„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Iwona Sosnowska

Stosowanie układów sterowania i regulacji 311[18].O1.04

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:

mgr Paweł Filipiak
mgr Przemysław Koserczyk



Opracowanie redakcyjne:
mgr Iwona Sosnowska



Konsultacja:
dr inż. Jacek Przepiórka





Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[18].O1.04
„Stosowanie układów sterowania i regulacji”, zawartego w modułowym programie nauczania
dla zawodu technik instrumentów muzycznych.


























Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1.

Wprowadzenie

3

2.

Wymagania wstępne

5

3.

Cele kształcenia

6

4.

Materiał nauczania

7

4.1.

Czujniki i przetworniki pomiarowe

7

4.1.1. Materiał nauczania

7

4.1.2. Pytania sprawdzające

13

4.1.3. Ćwiczenia

13

4.1.4. Sprawdzian postępów

15

4.2.

Maszyny elektryczne

16

4.2.1. Materiał nauczania

16

4.2.2. Pytania sprawdzające

24

4.2.3. Ćwiczenia

25

4.2.4. Sprawdzian postępów

26

4.3.

Urządzenia sterujące

27

4.3.1. Materiał nauczania

27

4.3.2. Pytania sprawdzające

36

4.3.3. Ćwiczenia

36

4.3.4. Sprawdzian postępów

37

4.4.

Regulatory

38

4.4.1. Materiał nauczania

38

4.4.2. Pytania sprawdzające

42

4.4.3. Ćwiczenia

42

4.4.4. Sprawdzian postępów

43

4.5.

Sterowniki programowalne PLC

44

4.5.1. Materiał nauczania

44

4.5.2. Pytania sprawdzające

52

4.5.3. Ćwiczenia

53

4.5.4. Sprawdzian postępów

53

5.

Sprawdzian osiągnięć

54

6.

Literatura

59

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o stosowaniu układów sterowania

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

W poradniku zamieszczono:

–

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

–

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

–

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

–

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

–

ć

wiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

–

sprawdzian postępów,

–

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

–

literaturę uzupełniającą.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

Schemat układu jednostek modułowych

311[18].O1

Techniczne podstawy

zawodu

311[18].O1.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa i higieny pracy,

ochrony przeciwpożarowej, ochrony

ś

rodowiska oraz wymogów ergonomii

311[18].O1.02

Wykonywanie rysunków technicznych z

wykorzystaniem komputerowego

wspomagania projektowania

311[18].O1.03

Wykonywanie pomiarów

wielkości fizycznych

311[18].O1.04

Stosowanie układów

sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

korzystać z różnych źródeł informacji,

–

obsługiwać komputer,

–

współpracować w grupie,

–

wykonywać rysunki techniczne,

–

wykonywać pomiary wielkości geometrycznych,

–

projektować procesy produkcyjne,

–

wykonywać pomiary wielkości elektrycznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii,

–

rozróżnić rodzaje silników i prądnic elektrycznych,

–

podłączyć i uruchomić silniki elektryczne prądu stałego i przemiennego,

–

zbadać charakterystykę silników i prądnic elektrycznych,

–

obsłużyć maszyny i urządzenia elektryczne,

–

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

–

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

–

wyjaśnić zasadę działania przetworników pomiarowych,

–

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

–

dobrać przetworniki pomiarowe do układów regulacji automatycznej,

–

wyjaśnić zasadę sprzężenia zwrotnego,

–

rozróżnić podstawowe struktury układów regulacji,

–

sporządzić schemat blokowy automatycznego sterowania i regulacji,

–

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

–

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

–

zaprojektować elementarne układy regulacji i automatyki,

–

zmontować według schematu prosty układ automatyki przemysłowej,

–

obsłużyć urządzenia zabezpieczające i kontrolno-pomiarowe,

–

obsłużyć urządzenia automatycznej kontroli i sterowania procesem produkcji,

–

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1.

Czujniki i przetworniki pomiarowe

4.1.1. Materiał nauczania

Sygnał mierzony oddziałuje bezpośrednio na czujnik pomiarowy. W niewielu

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

wielkość

mierzona

Rys. 1. Przekształcenie sygnału mierzonego

W zależności od wpływu mierzonej wielkości nieelektrycznej na postać sygnału

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

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

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

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

i dyskretne.

Wśród analogowych czujników pomiaru wielkości ruchu wyróżniamy: czujniki

położenia, czujniki prędkości, czujniki przyspieszenia.
Pomiary położenia

W zależności od wykorzystywanych zjawisk fizycznych czujniki położenia dzielimy na:

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

W czujnikach rezystancyjnych zmiana położenia kątowego lub liniowego styku powoduje

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

–

dla czujnika kątowego,

Uo = k

⋅Φ

–

czujnika liniowego

Uw

=

k

⋅

x

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

Czujnik

Przetwornik

Wynik

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Φ

– położenie kątowe,

x

– położenie liniowe,

k

– współczynnik proporcjonalności.

Rys. 2.

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

Czujniki pojemnościowe

W czujnikach pojemnościowych zmiana położenia powoduje zmianę pojemności

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

Rys. 3.

Schemat kondensatora płaskiego

ε

o

· ε

r

· S

C =

d

gdzie:
ε

o

–

przenikalność elektryczna próżni,

ε

r

– względna przenikalność elektryczna ośrodka (dielektryka) wypełniającego przestrzeń

między okładkami,

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

W zależności od konstrukcji kondensatora zmianę pojemności powoduje:

a)

zmiana odległości między elektrodami,

b)

zmiana powierzchni czynnej elektrod,

c)

zmiana przenikalności dielektrycznej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

a) 1

b) 1

c) 2 3

2 2 2

Rys. 4.

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

Czujniki indukcyjne

W czujnikach indukcyjnych zmiana położenia ferromagnetycznego powoduje zmianę

indukcyjności własnej lub wzajemnej.

Rys. 5.

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

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

transformatorowe i solenoidalne.

Rys. 6.

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

Zaletą transformatora różnicowego jest zmiana fazy napięcia wzbudzonego, uzależniona

od względnego przesunięcia zwory z położenia środkowego.

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

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

°

. Wirnik sprzęgnięty jest z wałem

silnika. Miarą położenia (kąta obrotu

Φ

) jest przesunięcie fazowe indukowane w uzwojeniu

wirnika. Czujnik może pracować również w układzie, w którym wartość napięcia
generowanego w wirniku jest miarą położenia.

Rys. 7.

Schemat rezolwera [6]

Czujnik optyczny

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

obiektu jest kierowany do fotodetektora/

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

Rys. 8.

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

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

Pojemnościowy sygnalizator krańcowy

Rys. 9.

Schemat pojemnościowego sygnalizatora krańcowego [11]

W czujniku pojemnościowym zbliżający się przedmiot metalowy powoduje zmianę

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

Symbol graficzny

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Indukcyjny bezstykowy sygnalizator krańcowy

Rys. 10. Schemat indukcyjnego sygnalizatora krańcowego [11]

Czujnik indukcyjny generuje zmienne pole elektromagnetyczne. Jeżeli w polu

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

W kontaktronie zestyki zbudowane są z ferromagnetycznych, cienkich blaszek

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

a)

b)

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

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

Czujniki fotoelektryczne

Czujniki fotoelektryczne wykorzystują zjawisko powstania napięcia pod wpływem

padającego światła.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

Rys. 12. Symbol czujnika

Czujniki optyczne

Zasada działania czujników optycznych opiera się na wysyłaniu wiązki przez nadajnik

i odbieraniu jej przez odbiornik.

a)

b)

c)

Rys. 13.

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

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

trafia do odbiornika.

W czujniku refleksyjnym nadajnik i odbiornik umieszczone są w jednej obudowie

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

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

Napotkana na drodze promieni przeszkoda powoduje przerwanie wiązki światła.

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jakie są rodzaje czujników położenia?

2.

Jaka jest zasada działania czujników potencjometrycznych?

3.

Jaka jest zasada działania czujników indukcyjnych?

4.

Jaka jest zasada działania czujników pojemnościowych?

5.

Jaka jest zasada działania czujników optycznych?

6.

Jaka jest zasada działania czujników binarnych pojemnościowych?

7.

Jaka jest zasada działania czujników kontaktronowych?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz charakterystykę czujnika indukcyjnego analogowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zamocować czujnik indukcyjny na stanowisku pomiarowym,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

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

podłączyć czujnik do aparatury pomiarowej,

4)

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

5)

zanotować wyniki,

6)

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

7)

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

8)

porównać uzyskane wyniki i zapisać wnioski.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

czujnik indukcyjny,

–

próbki wykonane ze stali, aluminium, miedzi,

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę rezystancyjnego czujnika położenia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zamocować czujnik na stanowisku pomiarowym,

2)

podłączyć czujnik do aparatury pomiarowej,

3)

zmieniać położenie obiektu połączonego z czujnikiem rezystancyjnym,

4)

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

5)

wykreślić charakterystykę czujnika.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

czujniki: indukcyjny, pojemnościowy, optyczny,

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

Ćwiczenie 3

Określ reakcję wybranych czujników na przeszkody wykonane z różnych materiałów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zamocować czujnik na stanowisku pomiarowym,

2)

zamocować przesłonę na stanowisku pomiarowym,

3)

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

4)

zanotować przy badanym czujniku reakcję lub brak reakcji na przysłonę,

5)

sformułować i zanotować wnioski.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

czujniki: indukcyjny, pojemnościowy, optyczny,

–

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

–

stanowisko pomiarowe,

–

literatura.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wyjaśnić zasadę działania czujników optycznych?

2)

scharakteryzować rodzaje czujników położenia?

3)

wyjaśnić zasadę działania czujnika kontaktronowego?

4)

dobrać czujnik odpowiedni do mierzonej wielkości fizycznej?

5)

podłączyć czujnik do układu posługując się kartą katalogową?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2.

Maszyny elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

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

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

−

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

−

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

−

transformatory, w których energia elektryczna prądu przemiennego przekształca się
w energię elektryczną prądu przemiennego o innych parametrach, przy niezmienionej
częstotliwości, w praktyce oznacza to, że transformator służy do podwyższania lub
obniżania napięcia.

W każdej z maszyn przekształcających energię mechaniczną na elektryczną lub

odwrotnie, czyli w prądnicy lub w silniku elektrycznym, można wyróżnić dwie
charakterystyczne części:

−

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

−

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

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

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

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

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

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

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

−

napięcie znamionowe,

−

prąd znamionowy,

−

częstotliwość napięcia przemiennego (w przypadku maszyn prądu przemiennego),

−

współczynnik mocy,

a także znamionowe parametry mechaniczne:

−

moc znamionowa,

−

sprawność,

−

prędkość wirowania,

−

masa.
Na tabliczce znamionowej umieszcza się również informacje uzupełniające:

−

typ maszyny,

−

nazwę producenta,

−

rok produkcji,

−

numer seryjny urządzenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Budowa i zasada działania prądnicy prądu jednofazowego

Ź

ródłami napięcia sinusoidalnie zmiennego są prądnice. Najprostszym modelem prądnicy

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

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

Jeżeli ramka znajduje się w położeniu poziomym, to strumień magnetyczny przenikający

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

Prądnica prądu trójfazowego

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

Uproszczony schemat takiej prądnicy pokazuje rys.15.

Rys. 15.

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

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

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

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

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

Prądnica prądu stałego

Podstawą fizyczną działania prądnicy jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

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

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

(uzwojenia elektromagnesów) rozróżnia się prądnice prądu stałego:

−

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

−

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

−

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

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

Budowa i zasada działania silnika prądu stałego

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

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

Rys. 16.

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

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

,

5 – wyjścia do

zasilania

Opisany wyżej silnik ma wiele wad. Jeżeli ramka zatrzyma się w położeniu pionowym,

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

Rodzaje silników prądu stałego

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

stałego:

a) obcowzbudnej,

b)

bocznikowej,

c)

szeregowej,

d)

szeregowo-bocznikowej [1]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

Zachowanie się poszczególnych rodzajów silników przedstawiają tzw. charakterystyki

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

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

Regulacja prędkości kątowej (obrotowej) silników prądu stałego

Właściwości ruchowe silników prądu stałego określa się na podstawie zależności:

φ

ω

⋅

⋅

+

=

c

R

I

U

t

t

t

m

t

I

c

M

⋅

⋅

=

φ

,

w których:

ω

m

– prędkość kątowa,

U

t

– napięcie zasilające twornik,

I

t

– prąd twornika,

R

t

– rezystancja twornika,

c – stała zależna od cech konstrukcyjnych silnika,

φ

– strumień uzwojenia wzbudzającego,

M – moment obciążenia.

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

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

Silniki prądu przemiennego

Silniki komutatorowe prądu przemiennego są zbliżone konstrukcyjnie do silników

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

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

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

Wirujące pola magnetyczne w maszynach elektrycznych uzyskuje się w wyniku

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

1 – bocznikowego i obcowzbudnego przy pominięciu

oddziaływania twornika

2 – bocznikowego i obcowzbudnego z uwzględnieniem

oddziaływania twornika

3 – szeregowo-bocznikowego
4 – szeregowego

ω

m

ω

mN

M

N

M

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

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

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

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

Uzwojenia mogą być połączone w:

–

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

–

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

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

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

W zależności od rodzaju zastosowanego wirnika, wyróżnia się dwa typy trójfazowych

silników elektrycznych:

−

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

−

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

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

obrotowej przy dużych zmianach obciążenia i dość łatwy rozruch. Zaletą jest również

możliwość przeciążania go w znacznym zakresie.

Wadą jest duży prąd pobierany podczas rozruchu i niewielki współczynnik mocy

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

Silnik pierścieniowy ma bardziej skomplikowaną budowę, jednak również odznacza się

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

Transformator jest to urządzenie elektryczne, w którym energia elektryczna prądu

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

1 – silniki synchroniczne
2 – silniki indukcyjne, silniki

bocznikowe prądu stałego

3 – silniki szeregowe prądu

stałego

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

taśm stalowych

8 – dźwignice

0

0

ω

m

ω

m

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

Rys. 17. Budowa i zasada działania transformatora

Transformator zbudowany jest z następujących części:

−

uzwojenie dolnego napięcia – cewka o liczbie zwojów n

1,

−

uzwojenie górnego napięcia – cewka o liczbie zwojów n

2,

−

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

uzwojenia górnego do uzwojenia dolnego nazywa się przekładnią zwojową transformatora.

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

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

Zasada działania transformatora opiera się na elektromagnetycznym oddziaływaniu

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

1

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

2

. W wyniku zjawiska indukcji

elektromagnetycznej w uzwojeniu wtórnym transformatora powstaje napięcie U

2

.

Wyróżnia się trzy charakterystyczne stany pracy transformatora:

−

stan jałowy,

−

stan obciążenia,

−

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

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

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

Transformator jest maszyną elektryczną pracującą z bardzo dużą sprawnością.

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

Transformatory energetyczne produkuje się zwykle jako trójfazowe. Trzy transformatory

jednofazowe można połączyć w jeden transformator trójfazowy, gdyż przy identycznym
obciążeniu wszystkich faz warunki elektryczne i magnetyczne pracy tych transformatorów się
nie zmienią. Moc transformatorów trójfazowych jest bardzo duża i może sięgać kilkuset
megawoltamperów.

Transformatory mogą służyć do podwyższania i obniżania napięcia w sieciach

przesyłowych.

Transformatory jednofazowe znajdują zastosowanie w różnych obwodach pomiarowych,

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

Autotransformatory, których uzwojenia nawinięte są na wspólnym obwodzie

magnetycznym używane są w urządzeniach rozruchowych trójfazowych silników klatkowych.

Przekładniki, czyli transformatory pomiarowe, wykorzystywane są w układach do

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

przyłączonym

do

zacisków

uzwojenia

wtórnego).

Przekładniki

produkowane są w izolacji żywicznej lub olejowej.

Transformatory bezpieczeństwa są przeznaczone do zasilania odbiorników małej mocy

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

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jaką maszynę nazywamy silnikiem elektrycznym?

2.

Jaka jest zasada budowy silnika elektrycznego prądu stałego?

3.

Jaka jest zasada działania silnika elektrycznego prądu stałego?

4.

Jaka jest zasada budowy silnika elektrycznego prądu przemiennego?

5.

Jakie znasz rodzaje silników elektrycznych prądu przemiennego?

6.

Jaka jest zasada działania silnika elektrycznego prądu przemiennego?

7.

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu przemiennego?

8.

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę zewnętrzną prądnicy prądu stałego?

9.

W jaki sposób wyznacza się charakterystykę mechaniczną silnika prądu stałego?

10.

Jak przebiega badanie silnika elektrycznego prądu przemiennego?

11.

Jakie urządzenie nazywamy transformatorem?

12.

Jak przebiega badanie transformatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj, jak są oznaczane zaciski uzwojeń maszyn prądu stałego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

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

2)

zanotować, jak są oznaczane zaciski uzwojeń maszyn prądu stałego.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu,

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 2

Wykonaj badanie transformatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

2)

zapoznać się z wiadomościami na temat budowy i działania transformatora,

3)

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

wiczenia,

4)

połączyć elementy zestawu według schematu znajdującego się w instrukcji,

5)

wykonać badanie posługując się zestawem do wykonania tego ćwiczenia,

6)

wykonać protokół badania,

7)

zaprezentować efekty swojej pracy,

8)

dokonać oceny pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zestaw do wykonania badania transformatora,

−

instrukcja do wykonania ćwiczenia,

−

kartka papieru formatu A4,

−

przyrządy kreślarskie,

−

przybory do pisania,

−

poradnik dla ucznia.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie silnika prądu stałego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zorganizować stanowisko pracy do wykonania ćwiczenia,

2)

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

3)

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

4)

ustalić zakres badania,

5)

zestawić elementy zestawu według schematu znajdującego się w instrukcji,

6)

wykonać badanie posługując się zestawem do wykonania tego ćwiczenia,

7)

wykonać protokół badania,

8)

zaprezentować efekty swojej pracy,

9)

dokonać oceny pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

zestaw do wykonania badania silnika prądu stałego,

−

instrukcja do wykonania ćwiczenia,

−

kartki papieru formatu A4,

−

przyrządy kreślarskie,

−

przybory do pisania,

−

poradnik dla ucznia.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

opisać budowę i działanie prądnicy prądu stałego?

2)

ustalić przebieg wyznaczania charakterystyki zewnętrznej prądnicy
prądu stałego?

3)

opisać budowę i działanie prądnicy prądu przemiennego?

4)

ustalić przebieg wyznaczania charakterystyki zewnętrznej prądnicy
prądu przemiennego?

5)

połączyć elementy zestawu pomiarowego według schematu?

6)

wyjaśnić działanie i opisać budowę silnika prądu stałego?

7)

ustalić zakres i przebieg badania silnika prądu przemiennego?

8)

sporządzić protokół badania silnika prądu przemiennego?

9)

wyjaśnić działanie i opisać budowę silnika prądu przemiennego?

10)

ustalić zakres i przebieg badania silnika prądu przemiennego?

12)

opisać budowę i działanie transformatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

4.3.

Urządzenia sterujące

4.3.1. Materiał nauczania

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

zasilających,

elektrycznych

urządzeń

sterujących

i elektromechanicznych

urządzeń

wykonawczych.

Rys. 18. Schemat blokowy układu sterowania elektrycznego

Urządzenia sterujące służą do sterowania pracą urządzeń wykonawczych. Składają się

z aparatury łączeniowej i zabezpieczającej.

Urządzenia wykonawcze służą do przetwarzania energii elektrycznej w energię

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

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

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

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

przedstawiono na rysunku 18 a.

F1F

S1

S2

K1

1

2

1

F1F

S2

K1

S1

2

K1

L1
L2

L3

N

PE

F1

K1

F1F

M1

M

31

31

2

1

2

23

31

21

31

31

13

5

3

24

32

22

6

14

4

5

1 3

4

2

6

5

1 3

6

2

4

W

V

U

31

1

31

31

95

96

95

96

21

22

21

22

13

14

13

14

13

13

14

A1

A2

A1

A2

F2

3

lub

F2

a)

b)

3/N ~ 50 Hz/ TN - S

4

32

14

6

22

24

2

31

23

3

21

13

5

1

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

Urządzenia

sterujące

Układ

zasilający

Urządzenie

wykonawcze

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

Opis działania układu sterowania

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

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

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

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

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

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

Podział łączników

Łącznikami nazywamy aparaty służące do zamykania, otwierania lub przełączania

obwodów elektrycznych, uruchamianych ręcznie lub zdalnie.

Łączniki dzielimy ze względu na:

−−−−

napięcie znamionowe – niskiego i wysokiego napięcia;

−−−−

użycie styków – bezstykowe i zestykowe;

−−−−

znamionową zdolność wyłączania – izolacyjne, robocze i zwarciowe;

−−−−

przeznaczenie – instalacyjne i przemysłowe;

−−−−

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

sterowanie przewodnością elementu półprzewodnikowego.

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

zestyków.

Łączniki izolacyjne mają bardzo małą zdolność wyłączania (prąd wyłączalny znacznie

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

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

prądów roboczych i przeciążeniowych (do 10 I

N

).

Łączniki zwarciowe tj. bezpieczniki, przeznaczone są do jednorazowego wyłączenia

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

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

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

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

nieruchomy. Styk ruchomy może być napędzany przez użycie siły fizycznej człowieka lub siły
mechanicznej. Wyróżniamy dwa rodzaje zestyków:

−−−−

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

−−−−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

Rys. 19. Symbole graficzne zestyków

Zestyki mogą być obciążane prądami:

−−−−

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

−−−−

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

−−−−

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

Łączniki pomocnicze

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

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

Przyciski służą do załączania lub wyłączania układów sterowania elementami

wykonawczymi.

Przełączniki ręczne służą w elektrycznych układach sterowania do załączania lub

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

Rys. 20. Mikrołącznik [9]

Przełączniki

zatrzaskowe

najczęściej

stanowią

elementy

stykowe

urządzeń

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

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

Łączniki robocze

Łączniki krzywkowe stosuje się w układach sterowania do przełączania obwodów oraz

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

Każdy łącznik krzywkowy składa się z komory gaszeniowej komory z mechanizmem

przerzutowym osi łącznika i pokrętła. Jego możliwości łączeniowe zależą od ilości komór
gaszeniowych oraz kształtu krzywek napędzających popychacze zwór. Położenie krzywek,
przymocowanych na stałe do osi łącznika, w komorach gaszeniowych zależne jest od
położenia pokrętła napędzającego oś. Komora z mechanizmem przerzutowym skonstruowana
jest w taki sposób, że pokrętło może się obrócić skokowo o ściśle określony kąt (30

0

, 45

0

, 60

0

czy 90

0

). W komorach tych istnieje również możliwość instalowania ograniczników kąta

obrotu tak, że pokrętło przyjmuje określoną ilość położeń.

Styczniki należą do grupy elektromagnetycznych elementów sterujących, które mają za

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

W każdym styczniku z napędem elektromagnetycznym (rys. 21) wyróżnia się następujące

elementy:

−−−−

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

−−−−

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

−−−−

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

−−−−

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

−−−−

sprężyny powrotne,

−−−−

obudowa.

Rys. 21. Budowa stycznika powietrznego [9]

Układ ruchomy stycznika stanowią: zwora elektromagnesu oraz zestaw z ruchomymi

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Oznaczenia końcówek stycznika roboczego przedstawiono na rys. 22.

Rys. 22. Oznaczenie końcówek stycznika roboczego

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

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

Rys. 23. Przekaźnik [5]

Przekaźniki czasowe, w układach sterowania realizują opóźnione załączenie, wyłączenie

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

Napi

ę

cie na cewce

Styk

zamkni

ę

ty

otwarty

Przeka

ź

nik ze zwłocznym zał

ą

czeniem

przeka

ź

nik ze zwłocznym wył

ą

czeniem

czas

czas

czas

czas

Napi

ę

cie na cewce

otwarty

zamkni

ę

ty

Styk

Rys. 24. Diagramy czasowe

Przekaźnik skokowy (impulsowy) jest elektromagnetycznym przełącznikiem dwu lub

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

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

Przekaźniki termobimetalowe w skrócie zwane termikami, są przeznaczone głównie do

zabezpieczania silników przed długotrwałym przepływem przez ich uzwojenia prądu
przeciążeniowego. Są one dołączane do styczników (każdy producent styczników produkuje
również przekaźniki termobimetalowe dostosowane do tych styczników).

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

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

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

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

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

napędzane

ręcznie

lub

maszynowo. Wyposażane są w rozmaite wyzwalacze:

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

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

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

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

prądu zwarciowego i przeciążeniowego.

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

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

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

5 – styki główne wyłącznika

1 – rdzeń elektromagnesu
2 – sprężyna
3 – zamek

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

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

zadziałania wyłącznika od krotności prądu znamionowego płynącego przez wyłącznik.

Odbiorniki elektryczne, które znajdują się w obwodzie elektrycznym zabezpieczanym

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

indukcyjne

(silniki,

transformatory,

cewki

sprzęgieł

i

hamulców

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

Wyłączniki różnicowoprądowe są stosowane jako zabezpieczenie w ochronie

przeciwporażeniowej, do samoczynnego wyłączenia obwodu w chwili wystąpienia
niebezpiecznego napięcia dotykowego grożącego porażeniem. Mogą posiadać, oprócz
wyzwalacza różnicowoprądowego, wyzwalacz termiczny i elektromagnetyczny. Jeżeli nie
posiadają tych wyzwalaczy, to każdy tor prądowy wyłącznika różnicowoprądowego musi być
zabezpieczony wyłącznikiem instalacyjnym. Zasadę działania wyłącznika z wyzwalaczem
różnicowoprądowym przedstawiono na rys. 27.

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

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

w

wyniku:

naciśnięcia

przycisku

(czerwony),

zadziałania

elementów

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

Ponieważ wyłącznik ten posiada wyzwalacz termobimetalowy i wyzwalacz nadprądowy

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

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

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

k

– przycisk kontrolny

R

d

– rezystor do wymuszania prądu różnicowego kontrolnego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

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

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

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

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

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

Rys. 29. Bezpiecznik instalacyjny gwintowy [3]

Rys. 30. Bezpiecznik przemysłowy szczękowy [3]

1 – główka

bezpiecznikowa

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

ograniczająca
wkrętowa

6 – gniazdo

bezpiecznikowe

1 – podstawa

bezpiecznikowa

2 – wkładka

topikowa

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

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

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

Działanie wkładki topikowej polega na przerwaniu obwodu prądowego w wyniku

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

Dobór łączników

Dobór łączników pomocniczych polega na określeniu znamionowego napięcia izolacji

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

Dobór styczników polega na określeniu znamionowego napięcia, znamionowego prądu

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

Dobór wyłączników polega na określeniu: znamionowego napięcia izolacji,

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

Dobór bezpieczników sprowadza się do określenia: napięcia znamionowego

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

czasowo-prądowej

bezpiecznika

z

charakterystyką

obciążenia

zabezpieczanego obiektu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1.

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

2.

Jakie znasz rodzaje łączników?

3.

Jakie znasz rodzaje zestyków i jakie są ich symbole graficzne?

4.

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

5.

Jakie wielkości charakteryzują łącznik?

6.

Z jakich elementów składa się łącznik?

7.

Jak zbudowany jest stycznik roboczy i jak oznaczamy jego styki?

8.

Czym różni się przekaźnik od stycznika roboczego?

9.

Jaką funkcję spełniają przekaźniki czasowe w układach sterowania elektrycznego?

10.

Jakie wyzwalacze stosuje się w wyłącznikach?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Podaj zastosowanie łączników.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

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

2)

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

3)

wymienić i opisać zastosowanie odpowiednich rodzajów łączników.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

karty katalogowe łączników różnych firm,

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 2

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

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

wyszukać w katalogach charakterystyki bezpieczników topikowych,

2)

przeanalizować charakterystyki bezpiecznika topikowego zwłocznego,

3)

odczytać i zapisać czas, po jakim nastąpi zadziałanie bezpiecznika.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

karty katalogowe bezpieczników topikowych,

−−−−

literatura.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

Ćwiczenie 3

Wyjaśnij zasadę działania wyłącznika różnicowoprądowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)

wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje o wyłączniku różnicowoprądowym,

2)

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

3)

zapisać informacje o zasadzie działania wyłącznika różnicowoprądowego.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura.

Ćwiczenie 4

Opisz budowę przekaźnika nadprądowego termobimetalowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

wyszukać w materiałach dydaktycznych informacje o przekaźniku nadprądowym
termobimetalowym,

2)

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

3)

zapisać informacje o budowie przekaźnika nadprądowego termobimetalowego.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−−−−

literatura.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

wymienić bloki funkcjonalne układów sterowania elektrycznego?

2)

wyjaśnić zasadę działania łączników, z uwzględnieniem ich
budowy?

3)

zinterpretować parametry i charakterystyki czasowo-prądowe
łączników?

4)

dobrać łączniki do określonych warunków?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

4.4.

Regulatory

4.4.1. Materiał nauczania

Jednym z podstawowych zadań układów lub systemów automatyki jest regulacja

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

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

komunikować się z drugimi (niezbędność wymiany informacji), rolę kontrolerów przejmą
urządzenia mikroprocesorowe: sterowniki lub regulatory cyfrowe. Do celów regulacji używa
są przeważnie urządzeń, których główną funkcją jest realizacja w określonej strukturze
i konfiguracji algorytmu regulacji. Nie oznacza to wcale, że takie urządzenie nie realizuje
funkcji logicznych. Wyposażone jest również w logikę funkcyjną, ale pomocną w realizacji
układów regulacji. Chociaż regulator w urządzeniu zbudowany jest w oparciu
o mikrokontroler, to używany może być w regulacji procesów ciągłych, np. w regulacji
temperatury, przepływu, prędkości, położenia itd., których zmiany są ciągłymi funkcjami
czasu. Zawdzięcza to wyposażeniu go w układy przetwarzające sygnały ciągłe na cyfrowe
i odwrotnie.

Regulatorem nazywa się urządzenie techniczne, służące do wytworzenia sygnału

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

Rys. 32.

Ogólny schemat blokowy regulatora cyfrowego [2]

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

(analogowo-cyfrowym) na sygnał cyfrowy e

d

. Sygnał ten jest następnie dynamicznie

formowany w cyfrowy sygnał sterujący x

d

. Z kolei sygnał x

d

zostaje przetworzony na sygnał

analogowy x

a

w przetworniku D/A, sterujący obiektem. Współcześnie produkowane

regulatory mają architekturę uniwersalną, umożliwiającą zastosowanie ich w różnorodnych
procesach i strukturach. Mogą być stosowane zarówno do regulacji ciągłej, jak też
dwustawnej, trójstawnej, trójstawnej z zewnętrznym lub wewnętrznym sprzężeniem
zwrotnym.

W układzie automatycznym regulator zastępuje operatora który w układzie sterowania

ręcznego pozwala kontrolować przebieg procesu.

Zadania regulatora:

−

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

−

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

−

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

Regulator jako urządzenie zawiera dodatkowo urządzenia do nastawiania wartości

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

W zależności od postaci sygnału wyjściowego rozróżniamy:

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

–

proporcjonalne P,

–

różniczkujące D,

–

proporcjonalno-całkowe PI,

–

proporcjonalno – całkowo – różniczkowe PID,

–

całkowite.

Regulator całkowy I

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

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

T

i

=ε*∆t/∆y,

ε

-odchyłka regulacji

ε

=x

0

-x,

x

0

-syg wyj zadany,

x-syg rzecz.

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

stała czasowa całkowania T

i

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

i

jest mniejsza a więc regulator szybciej działa.
Regulator proporcjonalny P

Parametrem charakteryzującym ten regulator jest zakres proporcjonalności x

p

który jest

odwrotnością wzmocnienia regulatora proporcjonalnego P. x

p

=1/K

p

. W układzie

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

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

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

i

zwana czasem zdwojenia.

Regulator różniczkujący D

Regulator ten jest członem różniczkującym.
Człon różniczkujący zwany też wyprzedzającym, wprowadza się w celu przyspieszenia

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

Regulator proporcjonalno-całkowo-różniczkujący PID

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

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

Parametry charakteryzujące PID:

−−−−

człon I char. Ti

−−−−

człon P char. K

p

– współczynnik wzmocnienia, x

p

– zakres proporcjonalności, x

p

=1/K

p

−−−−

człon D char. T

d

– czas wyprzedzenia

Nastawianie regulatorów

Wszystkie dotychczas omówione regulatory produkuje się jako uniwersalne tzn można je

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

–

zakres proporcjonalności x

p

x

p

=3÷500%

–

czas zdwojenia T

i

T

i

=3s÷75min

–

czas wyprzedzenia T

d

T

d

=0÷16min

Jeżeli na przykład zmieniając wartości jednego z tych parametrów wpływamy

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

i

otrzymamy regulator

o wartościach zbliżonych do PD.

– charakterystyka skokowa członu
proporcjonalnego

–

charakterystyka skokowa członu całkującego,

gdzie

T

/

1

=

α

– charakterystyka skokowa członu proporcjonalno-całkującego

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

Człon PI opisany jest wzorem:













+

⋅

=

∫

t

d

u

T

t

u

k

t

y

0

)

(

1

)

(

)

(

τ

τ

, gdzie T – jest nazywane

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

T

1

=

α

.

Dla obiektów charakteryzujących się właściwościami inercyjnymi pierwszego lub

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

Rys. 33.

Regulacja obiektów statycznych [10]

Dla obiektów charakteryzujących się właściwościami całkującymi, zawierającymi co

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

Przykładem układu regulacji nadążnej niech będzie układ regulacji położenia pisaka

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

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

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

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

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jaką rolę pełni regulator?

2.

Jak zorganizowana jest struktura funkcjonalna regulatora?

3.

Proszę podać interpretację składowych algorytmu PID.

4.

Na czym polega sterowanie przyrostowe?

5.

Kiedy stosowana jest realizacja algorytmu w postaci PD-PI?

6.

Co to jest czas regulacji i przeregulowanie?

7.

Jakiego typu regulatory stosuje się do regulacji obiektów statycznych?

4.4.3.

Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapoznać się z opisem regulatora wskazanego przez prowadzącego,

2)

opisać i narysować bloki algorytmiczne regulatora,

3)

poznać możliwości modułów wejściowych i wyjściowych regulatora.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,

–

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

Ćwiczenie 2

Zapoznaj się ze strukturą funkcjonalną regulatora.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

poznać podstawowe bloki funkcyjne regulatora wskazanego przez prowadzącego,

2)

poznać metodę konfiguracji regulatora i parametryzacji wskazanych bloków.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego regulatora cyfrowego,

–

regulator z odpowiednimi dla niego tablicami konfiguracyjnymi,

– literatura z rozdziału 6.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

scharakteryzować typy wejść i wyjść regulatorów cyfrowych?

2)

opisać strukturę funkcjonalną regulatora cyfrowego?

3)

rozróżnić typy regulatorów?

4)

wykonać prosty algorytm sterowania?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

4.5.

Sterowniki programowalne PLC

4.5.1. Materiał nauczania

Sterowniki programowalne PLC (Programmable Logic Controllers) są komputerami

przemysłowymi, które pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego:

−

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

–

transmitują dane za pomocą modułów i łącz komunikacyjnych,

−

wykonują

programy

aplikacyjne

na

podstawie

przyjętych

parametrów

i uzyskanych danych o sterowanym procesie lub maszynie,

−

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

−

realizują funkcje diagnostyki programowej i sprzętowej.

Wartości pomiarów zmiennych procesowych są wejściami sterownika, zaś obliczone

zmienne sterujące stanowią wyjścia sterownika.

Głównym zadaniem sterownika jest więc reagowanie na zmiany wejść oraz obliczanie

wyjść według zaprogramowanych reguł sterowania lub regulacji. Reakcja ta może być zależna
od wyników operacji arytmetyczno-logicznych wykonanych dla aktualnych wartości wejść
sterownika, jego zmiennych wewnętrznych oraz od zaprogramowanych warunków
czasowych. Może ona także zależeć od operacji wykonanych na danych transmitowanych
w sieciach łączących wiele elementów pomiarowych, sterowników, regulatorów, czy też
komputerów.

Ze względu na architekturę sterowniki PLC dzieli się na:

–

kompaktowe,

–

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

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

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

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

–

Zasilanie – 24VDC

–

Liczba wejść cyfrowych 24 VDC – 12

–

Liczba wejść analogowych 0-10VDC – 2

–

Liczba wyjść tranzystorowych 24VDC – 8

–

Dostępnych linii programu – 121

–

Elementów w linii programu – 4

Rys. 36. Wygląd sterownika serii EASY [5]

W przypadku złożonych zadań sterowania o głębokości przetwarzania powyżej 100

DI/DO najczęściej wykorzystuje się sterowniki o budowie modułowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

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

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

moduły wejść i wyjść dwustanowych DI, DO;

–

moduły wejść i wyjść analogowych AI, AO;

–

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

−

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

–

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

–

moduł komunikacyjny sieci sterownikowych do połączenia sterowników w sieci lokalnej;

–

moduł kontrolera sieci do zapewnienia dodatkowych funkcji kontrolnych sieci;

–

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

–

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

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

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

Charakterystyka S7-400

–

max. liczba I/O cyfrowych: 131056/131056

–

max. liczba I/O analogowych: 8192/8192

–

max. pamięć programu: 4 Mbytes

–

komunikacja: MPI, PROFIBUS, Ethernet

–

bardzo krótki czas wykonania instrukcji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

46

–

konstrukcja bez wentylatora

–

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

–

możliwość pracy wieloprocesorowej

–

interfejsy do systemów IT i sieci WWW

Zasada działania sterowników PLC

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

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

.

W cyklu wykonywane są następujące
działania:
1.

Inicjacja cyklu.

2.

Czytanie sygnałów wejściowych.

3.

Wykonanie programu użytkownika.

4.

Aktualizacja sygnałów wyjściowych.

5.

Transmisja danych.

6.

Komunikacja systemowa.

7.

Wykonanie funkcji diagnostycznych.

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

Konstrukcja mechaniczna

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

47

Schemat blokowy sterownika PLC

Sterownik PLC zawiera (rys. 39):

–

jednostkę centralną – procesor (CPU),

–

pamięć programu,

–

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

dostępną pamięć systemu na trzy klasy:

Pamięć danych użytkownika – dla zmiennych danych, które podlegają modyfikacji

w trakcie wykonywania programu.

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

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

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

–

parametry portów komunikacyjnych PLC;

–

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

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

układ logiczny drabinkowy przeznaczony do zastosowań standardowych;

–

układ logicznego podprogramu.

Rys. 39. Struktura zespołów funkcjonalnych sterownika [7]

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

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

System operacyjny znajdujący się w pamięci Flash stanowi zbiór programów

nadzorczych, które określają tożsamość sterownika PLC poprzez:
–

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

–

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

–

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

48

–

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

–

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

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

Operandy CPU:

–

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

–

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

–

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

–

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

–

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

Rys. 40.

Schemat podłączeń wejść [10]

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

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

Dla izolacji potencjałowej obwodów wejściowych i magistrali sterownika stosowane są

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

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

49

Rys. 41. Schemat podłączeń wyjść [10]

Stan poszczególnych wyjść modułu określa demultiplekser sterowany przez CPU

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

Podstawowe funkcje sterownikowe
Funkcje logiczne

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

–

FBD (Function Block Diagram) – język schematów blokowych;

–

LD (Ladder Diagram) – język schematów drabinkowych;

–

IL (Instruction List) –język list instrukcji.

Rys. 42.

Podstawowe operacje logiczne w zapisie symbolicznym [10]

Przerzutniki SR i RS

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

50

Rys. 43.

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

Operacje wprowadzania i przekazania

Operator wprowadzania umożliwia przepływ informacji z pamięci do akumulatora

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

Rys.44.

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

Detekcja zbocza sygnału

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

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

Rys. 45.

Elementy detekcji zbocza sygnału [10]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

51

Czasomierze

Zależności czasowe (rys. 46) można programować za pomocą następujących operatorów:

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

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

Czasomierz zostaje uruchomiony po zmianie wyniku operacji logicznej poprzedzającej

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

Funkcje liczące, nazywane w technice sterownikowej licznikami, umożliwiają liczenie

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

Rys. 47. Licznik – funkcje [10]

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

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

52

Rys. 48. Diagram pracy licznika [10]

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

Rys. 49.

Zapamiętanie wartości liczbowej [10]

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

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

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1.

Jakie główne zadania realizuje sterownik?

2.

Jakie działania cyklicznie wykonuje sterownik?

3.

Jakie podstawowe moduły zawiera sterownik?

4.

Co zawiera pamięć systemowa CPU sterownika?

5.

Do czego służy moduł szybkich liczników sterownika?

6.

Do jakich trybów pracy skonfigurować można sterownik?

7.

Jakie układy elektroniczne zawiera moduł wejściowy?

8.

Jak realizowane są funkcje przekaźnikowe w sterowniku?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

53

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

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

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

zapoznać się z opisem sterownika wskazanego przez prowadzącego,

2)

narysować schemat budowy i działania sterownika,

3)

przeanalizować możliwości modułów wejściowych i wyjściowych sterownika.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,

–

literatura zgodnie z punktem 6.

Ćwiczenie 2

Zapoznaj się ze strukturą funkcjonalną sterownika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)

poznać podstawowe bloki funkcyjne sterownika wskazanego przez prowadzącego,

2)

poznać metodę parametryzacji czasomierzy i liczników sterownika.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna wskazanego sterownika,

–

komputer PC, z odpowiednim dla sterownika oprogramowaniem.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1)

określić przeznaczenie podstawowych modułów sterownika?

2)

wyjaśnić zasadę działania sterowników PLC?

3)

scharakteryzować realizację operacji wprowadzania i przekazywania
danych?

4)

rozróżnić i realizować operacje czasowe procesu z użyciem
sterownika?

5)

rozróżniać i realizować operacje licznikowe sterownika?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

54

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.

Przeczytaj uważnie instrukcję.

2.

Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

3.

Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

4.

Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.

5.

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

6.

Test zawiera zadania z poziomu podstawowego oraz ponadpodstawowego i te mogą
przysporzyć Ci trudności, gdyż są one na poziomie wyższym niż pozostałe.

−

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

−

zadania 5, 19, 20, są poziomu ponadpodstawowego.

7.

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

8.

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

9.

Na rozwiązanie testu masz 60 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

55

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Na rysunku przedstawiono symbol czujnika

a)

optycznego.

b)

kontaktronowego.

c) indukcyjnego.
d) pojemnościowego.

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

działania przeszkody wykonanej
a)

ze szkła.

b)

z porcelany.

c)

z metalu.

d) z gumy.

3. Zjawisko gaszenia łuku nie występuje w

a)

bezpiecznikach.

b)

odłącznikach.

c)

rozłącznikach.

d)

wyłącznikach.

4. Rozruchu silnika klatkowego nie przeprowadzimy za pomocą

a)

autotransformatora.

b)

przełącznika gwiazda – trójkąt.

c)

przeciwwłączenia.

d)

włączenia rezystancji.

5.

Rysunek przedstawia charakterystyki mechaniczne

ω

m

= f(M) czterech silników

elektrycznych. Silnikowi szeregowemu prądu stałego odpowiada charakterystyka
oznaczona numerem

a)

1.

b)

2.

c)

3.

d)

4.

6. Maszyna zamieniająca energię mechaniczną na energię elektryczną to

a)

twornik.

b)

prądnica.

c)

magneśnica.

d)

silnik elektryczny.

7. Transformator jest to urządzenie służące do

a)

podwyższania lub obniżania napięcia.

b)

zamiany prądu przemiennego na prąd stały.

c)

wytwarzania siły elektromotorycznej.

d)

wytwarzania siły elektrodynamicznej.

ω

m

ω

mN

M

N

M

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

56

8. Silnik elektryczny służy do

a)

wytwarzania siły elektrodynamicznej.

b)

wytwarzania siły elektromotorycznej.

c)

zmiany napięcia.

d)

zmiany natężenia prądu.

9. Do silników prądu stałego nie należy:

a)

silnik szeregowy.

b)

silnik bocznikowy.

c)

silnik klatkowy.

d)

silnik z magnesami trwałymi.

10. Do silników prądu przemiennego nie należy

a)

silnik szeregowo-bocznikowy.

b)

silnik pierścieniowy indukcyjny.

c)

silnik klatkowy.

d)

silnik komutatorowy.

11. Normalny stan pracy transformatora to stan

a)

wzbudzenia.

b)

jałowy.

c)

obciążenia.

d)

zwarcia.

12. W urządzeniach rozruchowych trójfazowych silników klatkowych używane są

a)

transformatory bezpieczeństwa.

b)

autotransformatory.

c)

przekładniki prądowe.

d)

przekładniki napięciowe.

13. Podstawą fizyczną działania prądnicy jest

a)

indukcja elektromagnetyczna.

b)

indukcja magnetyczna.

c)

samoindukcja.

d)

indukcja wzajemna.

14. Typ silnika podany na tabliczce znamionowej określa

a)

zasadę działania silnika.

b)

moc znamionową silnika.

c)

napięcie znamionowe silnika

d)

moment znamionowy.

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

o obudowie
a)

otwartej.

b)

chronionej.

c)

zamkniętej.

d)

głębinowej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

57

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

jego uzwojenia to
a)

zwarcie międzyfazowe.

b)

przeciążenie.

c)

zwarcie doziemne.

d)

zwarcie międzyzwojowe.

17. Do ochrony silnika przed zwarciem stosuje się

a)

styczniki.

b)

wyzwalacze termobimetalowe.

c)

przekaźniki cieplne.

d)

wyłączniki nadmiarowo-prądowe.

18. Potencjometr służy jako przetwornik

a)

temperatury.

b)

ciśnienia.

c)

położenia.

d)

siły.

19. W skład mikrosterownika nie wchodzi

a)

procesor.

b)

wyłącznik nadprądowy.

c)

pamięć.

d)

przetwornik.

20. Układem regulacji jest

a)

układ, w którym występuje urządzenie sterujące.

b)

układ sterowania programowego.

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

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

58

KARTA ODPOWIEDZI

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

Stosowanie układów sterowania i regulacji

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr

zadania

Odpowiedź

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 środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

59

6. LITERATURA

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

Instalacje elektryczne i elektronika przemysłowa. WSiP, Warszawa 1998

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

firm

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

Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 1998.

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

nieelektrycznych. WSiP, Warszawa 1999

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

technologicznych. Wydawnictwo PWN, Warszawa 1990

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