…ce, - urzÄ…dzenia do pomiaru prÄ™dkoÅ›ci (skalowana prÄ…dnica tachometryczna), - hamownica do zadawania momentu obciążenia, - zestawy kondensatorów, styczniki, - katalogi silników, - karty katalogowe, instrukcje, - kartki papieru, - przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. 4.1.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) na podstawie danych z tabliczek znamionowych scharakteryzować silnik? 2) wyznaczyć charakterystykÄ™ mechanicznÄ… silnika prÄ…du staÅ‚ego? 3) wyznaczyć charakterystyki skokowe silników? 4) wykonać przeÅ‚Ä…czenia zapewniajÄ…ce zmianÄ™ kierunku ruchu silnika trójfazowego prÄ…du przemiennego? 5) korzystajÄ…c z katalogów silników dobrać silnik do konkretnego zadania? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 16 4.2. Silniki krokowe i silniki liniowe 4.2.1. MateriaÅ‚ nauczania Silniki krokowe (skokowe) Silniki krokowe przetwarzajÄ… impulsy elektryczne na przesuniÄ™cie kÄ…towe lub liniowe, nazywane krokami lub skokami silnika, które zależnie od konstrukcji silnika wynoszÄ… od 1° do 180°. Zasada dziaÅ‚ania silników krokowych opiera siÄ™ na zjawisku zmiany poÅ‚ożenia rdzenia ferromagnetycznego (wirnika) w polu magnetycznym w celu osiÄ…gniÄ™cia optymalnej przewodnoÅ›ci obwodu magnetycznego. WystÄ™pujÄ… różnorodne konstrukcje silników krokowych, w których część ruchoma może być wykonana w postaci magnesów trwaÅ‚ych lub obwodów drukowanych. Rys. 11. Zasada budowy silnika krokowego [3, s. 396] W najprostszym konstrukcyjnie silniku skokowym (rys.11) uzwojenie stojana jest zasilane impulsowo prÄ…dem staÅ‚ym. Aby uzyskać dużą liczbÄ™ skoków w stojanie znajduje siÄ™ dużo biegunów magnetycznych. Zasilane mogÄ… być kolejno uzwojenia poszczególnych biegunów lub odpowiednich biegunów poÅ‚Ä…czonych w ukÅ‚ady, które wytwarzajÄ… strumieÅ„ magnetyczny o okreÅ›lonym kierunku. Impulsy zasilajÄ…ce muszÄ… zmieniać siÄ™ w czasie aby otrzymać okreÅ›lonÄ… czÄ™stotliwość skoków. Wytwarzane sÄ… przez ukÅ‚ad elektroniczny, zwany komutatorem, w taki sposób, że strumieÅ„ magnetyczny zmienia za każdym razem swój kierunek o taki sam kÄ…t, wykonujÄ…c stopniowo peÅ‚ny obrót (cykl). Silniki skokowe ze wzglÄ™du na wykonanie wirników dzielimy na: - czynne, w których wirnik zawiera magnesy trwaÅ‚e, - i bierne, w których wirnik wykonano z materiaÅ‚u magnetycznie miÄ™kkiego. Wirniki obu typów silników ustawiajÄ… siÄ™ zawsze w ten sposób, że ramiÄ™ wirnika (jedno z ramion) przyjmuje kierunek zgodny z kierunkiem pola wytwarzanego przez stojan, przy czym wirnik czynny uwzglÄ™dnia polaryzacjÄ™ pola, a bierny nie. Dlatego też, dla każdego kierunku pola magnetycznego wytwarzanego przez stojan, wirnik czynny np. dwubiegunowy (rys.12) przyjmuje tylko jedno poÅ‚ożenie (zgodne z kierunkiem i zwrotem pola magnetycznego), a taki sam dwubiegunowy wirnik bierny przyjmuje jedno z dwóch możliwych poÅ‚ożeÅ„. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 17 Rys. 12. Silnik krokowy z wirnikiem czynnym: a)schemat budowy, b) kierunki strumienia magnetycznego odpowiadajÄ…ce zasilaniu uzwojeÅ„ sterujÄ…cych 1 i 2 od strony zaznaczonej gwiazdkÄ… napiÄ™ciami o podanej polaryzacji. [11, s. 113] Przy staÅ‚ym kierunku pola magnetycznego wirnik silnika krokowego zajmuje staÅ‚e poÅ‚ożenie. Zmiana kierunku pola magnetycznego powoduje zmianÄ™ poÅ‚ożenia wirnika. KÄ…t pomiÄ™dzy sÄ…siednimi możliwymi poÅ‚ożeniami wirnika nazywamy skokiem silnika. Od konstrukcji wirnika oraz liczby różnych kierunków pola magnetycznego wytwarzanych przez stojan zależy liczba możliwych poÅ‚ożeÅ„ przyjmowanych przez wirnik. W każdym z poÅ‚ożeÅ„ wirnik może być zatrzymany dowolnie dÅ‚ugo. Od kolejnoÅ›ci przeÅ‚Ä…czania uzwojeÅ„ sterujÄ…cych zależy kierunek ruchu wirnika. W silniku krokowym czynnym wirnik dwubiegunowy zmienia swoje poÅ‚ożenie o taki sam kÄ…t, o jaki zmienia siÄ™ kierunek pola magnetycznego. Ma zatem dość duży skok rzÄ™du Ä„/10. Cyklowi przeÅ‚Ä…czeÅ„ odpowiada peÅ‚ny obrót wirnika. Konstrukcja silnika krokowego tzw. wielostojanowego umożliwia uzyskanie maÅ‚ych skoków. Charakteryzuje siÄ™ ona tym, że w jednej osi silnika znajduje siÄ™ kilka rzÄ™dów ukÅ‚adów biegunowych, których osie biegunów sÄ… przesuniÄ™te w przestrzeni. Wirnik wielobiegunowy może zmieniać swoje poÅ‚ożenie o kÄ…t mniejszy niż kÄ…t zmiany strumienia magnetycznego. PrzykÅ‚adowo, wirnik szeÅ›ciobiegunowy (rys.13), który poczÄ…tkowo ma skierowane ramiona 1 ÷ 4 wzdÅ‚uż strumienia Åša, po zmianie strumienia o kÄ…t Ä„/2 zmienia swoje poÅ‚ożenie nie o kÄ…t Ä„/2, a zaledwie o Ä„/6, ponieważ w kierunku strumienia Åšb ustawiajÄ… siÄ™ ramiona 3 ÷ 6 (a nie 1 ÷ 4), które znajdujÄ…c siÄ™ znacznie bliżej nowego kierunku strumienia sÄ… wielokrotnie silniej przyciÄ…gane. Ponieważ liczba biegunów wirnika czynnego jest, ze wzglÄ™dów technologicznych, ograniczona do kilku, to silniki krokowe z takim wirnikiem nie mogÄ… wykonywać skoków o bardzo maÅ‚ym kÄ…cie. Na wykonanie peÅ‚nego obrotu potrzebujÄ… od kilkudziesiÄ™ciu do stu skoków. Rys. 13. Zmiana poÅ‚ożenia szeÅ›ciobiegunowego wirnika czynnego spowodowana zmianÄ… strumienia magnetycznego Åša na Åšb [11, s. 114] W silnikach krokowych z wirnikami biernymi można uzyskać znacznie mniejsze wartoÅ›ci skoku, ponieważ wirnik bierny ustawia siÄ™ zawsze tak, by zapewnić najwiÄ™kszÄ… przewodność Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 18 magnetycznÄ… (reluktancjÄ™) na drodze strumienia magnetycznego. W silniku skokowym reluktancyjnym z wirnikiem biernym (rys. 14) strumieÅ„ magnetyczny przyjmuje zaledwie trzy poÅ‚ożenia, różniÄ…ce siÄ™ o 2·Ä„/3. Wirnik czterobiegunowy zmienia za każdym razem swoje poÅ‚ożenie tylko o kÄ…t Ä„/6, ponieważ w kierunku strumienia magnetycznego ustawiajÄ… siÄ™ najbliższe ramiona wirnika (wirnik dwubiegunowy zmieniÅ‚by swoje poÅ‚ożenie o kÄ…t Ä„/3). Cyklowi przeÅ‚Ä…czeÅ„ pola odpowiada wykonanie przez czterobiegunowy wirnik bierny jednej czwartej obrotu ( przez wirnik dwubiegunowy jednej drugiej). Rys. 14. Silnik skokowy reluktancyjny z wirnikiem biernym: a) schemat budowy z wirnikiem w poÅ‚ożeniu odpowiadajÄ…cym zasilaniu uzwojenia sterujÄ…cego 1; b) kierunki wytwarzanego strumienia magnetycznego (odpowiadajÄ…ce zasilaniu uzwojeÅ„ 1, 2i 3);c), d), e) kolejne fazy ruchu wirnika odpowiadajÄ…ce peÅ‚nemu cyklowi komutacji [11, s. 114] Wirnik bierny może mieć dużą liczbÄ™ biegunów (znacznie wiÄ™kszÄ… niż wirnik czynny), wiÄ™c pojedynczy skok może być bardzo maÅ‚y. PrzykÅ‚adem innej konstrukcji silników krokowych sÄ… tzw. silniki reduktorowe ze żłobkowanymi biegunami stojana (rys. 15), w których podziaÅ‚ki zÄ™bów wirnika i stojana sÄ… takie same. Wirnik, w konstrukcjach tych silników, w czasie jednego cyklu przeÅ‚Ä…czeÅ„ zmienia poÅ‚ożenie o kÄ…t odpowiadajÄ…cy podziaÅ‚ce (a nie odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy biegunami). Wirnik silnika reduktorowego majÄ…cy 20 zÄ™bów w czasie peÅ‚nego cyklu trzech poÅ‚Ä…czeÅ„ wykona jednÄ… dwudziestÄ… obrotu. Dla wykonania peÅ‚nego obrotu wymaganych jest 60 skoków. Silniki reduktorowe rzeczywiste majÄ… wirniki o wiÄ™kszej liczbie zÄ™bów, w których peÅ‚ny obrót wymaga od kilkuset do tysiÄ…ca skoków. Rys. 15. Silnik krokowy reduktorowy z wirnikiem biernym [11, s. 115] W silniku skokowym pracujÄ…cym pod obciążeniem lub rozpÄ™dzonym, na wirnik oddziaÅ‚uje zewnÄ™trzny moment siÅ‚y (rys. 16), który może ustawić w kierunku strumienia magnetycznego inne ramiÄ™ silnika (niż podczas pracy bez obciążenia). Silnik wtedy zamiast wykonać wymaganÄ… Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 19 liczbÄ™ skoków, może wykonać ich wiÄ™cej lub pewnÄ… ich liczbÄ™ zgubić . W ukÅ‚adzie sterowania otwartego jest to przyczynÄ… nieprawidÅ‚owego dziaÅ‚ania caÅ‚ego ukÅ‚adu sterowania, ponieważ poÅ‚ożenie wirnika inne niż zaÅ‚ożone pozostaje niezauważone (poÅ‚ożenie wirnika nie jest mierzone) przez ukÅ‚ad sterowania. Takie nieprawidÅ‚owe zachowanie siÄ™ silnika krokowego zależy od jego konstrukcji i obciążenia, a także od tego, że faktyczny ruch wirnika przy przeÅ‚Ä…czeniu może mieć charakter oscylacyjny (rys.17). Rys. 16. Charakterystyka statyczna silnika skokowego: Ć odlegÅ‚ość kÄ…towa miÄ™dzy sÄ…siednimi zÄ™bami wirnika, ² odchylenie poÅ‚ożenia kÄ…towego pod wpÅ‚ywem obciążenia Mobc [11, s. 116] Rys. 17. Przebieg zmian poÅ‚ożenia wirnika podczas wykonywania skoków: Ć odlegÅ‚ość kÄ…towa miÄ™dzy sÄ…siednimi zÄ™bami wirnika [11, s. 116] WÅ‚asnoÅ›ci silników krokowych charakteryzujÄ…: - dopuszczalny moment obciążenia przy różnych czÄ™stotliwoÅ›ciach sterujÄ…cych, - czÄ™stotliwość startowo-stopowa, przy której silnik nie gubi skoków po natychmiastowym zatrzymaniu lub natychmiastowym rozpÄ™dzeniu, - maksymalna czÄ™stotliwość robocza, z którÄ… silnik może pracować, gdy zmiana prÄ™dkoÅ›ci nastÄ™puje stopniowo ( Å‚agodnie ). Silniki krokowe z wirnikiem czynnym zapewniajÄ… moment obrotowy od kilkunastu do kilkudziesiÄ™ciu N·m (silniki w obrabiarkach), przy czÄ™stotliwoÅ›ci skoków rzÄ™du 100Hz; natomiast silniki skokowe z wirnikiem biernym wytwarzajÄ… znacznie mniejszy moment obrotowy ale czÄ™stotliwość skoków jest bardzo duża od kilku do kilkunastu kHz. Koszt silnika krokowego i ukÅ‚adu sterujÄ…cego jest tym wiÄ™kszy, im wiÄ™ksza jest czÄ™stotliwoÅ›ci impulsów i mniejsze skoki. Silniki krokowe w porównaniu z innymi silnikami wykonawczymi wykazujÄ… cenne zalety, miÄ™dzy innymi: wpÅ‚ywajÄ… na zmniejszenie liczby elementów i uproszczenie systemu sterowania, charakteryzujÄ… siÄ™ dużą dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… lub eliminujÄ… caÅ‚kowicie sprzężenie zwrotne i ukÅ‚ady Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 20 prÄ…dnic tachometrycznych. UkÅ‚ad otwarty jest znacznie prostszy niż ukÅ‚ad zamkniÄ™ty, nie wymaga urzÄ…dzeÅ„ do pomiaru poÅ‚ożenia ani urzÄ…dzeÅ„ pomocniczych do pomiaru prÄ™dkoÅ›ci. Na przykÅ‚ad, w silniku krokowym, którego zadaniem jest przestawienie pisaka rejestratora do nowego poÅ‚ożenia, wystarczy podanie tylko odpowiedniej liczby impulsów sterujÄ…cych. Silniki krokowe szczególnie nadajÄ… siÄ™ do współpracy z cyfrowymi urzÄ…dzeniami sterujÄ…cymi. Dlatego sÄ… m.in. stosowane w obrabiarkach sterowanych numerycznie. Silniki liniowe W silnikach liniowych nastÄ™puje przemiana energii elektrycznej w energiÄ™ ruchu postÄ™powego. DziÄ™ki temu unika siÄ™ budowy kosztownych przekÅ‚adni zÄ™batych oraz poprawia wÅ‚asnoÅ›ci dynamiczne. Silniki liniowe dzieli siÄ™ na silniki: - prÄ…du staÅ‚ego, - indukcyjne, - synchroniczne, w tym reluktancyjne i krokowe, - elektromagnetyczne, - o ruchu drgajÄ…cym (wibratory). Silniki liniowe prÄ…du staÅ‚ego (rys. 18) wykonane sÄ… z nieruchomego elektromagnesu zasilanego prÄ…dem staÅ‚ym. Część ruchomÄ… stanowi cewka zasilana napiÄ™ciem sterujÄ…cym doprowadzanym przez szczotki Å›lizgajÄ…ce siÄ™ po szynach. SiÅ‚a F dziaÅ‚ajÄ…ca na cewkÄ™ o kierunku wzdÅ‚uż elektromagnesów jest proporcjonalna do iloczynu indukcji B wytworzonej przez elektromagnes oraz prÄ…du pÅ‚ynÄ…cego przez cewkÄ™: F = kBi, przy czym: i = (u vBk)/R prÄ…d pÅ‚ynÄ…cy przez cewkÄ™; v prÄ™dkość liniowa ruchu cewki: R rezystancja cewki; k staÅ‚a równa sumie dÅ‚ugoÅ›ci czynnych pionowych części zwojów cewki. SiÅ‚a F dla ustalonej wartoÅ›ci napiÄ™cia u = U jest równa: kB F = (U - kBv). R Rys. 18. Silnik liniowy prÄ…du staÅ‚ego: 1 szyny; 2 cewka; 3 bieguny elektromagnesu [2, s. 224] W trakcie konstruowania silników skokowych liniowych należy uporać siÄ™ z problemem oddziaÅ‚ywania pola cewki ruchomej na pole magnetyczne stojana, które jest powodem, przy niekorzystnym kierunku prÄ…du, znacznego spadku siÅ‚y przy skrajnych poÅ‚ożeniach cewki. Silniki liniowe prÄ…du staÅ‚ego stosowane do rejestratorów majÄ… zakres ruchu 0,2 m i siÅ‚Ä™ ok. 1 N. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 21 Najbardziej rozpowszechnione sÄ… silniki indukcyjne liniowe. ZnalazÅ‚y zastosowanie w przemyÅ›le włókienniczym (napÄ™d czółenek tkackich), w trakcji, jako pompy do ciekÅ‚ych metali oraz w przemysÅ‚owych procesach technologicznych. Silnik indukcyjny liniowy wywodzi siÄ™ z przeksztaÅ‚cenia silnika wirujÄ…cego (rys.19). PrzeksztaÅ‚cenie to polega na przeciÄ™ciu stojana i wirnika promieniowo do osi i rozwiniÄ™ciu ich wraz z uzwojeniami. W silniku tym wystÄ™puje dziaÅ‚anie dynamiczne pola indukcji magnetycznej wzbudzonej w jednej części silnika na prÄ…dy indukowane w ukÅ‚adzie elektrycznym części drugiej. W wyniku tego dziaÅ‚ania nastÄ™puje ruch jednej części wzglÄ™dem drugiej z prÄ™dkoÅ›ciÄ… mniejszÄ… od prÄ™dkoÅ›ci przemieszczania siÄ™ pola indukcji. Rys. 19. Ewolucja silnika indukcyjnego wirujÄ…cego: a) o wirniku masywnym w silnik indukcyjny liniowy pÅ‚aski jednostronny, b) o wirniku kubkowym w silnik indukcyjny liniowy pÅ‚aski dwustronny: 1 część pierwotna, 2 część wtórna [6, s. 342] Z silnikami liniowymi indukcyjnymi sÄ… zwiÄ…zane pewne okreÅ›lenia podstawowe, takie jak: - część pierwotna - jest to część lub części silnika wzglÄ™dem siebie nieruchome, z których przynajmniej jedno zawiera uzwojenia zasilane z sieci, - część wtórna jest to część silnika, w której indukujÄ… siÄ™ prÄ…dy wywoÅ‚ane strumieniem magnetycznym wzbudzonym w części pierwotnej, - powierzchnie aktywne w silniku liniowym powierzchnie obydwu części silnika przedzielone szczelinÄ… powietrznÄ…, przy czym indukcja magnetyczna normalna do tych powierzchni warunkuje przemianÄ™ elektromagnetycznÄ… energii w silniku, - bieżnia (bieżnik) element silnika liniowego, konieczny do uzyskania siÅ‚y ciÄ…gu. - Rozróżnia siÄ™ nastÄ™pujÄ…ce rodzaje silników indukcyjnych liniowych: - jednostronny (część pierwotna oddziaÅ‚uje na część wtórnÄ… tylko z jednej strony), - dwustronny (dwie części pierwotne oddziaÅ‚ujÄ… na część wtórnÄ… z obu jej stron), - pojedynczy (o jednej części pierwotnej rys. 19 a), - podwójny (dwie lub wiÄ™cej części pierwotnych oddziaÅ‚ujÄ… na jednÄ… część wtórnÄ… rys. 19 b), - pÅ‚aski (powierzchnie aktywne sÄ… pÅ‚askie w ksztaÅ‚cie prostokÄ…tów), - Å‚ukowy (powierzchnia aktywna lub powierzchnie aktywne jednej części jest powierzchniÄ… walcowÄ…, a części drugiej wycinkiem powierzchni walcowej), - tubowy (powierzchnie aktywne cylindryczne rys. 20), - pompa liniowa indukcyjna (częściÄ… wtórnÄ… jest metal ciekÅ‚y nieferromagnetyczny), - o ruchu wahadÅ‚owym (wykonuje ruch posuwisto-zwrotny). Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 22 Rys. 20. Ewolucja silnika cylindrycznego w silnik tubowy: a) silnik cylindryczny, b) silnik liniowy pÅ‚aski, c) silnik liniowy tubowy [6, s. 343] W silnikach indukcyjnych liniowych dwufazowych (rys. 21) część ruchomÄ… stanowi induktor zÅ‚ożony z dwóch współpracujÄ…cych części, pomiÄ™dzy którymi znajduje siÄ™ aluminiowy bieżnik. Cewki o numerach nieparzystych na rysunku sÄ… poÅ‚Ä…czone szeregowo i zasilane napiÄ™ciem u1 o staÅ‚ej amplitudzie U1. Cewki parzyste, też poÅ‚Ä…czone szeregowo, zasilane sÄ… napiÄ™ciem u2 o amplitudzie U2 przesuniÄ™tym w fazie o 90°. Przy wiÄ™kszej liczbie kolumn i uzwojeÅ„ induktora wskazy wszystkich strumieni magnetycznych poza skrajnymi kolumnami pozostajÄ… przesuniÄ™te wzglÄ™dem siebie kolejno o 90° (rys. 19 b). Otrzymane pole magnetyczne przesuwa siÄ™ wzglÄ™dem induktora z prÄ™dkoÅ›ciÄ… synchronicznÄ… vs = 2fÄ przy czym: f czÄ™stotliwość sieci (najczęściej 50 Hz); Ä dÅ‚ugość podziaÅ‚ki biegunowej w [m], w przypadku uzwojenia dwufazowego równa podwójnej odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy kolumnami. PrÄ™dkość liniowa nie zależy od liczby par biegunów. SiÅ‚a pociÄ…gowa uzyskiwana w ukÅ‚adzie kU2s F = 2 îÅ‚ ëÅ‚ Lwir ÷Å‚ Å‚Å‚ öÅ‚ ìÅ‚ ïÅ‚R +ìÅ‚2Ä„ fs÷Å‚ śł wir R ïÅ‚ śł íÅ‚ wir Å‚Å‚ ðÅ‚ ûÅ‚ przy czym: Rwir i Lwir rezystancja i indukcyjność bieżni dla prÄ…dów wirowych; s = (vs v) vs poÅ›lizg; v prÄ™dkość rzeczywista przemieszczania siÄ™ induktora wzglÄ™dem bieżni. W napÄ™dach pojazdów szynowych stosuje siÄ™ podobne silniki trójfazowe. Rys. 21. Silnik liniowy dwufazowy: a) konstrukcja silnika 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 cewki; b)wykres wskazowy strumieni magnetycznych w poszczególnych kolumnach [2, s. 225] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 23 MaÅ‚e silniczki sÄ… wykonywane z induktorem jednoczęściowym, w których bieżnia musi mieć podÅ‚oże magnetyczne po przeciwnej stronie niż induktor oraz szczególnie staranne powinno być Å‚ożyskowanie ze wzglÄ™du na duże siÅ‚y przyciÄ…gania do bieżni. W silnikach bardzo maÅ‚ej mocy część nieruchomÄ… stanowiÄ… induktory o wielu kolumnach i uzwojeniach wytwarzajÄ…cych pole, w którym porusza siÄ™ aluminiowa lub miedziana pÅ‚ytka. WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci dynamiczne silnika indukcyjnego liniowego sÄ… analogiczne jak dla zwykÅ‚ego silnika obrotowego. 4.2.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania silników krokowych? 2. Jak może być wykonany wirnik silników krokowych? 3. Jakie znasz rodzaje silników krokowych ze wzglÄ™du na wykonanie wirników? 4. Dlaczego w silnikach krokowych tzw. wielostojanowych możliwe jest uzyskanie maÅ‚ych skoków? 5. Dlaczego w silniku krokowym z wirnikiem biernym można uzyskać znacznie mniejsze skoki niż w silniku krokowym z wirnikiem czynnym? 6. Dlaczego silniki krokowe sÄ… stosowane w ukÅ‚adach sterowania? 7. Jak jest wykonany silnik liniowy prÄ…du staÅ‚ego? 8. W jaki sposób przeksztaÅ‚cono silnik indukcyjny wirujÄ…cy w silnik indukcyjny liniowy? 9. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania silnika indukcyjnego dwufazowego liniowego? 10. Jaka jest różnica w konstrukcji silników indukcyjnych liniowych maÅ‚ej mocy? 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Badanie silnika skokowego. Celem ćwiczenia jest poznanie wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci użytkowych silnika skokowego. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 2) zapoznać siÄ™ z aparaturÄ… i ukÅ‚adami pomiarowymi do badania silnika skokowego, 3) zapoznać siÄ™ dziaÅ‚aniem sterownika, 4) poÅ‚Ä…czyć silnik ze sterownikiem, 5) sprawdzić dziaÅ‚anie ukÅ‚adu, 6) zaobserwować przebiegi napięć na pasmach silnika, 7) wyznaczyć charakterystykÄ™ statycznego momentu synchronizujÄ…cego w funkcji odchylenia od poÅ‚ożenia równowagi, 8) zaobserwować zachowanie silnika przy pÅ‚ynnym zwiÄ™kszaniu czÄ™stotliwoÅ›ci, starcie ze stanu zatrzymanego, zmianie kierunku ruchu, 9) zanotować wyniki i porównać z danymi katalogowymi silnika, 10) wykonać dokumentacjÄ™ z przebiegu ćwiczenia, 11) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 12) dokonać oceny ćwiczenia. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 24 Wyposażenie stanowiska pracy: - silnik skokowy, - sterownik silnika skokowego, - dynamometr, - ukÅ‚ad do pomiaru poÅ‚ożenia kÄ…towego, - generator fali prostokÄ…tnej, - katalogi silników, - karty katalogowe, - papier, przybory do pisania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. Ćwiczenie 2 Badanie silnika liniowego. W ukÅ‚adzie jak na rysunku induktor zasilany jest bezpoÅ›rednio z autotransformatora wÅ‚Ä…czonego do sieci prÄ…du przemiennego. Induktor powoduje obrót tarczy osadzonej na osi. Tarcza sprzÄ™gniÄ™ta jest z jednej strony z prÄ…dnicÄ… tachometrycznÄ…, a z drugiej z maszynÄ… prÄ…du staÅ‚ego dla pomiaru momentu rozruchowego i wyznaczania charakterystyk obciążenia. Rysunek do ćwiczenia 1. [6, s. 346] Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia, 2) zapoznać siÄ™ z urzÄ…dzeniami i przyrzÄ…dami, 3) zmontować ukÅ‚ad wedÅ‚ug projektu, 4) zapoznać siÄ™ z budowÄ… silnika liniowego, 5) wyznaczyć dla biegu jaÅ‚owego zależnoÅ›ci Io = f(U), Éo = F(U), Po = f(U), 6) wyznaczyć prÄ…d poczÄ…tkowy, 7) zmierzyć moment rozruchowy tarczy, 8) obciążyć silnik przy staÅ‚ej wartoÅ›ci napiÄ™cia prÄ…dnicÄ… prÄ…du staÅ‚ego, 9) wyznaczyć charakterystyki obciążenia, 10) wykonać dokumentacjÄ™ ćwiczenia, 11) dokonać oceny ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - induktor, - 2 3 tarcze (bieżnie), - prÄ…dnica tachometryczna, - mierniki uniwersalne, - prÄ…dnica prÄ…du staÅ‚ego (hamownica), Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 25 - sprzÄ™gÅ‚o rozÅ‚Ä…czne, - katalogi silników, - instrukcje, karty katalogowe urzÄ…dzeÅ„, - papier, - przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. 4.2.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) rozpoznać doÅ›wiadczalnie rodzaj wirnika silnika skokowego? 2) narysować ksztaÅ‚t charakterystyki statycznego momentu synchronizujÄ…cego w dużym zakresie zmian kÄ…ta Ä…? 3) wyznaczyć poczÄ…tkowÄ… siÅ‚Ä™ ciÄ…gu induktora? 4) zmienić kierunek wirowania tarczy? 5) podać jakie sÄ… możliwoÅ›ci regulacji prÄ™dkoÅ›ci bieżni? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 26 4.3. Przekazniki i styczniki elektromagnetyczne 4.3.1. MateriaÅ‚ nauczania AÄ…czniki AÄ…cznikami nazywamy urzÄ…dzenia sÅ‚użące do zamykania i otwierania obwodów elektrycznych. Rozróżnia siÄ™ Å‚Ä…czniki zestykowe i bezstykowe (np. półprzewodnikowe) oraz bezpieczniki i zÅ‚Ä…cza stykowe (wtyczki i gniazda). Zestykiem nazywa siÄ™ parÄ™ skÅ‚adajÄ…cÄ… siÄ™ ze styku ruchomego i nieruchomego, zwierany ze sobÄ… (styk zwierny) i rozwierany (styk rozwierny). Do najważniejszych części Å‚Ä…czników należy zaliczyć styki. ZetkniÄ™cie styków umożliwia bowiem przepÅ‚yw prÄ…du w obwodzie elektrycznym. Budowa zestyków zależy od wartoÅ›ci prÄ…dów i napięć, jakie majÄ… być przeÅ‚Ä…czane. Im wiÄ™ksza wartość prÄ…du pÅ‚ynÄ…cego przez styki, tym wiÄ™ksza musi być powierzchnia zetkniÄ™cia styków, natomiast przeÅ‚Ä…czanie dużych napięć wymaga stosowania dużych odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy stykami (rys. 22). Rezystancja przejÅ›cia styku zależy od powierzchni i siÅ‚y docisku styków. Przy przepÅ‚ywie prÄ…du moc wydzielajÄ…ca siÄ™ na rezystancji przejÅ›cia powoduje nagrzewanie styków. Wzrost temperatury styków powoduje dalsze zwiÄ™kszania rezystancji przejÅ›cia, a to z kolei powoduje dalsze nagrzewanie, itd. W koÅ„cowym efekcie wydzielania nadmiernej mocy na stykach prowadzi to do ich uszkodzenia przez stopienie. Dla każdego styku istnieje wiÄ™c wartość maksymalna prÄ…du, której przekroczenie może doprowadzić do uszkodzenia zestyku. PrzyczynÄ… zwiÄ™kszenia rezystancji przejÅ›cia może być sÅ‚aba siÅ‚a docisku styków oraz zanieczyszczenia. Rys. 22. Styki elektryczne: a); b) sÅ‚aboprÄ…dowe; c); d) silnoprÄ…dowe; e) rtÄ™ciowe{9, s. 306] Na rysunku 22 przedstawione sÄ… także styki rtÄ™ciowe. Dwa prÄ™ciki metalowe zatopione w hermetycznie zamkniÄ™tej szklanej baÅ„ce sÄ… zwierane przez kroplÄ™ rtÄ™ci znajdujÄ…cÄ… siÄ™ w baÅ„ce. Odpowiednie nachylenie baÅ„ki umożliwia wiÄ™c przepÅ‚yw prÄ…du. ZaletÄ… styków rtÄ™ciowych jest to, że nie ulegajÄ… zanieczyszczeniom, a do ich przeÅ‚Ä…czania potrzebna jest niewielka siÅ‚a. MuszÄ… tylko pracować w okreÅ›lonej pozycji. Od odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy stykami oraz od sposobu ich przeÅ‚Ä…czania zależy wartość przeÅ‚Ä…czanego napiÄ™cia. OdlegÅ‚ość musi uniemożliwić, z odpowiednim zapasem bezpieczeÅ„stwa, przeskoczenie iskry miÄ™dzy stykami, gdy sÄ… one rozwarte. Iskrzenie pomiÄ™dzy stykami powoduje ich wypalanie oraz zwiÄ™ksza rezystancjÄ™ przejÅ›cia. W celu ograniczenia iskrzenia stosuje siÄ™ tzw. przeÅ‚Ä…czanie migowe, które skraca czas przeÅ‚Ä…czania oraz zapobiega przyjmowanie przez styki trwaÅ‚ych poÅ‚ożeÅ„ poÅ›rednich bÄ™dÄ…cych zródÅ‚em iskrzenia styków. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 27 CzynnoÅ›ci Å‚Ä…czeniowe sÄ… wykonywane przez napÄ™d Å‚Ä…cznika (np. rÄ™czny, elektromagnesowy, za pomocÄ… silnika elektrycznego, siÅ‚ownika pneumatycznego). Jeżeli w jednym poÅ‚ożeniu Å‚Ä…cznika wszystkie jego zestyki sÄ… zwarte, a w drugim rozwarte, to mówimy o otwarciu i zamkniÄ™ciu Å‚Ä…cznika. CzÄ™sto Å‚Ä…czniki zawierajÄ… wiele zestyków, z których jedne sÄ… rozwarte, a drugie sÄ… zwarte. Stan Å‚Ä…cznika o napÄ™dzie elektromagnetycznym okreÅ›la siÄ™ w stosunku do jego obwodu wzbudzenia. W przypadku Å‚Ä…czników wielopoÅ‚ożeniowych poszczególne poÅ‚ożenia oznacza siÄ™ numerami. AÄ…czniki, których zestyki zajmujÄ… zawsze takie samo poÅ‚ożenie przy braku zewnÄ™trznych siÅ‚ napÄ™dowych, nazywa siÄ™ Å‚Ä…cznikami zwrotnymi, a to poÅ‚ożenie spoczynkowym; po przyÅ‚ożeniu zewnÄ™trznej siÅ‚y napÄ™dowej zestyki i Å‚Ä…czniki przyjmujÄ… poÅ‚ożenie wymuszone. Do Å‚Ä…czników zwrotnych należą przyciski sterownicze, a także typowe przekazniki i styczniki. SÄ… one istotnym skÅ‚adnikiem aparatury automatyki. W ukÅ‚adach automatyki sÄ… używane jako elementy wykonawcze (i nastawcze równoczeÅ›nie), elementy wzmacniajÄ…ce, czujniki pomiarowe, urzÄ…dzenia sygnalizacyjne, elementy logiczne przetwarzajÄ…ce informacje, zabezpieczenia lub Å‚Ä…czyć kilka z wymienionych funkcji równoczeÅ›nie. Istnieje olbrzymia różnorodność Å‚Ä…czników wynikajÄ…ca z dążenia do opracowania optymalnych konstrukcji dla konkretnego zastosowania. Przekazniki elektromagnetyczne Podstawowymi Å‚Ä…cznikami stosowanymi w automatyce sÄ… przekazniki elektromagnetyczne (rys. 23), w których ruchomÄ… zworÄ™ i zwiÄ…zane z niÄ… zestyki porusza elektromagnes, zapewniajÄ…c przy tym minimalnÄ… reluktancjÄ™ (opór magnetyczny) obwodu magnetycznego. PrzepÅ‚yw prÄ…du przez cewkÄ™ nawiniÄ™tÄ… na rdzeniu ferromagnetycznym powoduje przyciÄ…gniÄ™cie zwory, która jest przedÅ‚użona sprężystÄ… blaszkÄ… zakoÅ„czonÄ… stykiem ruchomym. Drugi styk, zwany nieruchomym umieszczony jest na wsporniku umocowanym do podstawy przekaznika. Przekaznik może mieć styki zwierne (normalnie otwarte), rozwierne (normalnie zamkniÄ™te) oraz przeÅ‚Ä…czne. PrzyciÄ…gniÄ™cie zwory do rdzenia elektromagnesu powoduje zwarcie styków zwiernych, rozwarcie styków rozwiernych i przeÅ‚Ä…czenie styków przeÅ‚Ä…cznych. Rys. 23. Schemat budowy przekaznika ze stykami: a) zwiernymi; b) rozwiernymi; c) przeÅ‚Ä…cznymi 1 cewka, 2 zwora, 3 sprężyna, 4 styk ruchomy, 5 styk nieruchomy{9, s. 306] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 28 Styki przekazników muszÄ… być wykonane z materiałów o dużej wytrzymaÅ‚oÅ›ci mechanicznej i odpornych na korozjÄ™. Dlatego styki wykonuje siÄ™ ze stopów srebra, a w przekaznikach miniaturowych ze stopów platyny i zÅ‚ota. W jednej z odmian przekazników miniaturowych tzw. kontaktronach (rys. 24) stosuje siÄ™ styki wykonane w postaci sprężystych blaszek wykonanych z materiaÅ‚u ferromagnetycznego miÄ™kkiego ze zÅ‚oconymi koÅ„cami, które sÄ… zatopione w szklanej baÅ„ce o ksztaÅ‚cie rurki. BaÅ„ka wypeÅ‚niona jest gazem obojÄ™tnym. Zwarcie styków przekaznika kontaktronowego nastÄ™puje pod wpÅ‚ywem zewnÄ™trznego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie nawiniÄ™te na rurce zawierajÄ…cej styki. Przekazniki kontaktronowe charakteryzujÄ… siÄ™ dużą niezawodnoÅ›ciÄ… i trwaÅ‚oÅ›ciÄ…. Rys. 24. Przekaznik kontaktronowy: a) rurka ze stykami; b) uruchamiany polem magnetycznym wytwarzanym przez cewkÄ™; c) uruchamiany na skutek zbliżenia magnesu trwaÅ‚ego 1 styk, 2 cewka, 3 magnes trwaÅ‚y{9, s. 308] Charakterystyka statyczna idealnego przekaznika przedstawiona jest na rys. 25. Podstawowe parametry to próg zaÅ‚Ä…czenia iz i próg wyÅ‚Ä…czenia izw. W praktyce iz < izw, a różnica h = iz - izw nazywa siÄ™ strefa niejednoznacznoÅ›ci (histerezÄ…) przekaznika. Najważniejszymi parametrami dynamicznymi przekaznika to: czas zadziaÅ‚ania tz i czas zwalniania tzw. Czasy te definiuje siÄ™ jako czas upÅ‚ywajÄ…cy od chwili osiÄ…gniÄ™cia przez sygnaÅ‚ sterujÄ…cy wartoÅ›ci wystarczajÄ…cej do przeÅ‚Ä…czenia, do chwili przyjÄ™cia przez wyjÅ›cie okreÅ›lonego stanu. Suma czasów zadziaÅ‚ania i zwalniania pozwala oszacować dopuszczalnÄ… czÄ™stość przeÅ‚Ä…czeÅ„, która jest mniejsza od 1/( tz + tzw). Rys. 25. Charakterystyka statyczna przekaznika {7, s. 72] Ponadto ważnymi parametrami przekaznika sÄ…: - poziom sygnaÅ‚u na wejÅ›ciu i wyjÅ›ciu (przy okreÅ›lonej konstrukcji decyduje o rozmiarach przekaznika), - wzmocnienie mocy (osiÄ…ga wartość rzÄ™du 102), Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 29 - współczynnik mocy przeÅ‚Ä…czanej ( korzystniejszy niż dla elementów ciÄ…gÅ‚ych o podobnym przeznaczeniu), - trwaÅ‚ość jako dopuszczalna liczba przeÅ‚Ä…czeÅ„ ( od 1 ÷ 100 · 106). Istnieje olbrzymia różnorodność przekazników, dlatego przy projektowaniu należy posÅ‚ugiwać siÄ™ katalogami. Podstawowe dane, na które dobieramy przekazniki to napiÄ™cie zasilania cewki i obciążalność styków. PrzykÅ‚adowy przekaznik pomocniczy stosowany w ukÅ‚adach automatyki to przekaznik typu MT-12 (rys. 26). Ma on cztery pary styków przeÅ‚Ä…cznych. PrzeÅ‚Ä…czenie nastÄ™puje na skutek ruchu sprężyn jako wynik przyciÄ…gniÄ™cia zwory, której ruch przenoszony jest na sprężyny przez dzwigniÄ™ i popychacz. Przekaznik MT-12 przeÅ‚Ä…cza prÄ…dy nie wiÄ™ksze niż 0,3 A, przy napiÄ™ciach nie przekraczajÄ…cych 125V. TrwaÅ‚ość przekaznika wynosi 5·106 przeÅ‚Ä…czeÅ„. Rys. 26. Przekaznik MT-12: 1 cewka, 2 zwora, 3 sprężyny przeÅ‚Ä…czne, 4 dzwignia, 5 - popychacz [9, s. 307] Styczniki elektromagnetyczne Styczniki pod wzglÄ™dem zdolnoÅ›ci Å‚Ä…czenia zaliczajÄ… siÄ™ do rozÅ‚Ä…czników. Wyposażone w przekazniki termobimetalowe mogÄ… samoczynnie przerywać obwód przy przeciążeniu. W obwodach ze stycznikami prÄ…dy zwarciowe sÄ… przerywane przez odpowiednio dobrane bezpieczniki topikowe lub wyÅ‚Ä…czniki samoczynne. JeÅ›li cewka elektromagnesu zasilana jest napiÄ™ciem obwodu głównego stycznika, to cewka speÅ‚nia rolÄ™ zabezpieczenia podnapiÄ™ciowego. Gdy napiÄ™cie w sieci zaniknie to wtedy obwód zostanie przerwany. Ze zworÄ… elektromagnesu sÄ… sprzÄ™gniÄ™te styki pomocnicze tworzÄ…ce zestyki zwierne i rozwierne, które mogÄ… być wykorzystane do zasilania stycznika w ukÅ‚adzie z samopodtrzymaniem, w obwodach cewek innych styczników jako zestyki uzależniajÄ…ce, w ukÅ‚adach sygnalizacji, itp. Styki pozwalajÄ… przeÅ‚Ä…czać wiÄ™ksze prÄ…dy w warunkach silnego iskrzenia, ponieważ stosuje siÄ™ komory gaszÄ…ce Å‚uk lub umieszcza siÄ™ stycznik w oleju. W konstrukcji styczników stosuje siÄ™ dodatkowe uzwojenia w cewce zapobiegajÄ…ce drganiom zwory przy przechodzeniu strumienia przez zero. Bardzo czÄ™sto spotykany jest ukÅ‚ad stycznika sterowanego dwoma przyciskami (zaÅ‚Ä…czajÄ…cym i wyÅ‚Ä…czajÄ…cym - rys. 27). Jest to tzw. ukÅ‚ad z samopodtrzymaniem. Po zwolnieniu przycisku zaÅ‚Ä…czajÄ…cego cewkÄ™ elektromagnesu elektromagnes nadal przytrzymuje zworÄ™ ze stykami, gdyż cewka zasilana jest poprzez zestyk zwierny Å‚Ä…cznika pomocniczego. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 30 Rys. 27. Schemat poÅ‚Ä…czeÅ„ stycznika w ukÅ‚adzie z samopodtrzymaniem dla sterowania silnka klatkowego przyciskiem podwójnym: a) schemat ideowy: b) schemat rozwiniÄ™ty (obwodowy) Sk cewka elektromagnesu, Sk1 zestyk głównego toruprÄ…dowego stycznika, Sk2 zestaw pomocniczy zwierny, PcW przycisk wyÅ‚Ä…czajÄ…cy, PcZ przycisk zaÅ‚Ä…czajÄ…cy [6, s. 72] Konstrukcja stycznika przedstawiona na rys. 28 zapewnia silny i równomierny docisk oraz pewne rozÅ‚Ä…czenie styków. Cewka jest doÅ‚Ä…czona miÄ™dzy fazÄ™ i przewód zerowy poprzez Å‚Ä…cznik jednobiegunowy A stale zamkniÄ™ty podczas pracy odbiornika. Rys. 28. Stycznik: a) konstrukcja; b) sposób wykorzystania [7, s. 75] Poniższy ukÅ‚ad poÅ‚Ä…czeÅ„ stycznika (rys. 29) ma inne cechy niż poprzedni stycznik z rys. 28. W obwodzie cewki znajduje siÄ™ jego wÅ‚asny zestyk zwierny S, przycisk zaÅ‚Ä…czajÄ…cy Z i wyÅ‚Ä…czajÄ…cy W. Dodatkowo w obwodzie znajduje siÄ™ przekaznik termobimetalowy chroniÄ…cy odbiornik przed przeciążeniem. Jest on uruchamiany energiÄ… cieplnÄ… elementów grzejnych wÅ‚Ä…czonych w obwód główny zestyków stycznika. WyÅ‚Ä…czony przekaznik termobimetalowy może ryglować mechanicznie poÅ‚ożenie zestyków, uniemożliwiajÄ…c ich zwarcie po wystygniÄ™ciu. Dlatego wyposażony jest on we wÅ‚asny przycisk wyÅ‚Ä…czajÄ…cy W odryglowujÄ…cy styki. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 31 Rys. 29. Stycznik w obwodzie zasilania: I stycznik, II przekaznik termobimetalowy, III - przyciski [7, s. 75] Styczniki prÄ…du przemiennego dla mniejszych wartoÅ›ci prÄ…du sÄ… wykonywane jako dwuprzerwowe (z dwoma zestykami) w każdym biegunie. Styczniki prÄ…du staÅ‚ego majÄ… najczęściej komory magnetowydmuchowe z elektromagnesem wytwarzajÄ…cym pole magnetyczne, który wÅ‚Ä…czony jest szeregowo w tor prÄ…dowy Å‚Ä…cznika. Produkowane sÄ… różne rodzaje styczników, np.: olejowe, suche, nisko- i wysokonapiÄ™ciowe. 4.3.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Jakie rozróżniamy Å‚Ä…czniki? 2. Co to jest zestyk? 3. Od czego zależy budowa zestyków? 4. W jaki sposób może dojść do uszkodzenia styków przez ich stopienie? 5. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania styków rtÄ™ciowych? 6. W jaki sposób ogranicza siÄ™ iskrzenie pomiÄ™dzy stykami? 7. Jakie Å‚Ä…czniki nazywamy zwrotnymi? 8. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania przekazników ze stykami: zwiernymi, rozwiernymi i przeÅ‚Ä…cznymi? 9. Jak jest zbudowany przekaznik kontaktronowy? 10. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania przekaznika MT-12? 11. Jak samoczynnie stycznik może przerwać obwód przy przeciążeniu? 12. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania stycznika w ukÅ‚adzie z samopodtrzymaniem? 4.3.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Badanie przekazników i styczników. Celem ćwiczenia jest poznanie budowy przekazników i styczników. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ wiadomoÅ›ciami dotyczÄ…cymi przekazników i styczników, 2) zorganizować stanowisko do badaÅ„, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 32 3) zapoznać siÄ™ z budowÄ… mechanicznÄ… badanych elementów, 4) wykonać odpowiednie szkice, 5) wypisać z katalogu podstawowe dane użytkowe badanych przekazników i styczników, 6) zbadać i narysować charakterystykÄ™ wskazanego przekaznika, 7) zaproponować schemat ukÅ‚adu do pomiaru czasów zaÅ‚Ä…czania i wyÅ‚Ä…czania przekaznika (wykorzystać oscyloskop), 8) wykonać pomiary wybranego przekaznika, 9) dobrać na podstawie danych katalogowych, do ukÅ‚adu podanego przez nauczyciela, przekaznik, 10) podać możliwe schematy zasilania odbiornika z wykorzystaniem posiadanego stycznika, 11) zrealizować jeden z podanych schematów, 12) wykonać dokumentacjÄ™ z przebiegu ćwiczenia, 13) zaprezentować wykonane ćwiczenie, 14) dokonać oceny ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - zestawy przekazników i styczników (również uszkodzonych), - katalogi elementów, - ukÅ‚ady zasilania, - oscyloskop dwukanaÅ‚owy, - miernik uniwersalny, - papier, - przybory do pisania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. 4.3.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) na podstawie analizy konstrukcji przekazników i styczników wskazać wÅ‚aÅ›ciwe ukÅ‚ady ich zastosowania? 2) posÅ‚ugujÄ…c siÄ™ katalogiem wypisać podstawowe dane użytkowe przekazników i styczników? 3) wykonać pomiary czasów zaÅ‚Ä…czania i wyÅ‚Ä…czania przekaznika? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 33 4.4. SiÅ‚owniki 4.4.1.MateriaÅ‚ nauczania SiÅ‚owniki pneumatyczne SiÅ‚owniki sÄ… to elementy napÄ™dowe sÅ‚użące w ukÅ‚adach regulacji automatycznej do nastawiania poÅ‚ożenia zaworów i przepustnic. Stosowane sÄ… siÅ‚owniki pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne oraz elektrohydrauliczne i elektropneumatyczne. Do najbardziej rozpowszechnionych, szczególnie w przemyÅ›le chemicznym i spożywczym, należą siÅ‚owniki pneumatyczne. SiÅ‚owniki pneumatyczne dzielimy na trzy zasadnicze grupy: - siÅ‚owniki membranowe, - siÅ‚owniki tÅ‚okowe, - siÅ‚owniki wirnikowe (silniki pneumatyczne). SiÅ‚owniki membranowe i tÅ‚okowe stosowane sÄ… jako: - siÅ‚owniki ze sprężynÄ… zwrotnÄ…, - siÅ‚owniki bezsprężynowe, - nastawniki pozycyjne. SiÅ‚owniki membranowe wystÄ™pujÄ… ponadto w dwóch typach rozwiÄ…zaÅ„ konstrukcyjnych, tj. jako: - siÅ‚owniki o dziaÅ‚aniu prostym (rys. 30 a), - siÅ‚owniki o dziaÅ‚aniu odwrotnym (rys. 30 b). W siÅ‚owniku membranowym ze sprężynÄ… zwrotnÄ… o dziaÅ‚aniu prostym (rys. 30 a) ciÅ›nienie sterujÄ…ce, doprowadzone nad górnÄ… pokrywÄ™ siÅ‚ownika, dziaÅ‚a na elastycznÄ… membranÄ™, powodujÄ…c jej ugiÄ™cie. Membrana ( za poÅ›rednictwem sztywnego talerza) naciska na sprężynÄ™. Rys. 30. SiÅ‚owniki pnnumatyczne membranowe ze sprężynÄ…: a) prosty; b) odwrócony 1 membrana, 2 trzpieÅ„, 3 obudowa, 4 sprężyna, 5 nakrÄ™tka (rys. a) lub Å›ruba (rys. b), 6 Å›ruba regulacyjna [15, s. 87] Ruch membrany jest przenoszony za poÅ›rednictwem trzpienia na zewnÄ…trz obudowy siÅ‚ownika. Sprężyna sÅ‚uży do nastawienia poczÄ…tkowego punktu pracy siÅ‚ownika. Do regulacji wstÄ™pnego naciÄ…gu sprężyny sÅ‚uży wkrÄ™cana w obudowÄ™ Å›ruba regulacyjna. SiÅ‚ownik o dziaÅ‚aniu odwrotnym (rys. 30 b) różni siÄ™ umieszczeniem sprężyny zwrotnej. Jest ona umieszczona nad membranÄ…, a ciÅ›nienie sterujÄ…ce podawane jest pod membranÄ™. W tym wypadku ciÅ›nienie Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 34 sterujÄ…ce powoduje, nie wysuwanie trzpienia jak w poprzednim przypadku, ale wciÄ…ganie trzpienia. W przypadku zaniku ciÅ›nienia sterujÄ…cego trzpieÅ„ siÅ‚ownika o dziaÅ‚aniu prostym przyjmie poÅ‚ożenie kraÅ„cowe górne, a trzpieÅ„ siÅ‚ownika o dziaÅ‚aniu odwrotnym poÅ‚ożenie kraÅ„cowe dolne. Oznacza to, że zależnie od zastosowanego zaworu, zawór po zaniku ciÅ›nienia sterujÄ…cego zostanie otwarty lub zamkniÄ™ty. ZaletÄ… siÅ‚owników membranowych jest ich prosta budowa, duża niezawodność dziaÅ‚ania oraz bezpieczeÅ„stwo pracy w atmosferze wybuchowej. WadÄ… siÅ‚owników membranowych jest ograniczony skok trzpienia (np.12,7 ÷ 101.6 mm dla siÅ‚owników produkcji ZakÅ‚adów Automatyki POLNA w PrzemyÅ›lu) oraz wystÄ™powanie histerezy w charakterystyce statycznej siÅ‚ownika (rys.31), powodujÄ…cej niedokÅ‚adne ustawienie siÄ™ grzybka zaworu. WystÄ™powanie histerezy w charakterystyce statycznej jest wynikiem tarcia suchego trzpienia w prowadnicy oraz w dÅ‚awicy zaworu. Rys. 31. Charakterystyka statyczna siÅ‚ownika pneumatycznego[15, s. 89] PoprawÄ™ wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci statycznych i dynamicznych pneumatycznych siÅ‚owników membranowych można uzyskać, stosujÄ…c ustawnik pozycyjny (rys. 32). Rys. 32. SiÅ‚ownik membranowy z ustawnikiem pozycyjnym [15, s. 90] W siÅ‚owniku z ustawnikiem pozycyjnym, zmiana ciÅ›nienia sterujÄ…cego pu powoduje zmianÄ™ ugiÄ™cia mieszka sprężystego oraz zmianÄ™ odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy dyszÄ… a przysÅ‚onÄ…., a to wywoÅ‚uje Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 35 zmianÄ™ ciÅ›nienia kaskadowego pk. Wzmocnione we wzmacniaczu mocy ciÅ›nienie kaskadowe dziaÅ‚a na membranÄ™, powodujÄ…c przesuniÄ™cie trzpienia. Z trzpieniem poÅ‚Ä…czona jest dzwignia naciskajÄ…ca na sprężynÄ™, przez którÄ… zrealizowane jest sprzężenie zwrotne, zapewniajÄ…ce dużą dokÅ‚adność ustawienia trzpienia siÅ‚ownika. Zastosowanie nastawnika daje kilkunastokrotne zmniejszenie histerezy (rys. 33) i wpÅ‚ywu siÅ‚ obciążenia na poÅ‚ożenie trzpienia. Dodatkowo zwiÄ™ksza szybkość dziaÅ‚ania siÅ‚ownika i umożliwia podwyższenie zakresu ciÅ›nienia dziaÅ‚ajÄ…cego na membranÄ™. DziÄ™ki nastawnikowi można usunąć z siÅ‚ownika sprężynÄ™. ZaletÄ… takich bezsprężynowych siÅ‚owników jest wzrost nawet piÄ™ciokrotny siÅ‚y użytecznej, w porównaniu do siÅ‚owników sprężynowych; wadÄ… - przyjmowanie nieokreÅ›lonego poÅ‚ożenia w przypadku awarii zasilania. Rys. 33. Charakterystyka statyczna siÅ‚ownika pneumatycznego z nastawnikiem: 1 przyspieszona, 2 liniowa, 3 opózniona [9, s. 144] Dla wiÄ™kszych przesunięć stosowane sÄ… siÅ‚owniki tÅ‚okowe. Rozróżnia siÄ™ siÅ‚owniki tÅ‚okowe jednostronnego dziaÅ‚ania ( ze sprężynÄ… powrotnÄ…) i dwustronnego dziaÅ‚ania (rys. 34). Z reguÅ‚y zasilane sÄ… podwyższonym ciÅ›nieniem zwykle 600 kPa. SiÅ‚owniki tÅ‚okowe, szczególnie dwustronnego dziaÅ‚ania, wyposażone w nastawniki pozycyjne. Rys. 34. SiÅ‚ownik pneumatyczny tÅ‚okowy dwustronnego dziaÅ‚ania [15, s. 88] SiÅ‚owniki pneumatyczne wirnikowe (rotacyjne rys. 35 a) stosuje siÄ™ w przypadku koniecznoÅ›ci uzyskania dużych mocy ( do 10 kW) i przesunięć. W silniku tym Å‚opatkowy wirnik jest osadzony mimoÅ›rodowo. Umieszczone w wirniku Å‚opatki, pod wpÅ‚ywem dziaÅ‚ania siÅ‚y odÅ›rodkowej wysuwajÄ… siÄ™, oddzielajÄ…c szczelnie od siebie poszczególne komory. WpÅ‚ywajÄ…cy pod ciÅ›nieniem czynnik roboczy wymusza ruch obrotowy wirnika. Ruch obrotowy można także uzyskać za pomocÄ… siÅ‚owników z wahadÅ‚owo-obrotowym ruchem tÅ‚oczyska (rys. 35 b) napÄ™dzanego przez tÅ‚ok torusowy. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 36 Rys. 35. SiÅ‚owniki pneumatyczne obrotowe: a) wirnikowy: 1 wirnik, 2 obudowa; b) wahadÅ‚owo-obrotowy: 1 tÅ‚ok torusowy, 2 waÅ‚ napÄ™dowy, 3 obudowa z przegrodÄ… [15, s. 89] SiÅ‚owniki hydrauliczne SiÅ‚owniki hydrauliczne (silniki) sÄ… wykonywane najczęściej jako tÅ‚okowe i obrotowe. Silniki obrotowe stosuje siÄ™ w napÄ™dach obrabiarek. W automatyce przemysÅ‚owej wykorzystuje siÄ™ głównie silniki tÅ‚okowe budowane w dwóch odmianach: jako siÅ‚owniki proste i korbowe. SiÅ‚ownik hydrauliczny tÅ‚okowy prosty (rys. 36) jest siÅ‚ownikiem dziaÅ‚ania dwustronnego. Rys. 36. SiÅ‚ownik hydrauliczny tÅ‚okowy dwustronnego dziaÅ‚ania: 1 cylinder, 2 tÅ‚ok, 3 gÅ‚owice, 4 tÅ‚oczysko, 5 zaczep nastawny, 6 ucho, 7 gumowe pierÅ›cienie uszczelniajÄ…ce [15, s. 91] W celu spowolnienia ruchu tÅ‚oka w pobliżu jego skrajnych poÅ‚ożeÅ„, stosuje siÄ™ tÅ‚umiki kraÅ„cowe (amortyzatory rys. 37). Rys. 37. SiÅ‚ownik hydrauliczny tÅ‚okowy dwustronnego dziaÅ‚ania z tÅ‚umikami kraÅ„cowymi ruchu tÅ‚oka: 1 cylinder, 2 tÅ‚ok, 3 gÅ‚owica, 4 zawory obejÅ›ciowe, 5 otwory amortyzacyjne, 6 czopy cylindryczne z kanalikami 7, 8 przewód odpÅ‚ywowy [15, s. 91] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 37 SiÅ‚owniki hydrauliczne pracujÄ… przy ciÅ›nieniu w granicach 600 ... 8000 kPa. SiÅ‚y uzyskiwane na tÅ‚oczysku osiÄ…gajÄ… wartoÅ›ci rzÄ™du kilkudziesiÄ™ciu tysiÄ™cy niutonów. SiÅ‚owniki hydrauliczne sÄ… używane przede wszystkim tam, gdzie sÄ… potrzebne duże siÅ‚y, a ruch nie może być za wolny, np. do przestawiania sterów dużych samolotów, poruszania maszyn budowlanych, do przestawiania zaworów dÅ‚awiÄ…cych dopÅ‚yw pary do turbin. SiÅ‚owniki hydrauliczne konkurujÄ… z silnikami elektrycznymi, o podobnej mocy gabarytami. W porównaniu z nimi sÄ… mniejsze i lżejsze. SiÅ‚owniki elektryczne SiÅ‚owniki elektryczne wykonuje siÄ™ w dwóch odmianach: silnikowe i elektromagnetyczne. Elementem napÄ™dowym w siÅ‚owniku elektrycznym silnikowym (rys. 38) jest wirujÄ…cy silnik elektryczny, najczęściej silnik indukcyjne dwufazowy (przy mocach rzÄ™du kilkudziesiÄ™ciu watów) lub trójfazowe (przy mocach rzÄ™du kilkuset watów). Dla zmniejszenia prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej i zwiÄ™kszenia momentu waÅ‚u wyjÅ›ciowego stosuje siÄ™ przekÅ‚adnie mechaniczne. Dla celów sterowania w ukÅ‚adzie otwartym stosuje siÄ™ przekÅ‚adnie o niewielkim przeÅ‚ożeniu, natomiast do celów regulacji o dużym przeÅ‚ożeniu, nawet do kilku tysiÄ™cy. SiÅ‚owniki elektryczne silnikowe mogÄ… być wykonane jako korbowe lub liniowe Silniki w siÅ‚owniku pracujÄ… systemem zaÅ‚Ä…czony- wyÅ‚Ä…czony. Kierunek ruchu zależy od tego, która z dwóch par styków sÅ‚użących do zaÅ‚Ä…czania silnika zostanie zwarta. PrÄ™dkość kÄ…towa jest zawsze taka sama. Korba lub trzpieÅ„ poruszajÄ… siÄ™ ze staÅ‚Ä… prÄ™dkoÅ›ciÄ… tak dÅ‚ugo aż silnik zostanie wyÅ‚Ä…czony. SiÅ‚owniki elektryczne sÄ… wyposażone w wyÅ‚Ä…czniki kraÅ„cowe do wyÅ‚Ä…czenia silnika zanim zostanie on zahamowany (zabronione jest pozostawienie silnika pod napiÄ™ciem znamionowym w stanie zahamowanym) oraz urzÄ…dzenia do sygnalizacji poÅ‚ożenia (najczęściej sÄ… to potencjometry). Rys. 38. SiÅ‚ownik elektryczny silnikowy: 1 silnik, 2 przekÅ‚adnia zÄ™bata, 3 nakrÄ™tka, 4 Å›ruba, 5 wyÅ‚Ä…cznik kraÅ„cowy, 6 styki przekazników zaÅ‚Ä…czajÄ…cych silnik [9, s. 149] SiÅ‚owniki elektromagnetyczne (rys. 39) stosuje siÄ™ do sterowania zaworów otwarty zamkniÄ™ty o niewielkich Å›rednicach nominalnych, szczególnie w napÄ™dach zaworów odcinajÄ…cych. przepÅ‚yw prÄ…du przez uzwojenie elektromagnesu powoduje powstanie siÅ‚y wciÄ…gajÄ…cej rdzeÅ„ do góry. Ruch ten powoduje caÅ‚kowite otwarcie zaworu. Gdy zostanie wyÅ‚Ä…czony prÄ…d zasilajÄ…cy to sprężyna zamknie zawór. Spotyka siÄ™ konstrukcje odwrotne tzn., że zaÅ‚Ä…czenie elektromagnesu spowoduje zamkniÄ™cie zaworu, a wyÅ‚Ä…czenie otwarcie. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 38 Rys. 39. SiÅ‚ownik elektromagnetyczny: 1 uzwojenie, 2 rdzeÅ„, 3 sprężyna zwrotna [9, s. 149] 4.4.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Do czego sÅ‚użą siÅ‚owniki w ukÅ‚adach regulacji automatycznej? 2. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania siÅ‚ownika pneumatycznego membranowego ze sprężynÄ… prostego? 3. Jakie zalety i wady majÄ… siÅ‚owniki membranowe? 4. W jaki sposób uzyskuje siÄ™ poprawÄ™ wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci statycznych i dynamicznych pneumatycznych siÅ‚owników membranowych? 5. Po co stosuje siÄ™ nastawnik pozycyjny w siÅ‚ownikach membranowych? 6. Kiedy stosuje siÄ™ siÅ‚owniki pneumatyczne tÅ‚okowe a kiedy wirnikowe? 7. W jakim celu stosuje siÄ™ tÅ‚umiki kraÅ„cowe w siÅ‚ownikach hydraulicznych tÅ‚okowych? 8. Gdzie znalazÅ‚y zastosowanie i dlaczego siÅ‚owniki hydrauliczne? 9. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania siÅ‚ownika elektrycznego silnikowego? 10. Jak dziaÅ‚a siÅ‚ownik elektromagnetyczny? 4.4.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Na podstawie zaznaczonych na rysunku parametrów oblicz siÅ‚y: ciÄ…gnÄ…cÄ… i pchajÄ…cÄ… w siÅ‚owniku. Porównaj, która siÅ‚a jest wiÄ™ksza i wyjaÅ›nij dlaczego. Przeprowadz podobne obliczenia dla siÅ‚ownika z tÅ‚oczyskiem dwustronnym. Rozważ sytuacjÄ™, gdy współczynnik tarcia · = 0 oraz gdy · `" 0.[8, s. 27] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 39 Rysunek do ćwiczenia 1[5, s. 76] Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em teoretycznym dotyczÄ…cym siÅ‚owników, 2) przeanalizować różnice w powierzchniach tÅ‚oczysk, 3) wykonać obliczenia siÅ‚; ciÄ…gnÄ…cej i pchajÄ…cej, 4) porównać otrzymane wyniki i wyjaÅ›nić różnice, 5) przeprowadzić obliczenia dla siÅ‚ownika z tÅ‚oczyskiem podwójnym, 6) wyjaÅ›nić wpÅ‚yw tarcia na otrzymane wyniki, 7) zapisać wnioski, 8) przedstawić wykonane ćwiczenie, 9) dokonać oceny pracy. Wyposażenie stanowiska pracy: - literatura z rozdziaÅ‚u 6 poradnika, - zeszyt, przybory do pisania, - kalkulator. Ćwiczenie 2 Badanie siÅ‚ownika elektrycznego. Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci użytkowych przemysÅ‚owego siÅ‚ownika elektrycznego.[7, s. 197] Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em teoretycznym dotyczÄ…cym siÅ‚owników elektrycznych, 2) zorganizować stanowisko do badania siÅ‚ownika, 3) zapoznać siÄ™ z siÅ‚ownikiem i sprzÄ™tem pomiarowym, 4) zapoznać siÄ™ z konstrukcjÄ… siÅ‚ownika, 5) przepisać z tabliczki znamionowej lub z katalogu dane siÅ‚ownika, 6) zaÅ‚Ä…czyć zasilanie i zaobserwować dziaÅ‚anie siÅ‚ownika przy sterowaniu rÄ™cznym elektrycznym, 7) wyznaczyć czas przejÅ›cia miÄ™dzy poÅ‚ożeniami kraÅ„cowymi, 8) zdjąć pokrywÄ™ i zaobserwować współdziaÅ‚anie elementów siÅ‚ownika, 9) zaobserwować kinematykÄ™ ukÅ‚adu od osi silnika do osi wyjÅ›ciowej siÅ‚ownika, 10) zaobserwować dziaÅ‚anie napÄ™du rÄ™cznego, 11) wyznaczyć wartość prÄ…du w silniku w obszarze dziaÅ‚ania ogranicznika siÅ‚y, 12) narysować schemat ukÅ‚adu zasilania silnika ze stycznikami i wyÅ‚Ä…cznikami kraÅ„cowymi, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 40 13) wykonać dokumentacjÄ™ z przeprowadzonego badania siÅ‚ownika, 14) zaprezentować wykonanÄ… pracÄ™, 15) dokonać oceny ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - siÅ‚ownik elektryczny przemysÅ‚owy, - mierniki (omomierz, woltomierz i amperomierz prÄ…du przemiennego), - katalogi siÅ‚owników, - instrukcje, dokumentacja siÅ‚ownika, - ukÅ‚ad rÄ™cznego sterowania siÅ‚ownikiem, - stoper, - narzÄ™dzia (Å›rubokrÄ™ty, klucze, itp.), - zeszyt, przybory do pisania, - literatura zgodna z punktem 6 poradnika. 4.4.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) wyjaÅ›nić zasadÄ™ dziaÅ‚ania siÅ‚owników dwustronnego dziaÅ‚ania z tÅ‚oczyskiem jednostronnym? 2) obliczyć siÅ‚y: ciÄ…gnÄ…cÄ… i pchajÄ…cÄ… w siÅ‚owniku? 3) sterować rÄ™cznie siÅ‚ownikiem przemysÅ‚owym? 4) wyjaÅ›nić kinematykÄ™ ukÅ‚adu od osi silnika do osi wyjÅ›ciowej siÅ‚ownika? 5) dobrać siÅ‚ownik z katalogu? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 41 4.5. Bezstykowe elementy zaÅ‚Ä…czajÄ…ce i sterujÄ…ce mocÄ… 4.5.1. MateriaÅ‚ nauczania Półprzewodnikowe elementy zaÅ‚Ä…czajÄ…ce W ukÅ‚adach elektrycznych w zakresie maÅ‚ych i Å›rednich wartoÅ›ci napięć i prÄ…dów funkcje przeÅ‚Ä…czajÄ…ce peÅ‚niÄ… elementy półprzewodnikowe, zwane popularnie kluczami. PracujÄ… w dwóch stanach: dużej rezystancji(element zablokowany klucz rozwarty) i maÅ‚ej rezystancji (element przewodzi klucz zwarty). Funkcje przeÅ‚Ä…czników mogÄ… peÅ‚nić tranzystory bipolarne, unipolarne, tyrystory. PrzeÅ‚Ä…czniki półprzewodnikowe używa siÄ™ do budowy multiplekserów, demultiplekserów, ukÅ‚adów próbkujÄ…co-pamiÄ™tajÄ…cych, przetworników a/c i c/a, w ukÅ‚adach sterowania silników. PrzeÅ‚Ä…czniki z tranzystorami polowymi Elementami przeÅ‚Ä…czników scalonych mogÄ… być tranzystory polowe FET, w których sterowanie prÄ…dem pÅ‚ynÄ…cym przez tranzystor odbywa siÄ™ za pomocÄ… oddziaÅ‚ywania pola elektrycznego na półprzewodnik. Tranzystory polowe dzielimy na zÅ‚Ä…czowe (PNFET) i z izolowanÄ… bramkÄ… (MOS). W tranzystorach z izolowanÄ… bramkÄ… wystÄ™puje w pobliżu warstwy izolacyjnej kanaÅ‚ przewodzÄ…cy miÄ™dzy zródÅ‚em a drenem. Tranzystory MOS dzieli siÄ™ na dwie grupy (rys.40): - z kanaÅ‚em zubożanym (DMOS), jeÅ›li kanaÅ‚ miÄ™dzy drenem i zródÅ‚em istnieje bez polaryzacji bramki żeby kanaÅ‚ zamknąć należy doprowadzić do elektrod napiÄ™cie odciÄ™cia, - z kanaÅ‚em wzbogacanym (EMOS), jeÅ›li w zwykÅ‚ych warunkach kanaÅ‚ nie istnieje pojawia siÄ™ po spolaryzowaniu bramki odpowiednim napiÄ™ciem. Rys. 40. Charakterystyki tranzystorów MOS jako elementów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych [7, s. 78] DziÄ™ki możliwoÅ›ci sterowania kanaÅ‚em dwuwartoÅ›ciowo tak, aby punkt pracy znajdowaÅ‚ siÄ™ raz po jednej raz po drugiej stronie punktu odciÄ™cia prÄ…du na charakterystyce, możemy wykorzystać tranzystor MOS jako klucz przeÅ‚Ä…czajÄ…cy. Klucz ten charakteryzuje siÄ™ maÅ‚Ä… rezystancjÄ… zastÄ™pczÄ… w stanie przewodzenia i bardzo dużą w stanie odciÄ™cia. W ukÅ‚adzie przeÅ‚Ä…czajÄ…cym elementy MOS zachowujÄ… siÄ™ jak sterowane, dwustawne rezystory. UkÅ‚ady z elementami MOS szczególnie nadajÄ… siÄ™ do scalania (przykÅ‚ad ukÅ‚ad scalony 4066 zawierajÄ…cy w jednej obudowie cztery bilateralne przeÅ‚Ä…czniki analogowe sterowane indywidualnie cyfrowo rys. 41). Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 42 Rys. 41. Poczwórny przeÅ‚Ä…cznik 4066: a) wersja scalona; b) przykÅ‚adowy sposób jego użycia [7, s. 79] PrzeÅ‚Ä…czniki z tranzystorami bipolarnymi PrzeÅ‚Ä…czniki z tranzystorami bipolarnymi mogÄ… być zarówno w wersji monolitycznej , jak i scalonej. Przedstawiony na rys. 42 przeÅ‚Ä…cznik bipolarny jest częściÄ… monolitycznego poczwórnego przeÅ‚Ä…cznika AD555, ze stykami przeÅ‚Ä…cznymi, sterowanego sygnaÅ‚em TTL. Para tranzystorów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych T5 i T6 może przewodzić prÄ…d w obydwu kierunkach. Jest ona doÅ‚Ä…czona do napięć odniesienia UB i UA nie przekraczajÄ…cych Ä… 4V wzglÄ™dem masy. UkÅ‚ad sterujÄ…cy tworzÄ… pary tranzystorów T1, T2 i T3, T4 ze zródÅ‚ami prÄ…dowymi o wydajnoÅ›ci ok. 300 źA. NapiÄ™cie 1,2 V na bazie tranzystora T2 pochodzi z wewnÄ™trznego dzielnika. JeÅ›li na wejÅ›ciu bÄ™dzie stan 1, to tranzystor T1 zostanie odciÄ™ty, a tranzystor T2 i wysterowany przez niego T3 bÄ™dÄ… przewodziÅ‚y, spowoduje to wyÅ‚Ä…czenie tranzystora T5 i nasycenie prÄ…dem I3 tranzystora T6, który przeÅ‚Ä…cza napiÄ™cie T2 na wyjÅ›cie. Jest to przeÅ‚Ä…cznik maÅ‚ej mocy. Przy sterowaniu silników należaÅ‚oby zastosować tranzystory bipolarne mocy. Rys. 42. PrzeÅ‚Ä…cznik bipolarny: a) schemat; b) oznaczenie [7, s. 80] PrzeÅ‚Ä…czniki tyrystorowe Tyrystory stosuje siÄ™ w ukÅ‚adach zasilania odbiorników prÄ…du staÅ‚ego (np. silników) ze zródÅ‚a napiÄ™cia przemiennego kiedy wymagane jest sterowanie wartoÅ›ciÄ… skutecznÄ… prÄ…du. Takie sterowanie przedstawia rys. 43. Sterownik generuje impulsy IG1, IG2 zaÅ‚Ä…czajÄ…ce tyrystory, przesuniÄ™te w fazie o kÄ…t Åš (0 d" Åš d" Ä„) wzglÄ™dem napiÄ™cia zasilajÄ…cego. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 43 Rys. 43. Wykorzystanie tyrystorów; a) schemat; b) przebiegi sygnałów [7, s. 83] Tyrystor dwukierunkowy triak (rys. 44) może być wykorzystany do zasilania ze zródÅ‚a napiÄ™cia przemiennego odbiorników, takich jak urzÄ…dzenia grzejne i oÅ›wietleniowe, które nie wymagajÄ… prÄ…du jednokierunkowego, tylko sterowanie jego wartoÅ›ciÄ… skutecznÄ…. Rys. 44. Sposób wykorzystania triaka [7, s. 83] Wzmacniacze mocy tranzystorowe W ukÅ‚adach automatyki spotyka siÄ™ cztery zasadnicze grupy wzmacniaczy elektrycznych: tyrystorowe, tranzystorowe, magnetyczne i elektromaszynowe. Wzmacniacze tranzystorowe sÄ… obecnie najbardziej rozpowszechnionym rodzajem wzmacniaczy prÄ…du staÅ‚ego maÅ‚ej i Å›redniej mocy. Zalety wzmacniaczy to: - możliwość uzyskania dużego wzmocnienia, - maÅ‚e staÅ‚e czasowe, - maÅ‚e wymiary, - duża sprawność, - Å‚atwość formowania pożądanej charakterystyki. Stosowane sÄ… dwa typy wzmacniaczy tranzystorowych: wzmacniacze liniowe i wzmacniacze kluczowane. Wzmacniacze liniowe (ciÄ…gÅ‚e) stosuje siÄ™ do sterowania silnikami o mocach do kilkudziesiÄ™ciu watów (ograniczenie wynika z dopuszczalnej wartoÅ›ci mocy wydzielanej na tranzystorach). Wzmacniacze kluczowane majÄ… dużo wiÄ™kszÄ… sprawność od wzmacniaczy liniowych, a ponadto mniejsza jest moc tracona w tych wzmacniaczach. Dlatego mogÄ… być stosowane do sterowania silników o dużych mocach. We wzmacniaczu liniowym punkt pracy tranzystora może przyjmować dowolne poÅ‚ożenie na charakterystyce obciążenia (rys. 45). Aby nie przekroczyć dopuszczalnej wartoÅ›ci strat, należy znacznie obniżyć napiÄ™cie zasilajÄ…ce, czyli ograniczyć moc dostarczanÄ… do silnika. We wzmacniaczu kluczowanym tak dobiera siÄ™ sygnaÅ‚ sterujÄ…cy tranzystorem, że tranzystor znajduje siÄ™ albo w stanie gÅ‚Ä™bokiego Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 44 nasycenia (punkt A na charakterystyce rys. 45), albo w stanie nieprzewodzenia (punkt B na charakterystyce). W czasie przeÅ‚Ä…czania tranzystora nastÄ™puje przejÅ›cie wzdÅ‚uż charakterystyki obciążenia - przez obszar zabroniony - z punktu A do punktu B, lub odwrotnie. PrzejÅ›cie to musi być bardzo szybkie. W zwiÄ…zku z tym sygnaÅ‚ sterujÄ…cy prostokÄ…tny musi być o dużej stromoÅ›ci zboczy i odpowiedniej mocy a tranzystory o krótkim czasie przeÅ‚Ä…czania. Rys. 45. Charakterystyki tranzystora, krzywa mocy maksymalnej, charakterystyka obciążenia UCE napiÄ™cie kolektor-emiter tranzystora, IC prÄ…d kolektora, IB prÄ…d bazy[9, s. 294] Ostatni stopieÅ„ wzmacniacza mocy, zarówno we wzmacniaczach liniowych jak i kluczowanych może pracować w jednym z ukÅ‚adów przedstawionych na rys. 46. UkÅ‚ad przedstawiony na rys. 46 a jest stosowany tylko w jednokierunkowych ukÅ‚adach sterowania prÄ™dkoÅ›ciÄ…. W nawrotnych ukÅ‚adach regulacji prÄ™dkoÅ›ci oraz w serwomechanizmach stosuje siÄ™ ukÅ‚ady przedstawione na rys. 46 b i c. SÄ… to odpowiednio: ukÅ‚ad mostkowy, nazywany ukÅ‚adem typy H oraz ukÅ‚ad typu T. W ukÅ‚adzie typu H kÅ‚opotliwa jest realizacja prÄ…dowych sprzężeÅ„ zwrotnych (silnik jest wÅ‚Ä…czony miÄ™dzy dwa punkty o zmieniajÄ…cych siÄ™ potencjaÅ‚ach). Natomiast w ukÅ‚adzie typu T możliwa jest prosta realizacja prÄ…dowych i napiÄ™ciowych sprzężeÅ„ zwrotnych. Rys. 46. Trzy warianty koÅ„cowego stopnia tranzystorowego wzmacniacza mocy: a) ukÅ‚ad stosowany w jednokierunkowych ukÅ‚adach sterowania prÄ™dkoÅ›ci; b) ukÅ‚ad typu H; c) ukÅ‚ad typu T [9, s. 295] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 45 Wzmacniacze tyrystorowe mocy W jednofazowym ukÅ‚adzie tyrystorowym zasilanym napiÄ™ciem przemiennym (rys. 47) z obciążeniem o charakterze rezystancyjnym, sterowanie wartoÅ›ciÄ… Å›redniÄ… mocy oddawanej do obciążenia odbywa siÄ™ na drogÄ… zmiany chwili wÅ‚Ä…czenia tyrystora. tyrystor od chwili wÅ‚Ä…czenia jest w stanie przewodzenia, aż do chwili gdy prÄ…d pÅ‚ynÄ…cy przez niego zmaleje do wartoÅ›ci prÄ…du wyÅ‚Ä…czenia. Dla obciążenia czysto rezystancyjnego, wyÅ‚Ä…czenie tyrystora nastÄ…pi gdy napiÄ™cie zasilajÄ…ce obniży siÄ™ do zera. Im dÅ‚użej tyrystor przewodzi (mniejszy jest kÄ…t zaÅ‚Ä…czenia tyrystora) tym dÅ‚uższy otrzymamy impuls prÄ…du w obciążeniu i tym wiÄ™ksza wydzieli siÄ™ w nim moc. Rys. 47. Jednofazowy ukÅ‚ad tyrystorowy z obciążeniem rezystancyjnym: a) schemat ukÅ‚adu; b) przebieg napiÄ™cia; c) przebieg prÄ…du [9, s. 299] Dla obciążenia indukcyjnego (rys. 48 a) tyrystor nie zostaje wyÅ‚Ä…czony w chwili zakoÅ„czenia dodatniego półokresu napiÄ™cia zasilajÄ…cego. Tyrystor zostaje wyÅ‚Ä…czony z opóznieniem, ale dÅ‚ugość impulsu prÄ…dowego jest regulowana kÄ…tem zaÅ‚Ä…czenia tyrystora. Jeżeli obciążeniem jest silnik prÄ…du staÅ‚ego (rys. 48 c) reprezentujÄ…cy sobÄ… obciążenie szeregowe rezystancyjno-indukcyjne ze zródÅ‚em siÅ‚y elektromotorycznej., to zmieniajÄ…c kÄ…t zaÅ‚Ä…czenia tyrystora możemy regulować wartość Å›redniÄ… prÄ…du, a wiÄ™c wartość Å›redniÄ… momentu napÄ™dowego silnika. UkÅ‚ady jednofazowe rzadko sÄ… stosowane ze wzglÄ™du na zbyt duże tÄ™tnienia prÄ…du wirnika. Rys. 48. Przebiegi napięć i prÄ…dów w ukÅ‚adach tyrystorowych: a) z obciążeniem indukcyjnym; b) w ukÅ‚adzie sterowania silnikiem prÄ…du staÅ‚ego [9, s. 300] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 46 Najczęściej stosuje siÄ™ tyrystorowy ukÅ‚ad dwufazowy sterowania silnikiem (rys. 49). Do sterowania silników dużych mocy stosuje siÄ™ ukÅ‚ady trójfazowe. UkÅ‚ady te pozwalajÄ… na regulacjÄ™ prÄ™dkoÅ›ci wirowania silnika, bez zmiany kierunku wirowania. Dla ukÅ‚adów nawrotnego sterowania prÄ™dkoÅ›ciÄ… silników należy doÅ‚Ä…czyć równolegle do już pracujÄ…cych tyrystorów, tyrystory o przeciwnej polaryzacji ( na rys. 49 zaznaczono je liniÄ… przerywanÄ…). Rys. 49. Tyrystorowy ukÅ‚ad dwufazowy sterowania silnikiem: a) schemat ukÅ‚adu; b) przebiegi napięć i prÄ…dów [9, s. 300] Wzmacniacze tyrystorowe majÄ… nastÄ™pujace zalety: - dużą sprawność, - duże wzmocnienie mocy, - możliwość zasilania bezpoÅ›rednio napiÄ™ciem przemiennym. WadÄ… wzmacniaczy tyrystorowych zasilanych napiÄ™ciem przemiennym jest wprowadzane przez nie opóznienia, szczególnie istotne w ukÅ‚adach serwomechanizmów (rys.50).Wynika ono z dziaÅ‚ania tyrystora, który może zostać wyÅ‚Ä…czony nie wczeÅ›niej (nawet w przypadku zmiany sygnaÅ‚u sterujÄ…cego) niż sam siÄ™ wyÅ‚Ä…czy na skutek zaniku prÄ…du. Rys. 50. Przebiegi regulacji zakłócenia prÄ™dkoÅ›ci w ukÅ‚adzie ze wzmacniaczem tyrystorowym [9, s. 301] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 47 4.5.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Jakie elementy w ukÅ‚adach elektrycznych w zakresie maÅ‚ych i Å›rednich mocy peÅ‚niÄ… funkcje przeÅ‚Ä…czajÄ…ce? 2. Jakie elementy mogÄ… peÅ‚nić funkcjÄ™ przeÅ‚Ä…czników półprzewodnikowych? 3. Dlaczego można wykorzystać tranzystor MOS jako klucz przeÅ‚Ä…czajÄ…cy? 4. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania bipolarnego przeÅ‚Ä…cznika? 5. Do czego mogÄ… być wykorzystane triaki? 6. Jakie poznaÅ‚eÅ› typy wzmacniaczy tranzystorowych mocy? 7. Dlaczego wzmacniacze kluczowane majÄ… dużą sprawność? 8. Jakie ukÅ‚ady koÅ„cowego stopnia tranzystorowego wzmacniacz mocy stosowane sÄ… w ukÅ‚adach jednokierunkowych a jakie w ukÅ‚adach nawrotnych? 9. W jaki sposób odbywa siÄ™ sterowanie wartoÅ›ciÄ… Å›redniÄ… mocy oddawanej do obciążenia w jednofazowym ukÅ‚adzie tyrystorowym? 10. Jak należy zmienić ukÅ‚ad tyrystorowy dwufazowy sterowania silnika aby możliwa byÅ‚a regulacja w ukÅ‚adzie nawrotnym? 4.5.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Poznanie dziaÅ‚ania bezstykowych elementów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em dotyczÄ…cym bezstykowych elementów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych, 2) zorganizować stanowisko pracy, 3) wyszukać w katalogu dane użytkowe badanych elementów, 4) zanotować parametry badanych elementów, 5) zaproponować ukÅ‚ad do sprawdzenia niektórych parametrów badanych elementów, 6) zapoznać siÄ™ ze schematami i budowÄ… ukÅ‚adów zasilania zawierajÄ…cych tyrystory i triaki, 7) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi napięć w wybranych punkach ukÅ‚adów zasilania, 8) narysować te przebiegi, 9) wyznaczyć charakterystykÄ™ sterowania jako zależność prÄ…du w odbiorniku w funkcji poÅ‚ożenia nastawnika kÄ…ta zaÅ‚Ä…czenia tyrystora, 10) porównać wyniki z danymi katalogowymi, 11) zaprezentować wynik swojej pracy, 12) ocenić ćwiczenie. Wyposażenie stanowiska pracy: - zestaw elementów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych, - rezystory regulowane, - generator, - oscyloskop dwukanaÅ‚owy, - woltomierz cyfrowy, - autotransformator, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 48 - katalogi elementów, - instrukcja obsÅ‚ugi oscyloskopu, - przybory do pisania i rysowania, papier, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. Ćwiczenie 2 Na rysunku przedstawione sÄ… schematy Å‚Ä…czników elektronicznych z tranzystorami polowymi. Opisz zasadÄ™ dziaÅ‚ania ukÅ‚adów. Rysunek do ćwiczenia 2 Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em dotyczÄ…cym zasady dziaÅ‚ania Å‚Ä…czników elektronicznych, 2) zorganizować stanowisko pracy, 3) przeanalizować dziaÅ‚anie przedstawionych ukÅ‚adów, 4) opisać dziaÅ‚anie ukÅ‚adów, 5) zaprezentować efekty swojej pracy, 6) dokonać oceny ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - zeszyt, - przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. 4.5.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) odszukać w katalogu podstawowe dane użytkowe bezstykowych elementów przeÅ‚Ä…czajÄ…cych? 2) podać parametry charakteryzujÄ…ce stan dynamiczny tranzystora polowego? 3) omówić procesy zaÅ‚Ä…czania i wyÅ‚Ä…czania tranzystora bipolarnego? 4) wyjaÅ›nić co to jest obszar bezpiecznej pracy tranzystora? 5) wyznaczyć napiÄ™cie progowe tyrystora? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 49 4.6. Przemienniki czÄ™stotliwoÅ›ci 4.6.1.MateriaÅ‚ nauczania Falowniki Falowniki sÄ… to przeksztaÅ‚tniki energoelektroniczne zmieniajÄ…ce energiÄ™ prÄ…du staÅ‚ego na energiÄ™ prÄ…du przemiennego o staÅ‚ych lub regulowanych parametrach (czÄ™stotliwoÅ›ci, napiÄ™cia i prÄ…du). W zależnoÅ›ci od sposobu zasilania falowników dzielimy je na falowniki napiÄ™cia i falowniki prÄ…du. W zależnoÅ›ci od liczby wyjść fazowych rozróżnia siÄ™ falowniki jednofazowe lub trójfazowe. Trójfazowy falownik napiÄ™cia (rys.51) zasilany jest ze zródÅ‚a napiÄ™cia staÅ‚ego (prostownika sterowalnego lub niesterowalnego przez filtr LC o dużej pojemnoÅ›ci). Zawiera 6 modułów (M1 ÷ M2) z tranzystorami IGBT (T1 ÷ T2) bocznikowanymi diodami zwrotnymi (D1 ÷ D2). Każdy tranzystor w gaÅ‚Ä™zi falownika pracuje dwustanowo jako Å‚Ä…cznik. Tranzystor jest zaÅ‚Ä…czany i wyÅ‚Ä…czany impulsem napiÄ™cia wyprowadzonym ze sterownika. Falownik ten przeksztaÅ‚ca wejÅ›ciowe napiÄ™cie staÅ‚e na napiÄ™cie przemienne poprzez cykliczne przeÅ‚Ä…czenie Å‚Ä…czników (T1 ÷ T6) w gaÅ‚Ä™ziach falownika. Rys. 51. Uproszczony schemat ideowy obwodu głównego trójfazowego falownika napiÄ™cia [4, s. 96] W wyniku przeÅ‚Ä…czania tranzystora T1 w przedziale czasu 0 < t < tm oraz tranzystora T2 w przedziale czasu tm < t < 2tm otrzymuje siÄ™ na wyjÅ›ciu przebieg napiÄ™cia U3 na impedancji Z3 w postaci bipolarnych impulsów (rys. 52). PrzeÅ‚Ä…czanie odbywa siÄ™ ze staÅ‚Ä… czÄ™stotliwoÅ›ciÄ… fr = 1/ tn przy zmiennym współczynniku wypeÅ‚nienia D = tz/tn. ÅšredniÄ… wartość napiÄ™cia (pierwszÄ… harmonicznÄ…) na odbiorniku Z3 odwzorowuje przebieg sinusoidalny ( na rys. 52 narysowany liniÄ… kreskowÄ…). Odbiornik Z3 rezystancyjno- indukcyjny nie pozwala na skokowy zanik prÄ…du fazowego pÅ‚ynÄ…cego przez jego impedancjÄ™. Z chwilÄ… wyÅ‚Ä…czenia tranzystora T1 prÄ…d zaczyna pÅ‚ynąć przez diodÄ™ D2, aż do nastÄ™pnego zaÅ‚Ä…czenia tranzystora T1. PrÄ…d pÅ‚ynÄ…cy przez impedancjÄ™ odbiornika Z3 jest sumÄ… prÄ…dów pÅ‚ynÄ…cych przez tranzystor T1 i diodÄ™ D2. PrÄ…dy pÅ‚ynÄ…ce przez odbiorniki Z1 i Z2 sÄ… wynikiem przeÅ‚Ä…czania pozostaÅ‚ych tranzystorów T3 ÷ T4. W celu uzyskania na wyjÅ›ciu falownika przebiegu napiÄ™cia o ksztaÅ‚cie zbliżonym do sinusoidy stosuje siÄ™ modulacjÄ™ szerokoÅ›ci impulsów (PWM). Falowniki, w których zastosowano modulacjÄ™ PWM sÄ… używane, gdy jest wymagany szeroki zakres regulacji czÄ™stotliwoÅ›ci. UkÅ‚ady falowników napiÄ™cia sÄ… stosowane głównie w napÄ™dzie elektrycznym prÄ…du przemiennego, elektrotermii oraz technice oÅ›wietleniowej. Falownik prÄ…du przeksztaÅ‚ca wejÅ›ciowy prÄ…d staÅ‚y na prÄ…d przemienny jedno- lub wielofazowy o regulowanej wartoÅ›ci i czÄ™stotliwoÅ›ci, podobnie jak falownik napiÄ™cia, Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 50 poprzez cykliczne przeÅ‚Ä…czanie Å‚Ä…czników w gaÅ‚Ä™ziach. PodstawowÄ… dziedzinÄ… zastosowaÅ„ falowników prÄ…du jest napÄ™d elektryczny prÄ…du przemiennego, kompensatory mocy biernej oraz grzejnictwo indukcyjne. Falowniki prÄ…du sÄ… rzadziej stosowane w porównaniu do falowników napiÄ™cia. Rys. 52. KsztaÅ‚t przebiegu fazowego napiÄ™cia wyjÅ›ciowego na impedancji Z3 w przypadku modulacji szerokoÅ›ci impulsów (PWM [4, s. 97] Sterowniki prÄ…du przemiennego Sterowniki prÄ…du przemiennego nazywane również regulatorami napiÄ™cia sÄ… stosowane do bezstopniowej zmiany wartoÅ›ci skutecznej napiÄ™cia, prÄ…du lub mocy czynnej dostarczanej do jedno- lub trójfazowego odbiornika prÄ…du przemiennego. Regulatorów napiÄ™cia używa siÄ™ do: - regulacji natężenia oÅ›wietlenia, - pÅ‚ynnego rozruchu silników, w celu ograniczenia momentu rozruchowego, - pÅ‚ynnego rozruchu silników prÄ…du przemiennego, w celu ograniczenia prÄ…du rozruchu do okreÅ›lonej wartoÅ›ci zadanej, - regulacji prÄ™dkoÅ›ci kÄ…towej silników indukcyjnych, - pÅ‚ynnego zatrzymania silników. W jednofazowym sterowniku prÄ…du przemiennego (rys. 53) ukÅ‚ad sterowania impulsami USI umożliwia zmianÄ™ kÄ…ta wysterowania Ä… w granicach 0 ÷ 180° el. DziÄ™ki temu zmienia siÄ™ prÄ…d i przebieg napiÄ™cia wyjÅ›ciowego sterownika (rys. 54). W tyrystorze kÄ…t przewodzenia i kÄ…t wyÅ‚Ä…czenia ² zależą od kÄ…ta zaÅ‚Ä…czenia Ä… oraz od staÅ‚ej czasowej obwodu wyjÅ›ciowego Ä = L/R. Wartość skuteczna napiÄ™cia wyjÅ›ciowego US jest funkcjÄ… nie tylko kÄ…ta wysterowania Ä…, ale również staÅ‚ej czasowej obwodu wyjÅ›ciowego. Rys. 53. UkÅ‚ad poÅ‚Ä…czeÅ„ jednofazowego sterownika prÄ…du przemiennego [4, s. 104] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 51 Rys. 54. Przebiegi wystÄ™pujÄ…ce w jednofazowym sterowniku prÄ…du przemiennego z obciążeniem rezystancyjnym: a) napiÄ™cia wyjÅ›ciowego: b) napiÄ™cia na odbiorniku: c) prÄ…du odbiornika [4, s. 105] BezpoÅ›rednie przeksztaÅ‚tniki czÄ™stotliwoÅ›ci Rys. 55. BezpoÅ›redni przeksztaÅ‚tnik czÄ™stotliwoÅ›ci bez sterowania fazowego: a) schemat funkcjonalny; b) przebieg napięć fazowych; c), d) przebieg napiÄ™cia wyjÅ›ciowego przeksztaÅ‚tnika pracujÄ…cego przy czÄ™stotliwoÅ›ci f2 = 25 Hz i f2 = 16,6 Hz [4, s. 107] Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 52 BezpoÅ›rednie przeksztaÅ‚tniki czÄ™stotliwoÅ›ci zwane cyklokonwerterami, sÄ… ukÅ‚adami, w których energia prÄ…du przemiennego jest przeksztaÅ‚cana bezpoÅ›rednio w energiÄ™ prÄ…du przemiennego o czÄ™stotliwoÅ›ci f2; przy czym czÄ™stotliwość ta jest mniejsza od czÄ™stotliwoÅ›ci f1 sieci zasilajÄ…cej (rys. 55). Na wyjÅ›ciu uzyskuje siÄ™ napiÄ™cie przemienne odksztaÅ‚cone, o regulowanej wartoÅ›ci skutecznej i czÄ™stotliwoÅ›ci. Przedstawiony na rys. 55 bezpoÅ›redni przeksztaÅ‚tnik czÄ™stotliwoÅ›ci umożliwia przeksztaÅ‚cenie trójfazowego napiÄ™cia w jednofazowe napiÄ™cie o czÄ™stotliwoÅ›ci f2 równej: f1, 0,5 f1, 0,3 f1, 0,25 f1, itd. W przeksztaÅ‚tniku tym kolejno zaÅ‚Ä…czane sÄ… poszczególne tyrystory, gdy miÄ™dzy anodÄ… i katoda Å‚Ä…czonego tyrystora jest dodatnie napiÄ™cie. W ukÅ‚adzie tym nie wystÄ™puje sterowanie fazowe kÄ…tem Ä…. W praktyce, ukÅ‚ad przeksztaÅ‚tnika bez sterowania fazowego jest rzadko stosowany. W rozwiÄ…zaniach praktycznych stosuje siÄ™ bezpoÅ›rednie przeksztaÅ‚tniki czÄ™stotliwoÅ›ci sterowane fazowo, a zbudowane z nawrotnych trójfazowych przeksztaÅ‚tników mostkowych. ZnalazÅ‚y one zastosowanie w ukÅ‚adach napÄ™dowych dużej mocy. 4.6.2. Pytania sprawdzajÄ…ce OdpowiadajÄ…c na pytania, sprawdzisz, czy jesteÅ› przygotowany do wykonania ćwiczeÅ„. 1. Do czego sÅ‚użą falowniki? 2. Jak klasyfikujemy falowniki? 3. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania trójfazowego falownika napiÄ™cia? 4. W jakim celu stosuje siÄ™ modulacje PWM w falownikach? 5. Do czego sÄ… używane sterowniki prÄ…du przemiennego? 6. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania jednofazowego sterownika prÄ…du przemiennego? 7. Jaka jest zasada dziaÅ‚ania cyklokonwertera bez sterowania fazowego? 4.6.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1 Pomiar i obserwacja czasowych przebiegów napięć i prÄ…dów w ukÅ‚adzie jednofazowego falownika napiÄ™cia dla różnych rodzajów obciążeÅ„. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em dotyczÄ…cym falowników, 2) zorganizować stanowisko pracy, 3) poÅ‚Ä…czyć ukÅ‚ad pomiarowy jednofazowego falownika napiÄ™cia, 4) wÅ‚Ä…czyć zasilanie, doÅ‚Ä…czyć oscyloskop, 5) ustawić czÄ™stotliwość wejÅ›ciowego przebiegu sterujÄ…cego, 6) sprawdzić poprawność sekwencji impulsów sterujÄ…cych, 7) ustawić zakresy pomiarowe woltomierza i amperomierza, 8) wÅ‚Ä…czyć trójfazowe napiÄ™cie zasilajÄ…ce, 9) obliczyć moc dostarczanÄ… do falownika, 10) zaobserwować na ekranie oscyloskopu czasowe przebiegi napiÄ™cia wyjÅ›ciowego falownika, 11) narysować obserwowane przebiegi czasowe i zaznaczyć wartoÅ›ci chwilowe, 12) zaobserwować przebiegi prÄ…dów i napięć na tranzystorze i diodzie, 13) narysować obserwowane przebiegi, 14) powtórzyć badania dla różnych obciążeÅ„ falownika 15) wykonać dokumentacjÄ™ ćwiczenia, 16) przedstawić efekty pracy, 17) dokonać oceny ćwiczenia. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 53 Wyposażenie stanowiska pracy: - ukÅ‚ad pomiarowy jednofazowego falownika napiÄ™cia, - elektroniczny ukÅ‚ad sterujÄ…cy, - oscyloskop dwukanaÅ‚owy, - sondy pomiarowe 1 : 1/1 : 10, 100MHz, - uniwersalne mierniki cyfrowe, - transformator trójfazowy 230 V/45 V (300 ÷ 600 W), - instrukcja do ćwiczenia, - kartki papieru, - przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. Ćwiczenie 2 Pomiar i obserwacja czasowych przebiegów napięć i prÄ…dów w ukÅ‚adzie jednofazowego sterownika napiÄ™cia przemiennego. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneÅ›: 1) zapoznać siÄ™ z materiaÅ‚em dotyczÄ…cym sterowników napiÄ™cia przemiennego, 3) zorganizować stanowisko pracy, 4) zapoznać siÄ™ z instrukcjÄ… obsÅ‚ugi oscyloskopu, 5) zaÅ‚Ä…czyć napiÄ™cie zasilajÄ…ce ukÅ‚ad sterowania tyrystorów, 6) zaobserwować na ekranie oscyloskopu ksztaÅ‚t impulsów bramkowych tyrystorów, 7) zaÅ‚Ä…czyć jednofazowe napiÄ™cie zasilajÄ…ce ukÅ‚ad sterownika, 8) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi napięć na odbiorniku o charakterze rezystancyjnym i Å‚Ä…czniku tranzystorowym dla różnych kÄ…tów wysterowania tyrystorów, 9) powtórzyć badania dla odbiornika o charakterze indukcyjnym i rezystancyjno-indukcyjnym, 10) narysować obserwowane przebiegi, 11) wyznaczyć charakterystyki sterowania ukÅ‚adu Uwy = f(Ä…), 12) zinterpretować otrzymane wyniki, 13) zaprezentować efekty swojej pracy, 14) dokonać oceny ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy: - ukÅ‚ad pomiarowy do badania jednofazowego sterownika napiÄ™cia przemiennego, - oscyloskop dwukanaÅ‚owy, - sondy pomiarowe 1 : 1/1 : 10, 100 MHz, - uniwersalny miernik cyfrowy, - transformator jednofazowy 230 V/45 V (100 W ÷ 300 W), - kartki papieru, przybory do pisania i rysowania, - literatura z rozdziaÅ‚u 6. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 54 4.6.4. Sprawdzian postÄ™pów Czy potrafisz: Tak Nie 1) zdjąć przebiegi napięć i prÄ…dów na wyjÅ›ciu falownika napiÄ™cia? 2) zdjąć przebiegi napięć i prÄ…dów na różnych odbiornikach zasilanych napiÄ™ciem falownika? 3) wyznaczyć charakterystykÄ™ sterowania ukÅ‚adu sterownika Uwy = f(Ä…)? 4) narysować czasowy przebieg napiÄ™cia wyjÅ›ciowego w ukÅ‚adzie obciążonym rezystancyjnie dla kÄ…ta wysterowania Ä… = Ä„/2 tyrystorów sterownika? Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 55 5. SPRAWDZIAN OSIGNIĆ INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uważnie instrukcjÄ™ zanim zaczniesz rozwiÄ…zywać zadania. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartÄ™ odpowiedzi. 3. Zapoznaj siÄ™ z zestawem pytaÅ„ testowych. 4. Test zawiera 20 zadaÅ„ o różnym stopniu trudnoÅ›ci, dotyczÄ…cych elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych. Zadania zawierajÄ… cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. 5. Udzielaj odpowiedzi tylko na zaÅ‚Ä…czonej karcie odpowiedzi, stawiajÄ…c w odpowiedniej rubryce znak X. JeÅ›li uznasz, że pomyliÅ‚eÅ› siÄ™ i wybraÅ‚eÅ› nieprawidÅ‚owÄ… odpowiedz, to zaznacz jÄ… kółkiem, a nastÄ™pnie ponownie zaznacz znakiem X odpowiedz prawidÅ‚owÄ…. 6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy bÄ™dziesz mógÅ‚ sprawdzić poziom swojej wiedzy. 7. Kiedy udzielenie odpowiedzi bÄ™dzie Ci sprawiaÅ‚o trudność, wtedy odłóż jego rozwiÄ…zanie na pózniej i wróć do niego, gdy zostanie Ci czas wolny. 8. Na rozwiÄ…zanie testu masz 30 min. Powodzenia Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 56 ZESTAW ZADAC TESTOWYCH 1. Jako korektorów żyroskopów w urzÄ…dzeniach autopilotów stosuje siÄ™: a) silniki momentowe, b) silnik tarczowe, c) silniki liniowe, d) silniki Ferrerisa. 2. Silniki elektryczne wykonawcze charakteryzujÄ… siÄ™: a) dużą staÅ‚Ä… czasowÄ…, b) maÅ‚ym momentem rozruchowym, c) możliwoÅ›ciÄ… pracy przy nieruchomym wirniku, d) brakiem możliwoÅ›ci zmiany kierunku ruchu. 3. W silniku wykonawczym indukcyjnym dwufazowym o sterowaniu amplitudowym: a) napiÄ™cie sterujÄ…ce jest przesuniÄ™te w fazie o Ä„/2 wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia i ma zmiennÄ… amplitudÄ™, b) napiÄ™cie sterujÄ…ce jest przesuniÄ™te w fazie o Ä„/2 wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia i ma staÅ‚Ä… amplitudÄ™, c) napiÄ™cie sterujÄ…ce ma staÅ‚Ä… amplitudÄ™ i zmienne przesuniÄ™cie fazowe wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia, d) napiÄ™cie sterujÄ…ce ma zmiennÄ… amplitudÄ™ i zmienne przesuniÄ™cie fazowe wzglÄ™dem napiÄ™cia wzbudzenia 4. W mikrosynie wirnik reluktancyjny ustawia siÄ™ tak, aby: a) oÅ› reluktancji minimalnej pokrywaÅ‚a siÄ™ ze strumieniem magnetycznym wzbudzenia, b) oÅ› reluktancji maksymalnej pokrywaÅ‚a siÄ™ ze strumieniem magnetycznym wzbudzenia, c) oÅ› reluktancji maksymalnej pokrywaÅ‚a siÄ™ z wypadkowym strumieniem magnetycznym, d) oÅ› reluktancji minimalnej pokrywaÅ‚a siÄ™ z wypadkowym strumieniem magnetycznym. 5. Wirniki w silnikach skokowych ustawiajÄ… siÄ™ w ten sposób, że: a) ramiÄ™ wirnika przyjmuje kierunek przeciwny z kierunkiem pola wytwarzanego przez stojan, przy czym wirnik czynny uwzglÄ™dnia polaryzacjÄ™ pola, a wirnik bierny nie, b) ramiÄ™ wirnika przyjmuje kierunek przeciwny z kierunkiem pola wytwarzanego przez stojan, przy czym wirnik czynny nie uwzglÄ™dnia polaryzacji pola, a wirnik bierny tak, c) ramiÄ™ wirnika przyjmuje kierunek zgodny z kierunkiem pola wytwarzanego przez stojan, przy czym wirnik czynny uwzglÄ™dnia polaryzacjÄ™ pola, a wirnik bierny nie, d) ramiÄ™ wirnika przyjmuje kierunek zgodny z kierunkiem pola wytwarzanego przez stojan, przy czym wirnik czynny nie uwzglÄ™dnia polaryzacji pola, a wirnik bierny tak. 6. W którym silniku w czasie jednego cyklu przeÅ‚Ä…czeÅ„ wirnik zmienia poÅ‚ożenie o kÄ…t odpowiadajÄ…cy podziaÅ‚ce a nie odlegÅ‚oÅ›ci miÄ™dzy biegunami? a) mikrosynie, b) liniowym, c) reduktorowym skokowym z wirnikiem biernym, d) tarczowym. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 57 7. Sterowanie poÅ‚ożenia z dużą dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… w ukÅ‚adzie otwartym umożliwia silnik? a) Ferrarisa, b) skokowy, c) drukowany, d) mikrosyn. 8. W silniku liniowym tubowym: a) powierzchnie aktywne sÄ… pÅ‚askie w ksztaÅ‚cie prostokÄ…tów, b) powierzchnie aktywne sÄ… cylindryczne, c) częściÄ… wtórnÄ… jest metal ciekÅ‚y nieferromagnetyczny, d) silnik wykonuje ruch posuwisto-zwrotny. 9. Wzmacniacze liniowe w porównaniu do wzmacniaczy kluczowanych: a) stosuje siÄ™ do sterowania silników o dużych mocach, b) majÄ… dużo wiÄ™kszÄ… sprawność, c) majÄ… dużo mniejszÄ… sprawność, d) majÄ… punkt pracy znajdujÄ…cy siÄ™ w stanie gÅ‚Ä™bokiego nasycenia albo w stanie nieprzewodzenia. 10. W ukÅ‚adzie mostkowym koÅ„cowego stopnia tranzystorowego wzmacniacza mocy jest wymagane: a) jedno zródÅ‚o napiÄ™cia zasilajÄ…cego i 4 tranzystory mocy, b) stosowanie dwóch zasilaczy i dwóch tranzystorów, c) stosowanie tranzystorów komplementarnych, d) stosowanie tylko dwóch tranzystorów. 11. W ukÅ‚adzie typu T koÅ„cowego stopnia tranzystorowego wzmacniacza mocy stosuje siÄ™: a) dwa zasilacze i dwa tranzystory, b) jedno zródÅ‚o zasilania i cztery tranzystory, c) dwa zasilacze i cztery tranzystory, d) jedno zródÅ‚o zasilania i dwa tranzystory. 12. WadÄ… wzmacniaczy tyrystorowych jest: a) bezpoÅ›rednie zasilanie napiÄ™ciem przemiennym, b) opóznienie wprowadzane przez nie, c) duża sprawność, d) duże wzmocnienie mocy. 13. PrzeÅ‚Ä…czanie dużych napięć wymaga, aby: a) styki miaÅ‚y dużą powierzchniÄ™ zetkniÄ™cia, b) znajdowaÅ‚y siÄ™ w dużej odlegÅ‚oÅ›ci od siebie, c) umożliwiaÅ‚y przeskoczenie iskry miÄ™dzy stykami, gdy sÄ… rozwarte, d) rezystancja przejÅ›cia styków byÅ‚a jak najwiÄ™ksza. 14. TrwaÅ‚ość przekaznika typu MT-12 wynosi: a) 5‡103 przeÅ‚Ä…czeÅ„, b) 5‡104 przeÅ‚Ä…czeÅ„, c) 5‡105 przeÅ‚Ä…czeÅ„, d) 5‡106 przeÅ‚Ä…czeÅ„. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 58 15. Silnik liniowy, w którym częściÄ… wtórnÄ… jest metal ciekÅ‚y nieferromagnetyczny to: a) silnik Å‚ukowy, b) silnik o ruchu wahadÅ‚owym, c) pompa liniowa indukcyjna, d) silnik tubowy. 16. Do współpracy z cyfrowymi urzÄ…dzeniami sterujÄ…cymi szczególnie nadaje siÄ™ silnik: a) wykonawczy prÄ…du staÅ‚ego ze wzbudzeniem przez magnesy trwaÅ‚e, b) skokowy, c) liniowy, d) wykonawczy momentowy. 17. Przekazniki kontaktronowe nie majÄ…: a) styków wykonanych ze sprężystych blaszek z materiaÅ‚u ferromagnetycznego, b) koÅ„cówek blaszek pokrytych zÅ‚otem, c) baÅ„ki szklanej wypeÅ‚nionej gazem obojÄ™tnym, d) baÅ„ki szklanej z kroplÄ… rtÄ™ci. 18. Zastosowanie nastawnika w siÅ‚owniach membranowych pneumatycznych: a) zmniejsza szybkość dziaÅ‚ania siÅ‚ownika, b) zmniejsza zakres ciÅ›nienia, c) umożliwia usuniÄ™cie z siÅ‚ownika sprężyny, d) zwiÄ™ksza histerezÄ™. 19. WyÅ‚Ä…czniki kraÅ„cowe stanowiÄ… dodatkowe wyposażenie siÅ‚owników: a) pneumatycznych tÅ‚okowych, b) hydraulicznych korbowych, c) pneumatycznych membranowych, d) elektrycznych. 20. W bezpoÅ›rednim przeksztaÅ‚tniku czÄ™stotliwoÅ›ci bez sterowania fazowego na wyjÅ›ciu otrzymuje siÄ™: a) napiÄ™cie przemienne odksztaÅ‚cone o czÄ™stotliwoÅ›ci wiÄ™kszej niż czÄ™stotliwość napiÄ™cia sieci zasilajÄ…cej, b) napiÄ™cie przemienne odksztaÅ‚cone o czÄ™stotliwoÅ›ci mniejszej niż czÄ™stotliwość napiÄ™cia sieci zasilajÄ…cej, c) napiÄ™cie sinusoidalne o czÄ™stotliwoÅ›ci sieci zasilajÄ…cej, d) napiÄ™cie przemienne odksztaÅ‚cone o czÄ™stotliwoÅ›ci równej lub mniejszej od czÄ™stotliwoÅ›ci napiÄ™cia sieci zasilajÄ…cej. Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 59 KARTA ODPOWIEDZI ImiÄ™ i nazwisko & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & .. Badanie elementów i urzÄ…dzeÅ„ wykonawczych ZakreÅ›l poprawnÄ… odpowiedz. Nr zadania Odpowiedz Punkty 1. a b c d 2. a b c d 3. a b c d 4. a b c d 5. a b c d 6. a b c d 7. a b c d 8. a b c d 9. a b c d 10. a b c d 11. a b c d 12. a b c d 13. a b c d 14. a b c d 15. a b c d 16. a b c d 17. a b c d 18. a b c d 19. a b c d 20. a b c d Razem: Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 60 6. LITERATURA 1. FabijaÅ„ski P., Pytlak A., ÅšwiÄ…tek H.: Pracownia ukÅ‚adów energoelektronicznych. WSiP SA, Warszawa 2000 2. Findeisen WÅ‚. (red): Poradnik inżyniera automatyka. WNT, Warszawa 1973 3. GozliÅ„ska E.: Maszyny elektryczne. WSiP, Warszawa 1995 4. Januszewski S., Pytlak A., Rosnowska-Nowaczyk M., ÅšwiÄ…tek H.: Energoelektronika. WSiP SA, Warszawa 2004 5. Kacejko L. (red.): Poradnik elektryka. WSiP, Warszawa 1995 6. Kacejko L.: Pracownia elektryczna. WMRCNEMT, Radom 1993 7. Komor Z.: Pracownia automatyki. WSiP, Warszawa 1996 8. Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka. NapÄ™d i sterowanie hydrauliczne i pneumatyczne. WSiP, Warszawa 1999 9. Kostro J.: Elementy, urzÄ…dzenia i ukÅ‚ady automatyki. WSiP, Warszawa 1997 10. Partyka J.: Podstawy automatyki dla technikum elektronicznego. PWSZ, Warszawa 1970 11. PÅ‚oszajski G.: Automatyka. WSiP, Warszawa 1995 12. Pokutycki J.: Elementy automatyki elektryczne i elektroniczne. WSiP, Warszawa 1977 13. PuÅ‚aczewski J.: Automatyka. PWSZ, Warszawa 1969 14. Schmid D. (red): Mechatronika. REA, Warszawa 2002 15. Siemianko Fr., Gawrysiak M.: Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1996 Projekt współfinansowany ze Å›rodków Europejskiego Funduszu SpoÅ‚ecznego 61