UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY
W BYDGOSZCZY
WYDZIAŁ MECHANICZNY
LABORATORIUM Z ELEKTROTECHNIKI
Układy automatyki napadu elektrycznego można podzielić na dwa zasadnicze rodzaje: automatycznego sterowania i automatycznej regulacji. Przedmiotem ćwiczeń będą układy automatycznego sterowania (UAS). Każdy z tych układów składa się z kilku, połączonych członów, które można przedstawić na schemacie blokowym (rys. 1). Człony te odpowiadają funkcjom spełnianym w rzeczywistym układzie. Na rys. 1 pokazano schemat blokowy układu automatycznego sterowania (UAS), Strzałki wskazują wskakują kierunek przepływu sygnału.
Rys. 1.
W układzie tym rozkaz przychodzący z zewnątrz powoduje uruchomienie układu samoczynnie sterującego obiektem. Efekt pracy układu nie ma jednak wpływu na zmianę rozkazu. Ze względu na brak oddziaływania zwrotnego z wyjścia na wejście; UAS zwane są inaczej układami otwartymi. Układy automatycznego sterowania znalazły olbrzymie zastosowanie we wszystkich gałęziach przemysłu. Wykorzystuje się je do realizacji takich czynności jak: rozruch, hamowanie i nawrót silnika elektrycznego, sterowanie napędem wielosilnikowym w obrabiarkach, urządzeniach dźwigowych itp. Elementy UAS w zależności od ich przeznaczenia i działania można podzielić na następujące grupy: aparaty przełączające prąd roboczy w obwodach głównych silnika (styczniki), przekaźniki, łączniki sterownicze oraz urządzenia sygnalizacyjne.
Stycznik elektromagnetyczny
Stycznik elektromagnetyczny jest łącznikiem roboczym sterowanym elektrycznie, przeznaczonym do częstych łączeń obwodów elektrycznych normalnych warunkach pracy. Stycznik elektromagnetyczny składa się z elektromagnesu przyciągającego ruchomą zworę i utrzymującego ją w położeniu zamkniętym, zespołu styków głównych (roboczych) i zespołu styków pomocniczych.
Styki główne są zazwyczaj otwarte, a styki pomocnicze muszą być normalnie otwarte i normalnie zamknięte.
Styki normalnie otwarte są to takie styki, które w stanie beznapięciowym stycznika są otwarte, a styki normalnie zamknięte to takie styki, które w stanie beznapięciowym stycznika są zamknięte. Gdy przez cewkę stycznika płynie prąd styki główne zamykają się, zaś styki normalnie otwarte zamykają się, a normalnie zamknięte otwierają się. Otwieranie styków głównych następuje po przerwaniu obwodu zasilającego elektromagnes, czyli obwodu sterującego, wskutek działania ciężaru zwory i siły sprężyny. Na rys. 2 pokazany jest układ połączeń stycznika przeznaczonego do załączania i wyłączania silnika klatkowego za pomocą przycisków sterowniczych.
Rys. 2.
Naciśnięcie przycisku załączającego Z spowoduje zamknięcie obwodu A B C D E F cewki elektromagnesu, która przyciąga zworę i związane z nią sztywno styki ruchome, wobec czego styki główne zostaną zamknięte, styki normalnie otwarte – zamknięte, zaś styki normalnie zamknięte – otwarte, w tym układzie sterowane urządzenie elektryczne, np. silnik indukcyjny M, rozpoczyna pracę.
Pomimo zwolnienia nacisku na przycisk włączający Z przez cewkę elektromagnesu nadal płynie prąd, gdyż zamknięte styki zapewniają zamknięcie obwodu sterującego.
Aby rozewrzeć styki główne należy przycisnąć przycisk włączający , co spowoduje przerwanie obwodu cewki elektrycznej (obwodu sterującego) i odpadnięcie zwory od rdzenia. Jednocześnie z otwarciem styków głównych otwierają się styki pomocnicze normalnie zamknięte .
Ponowne włączenie urządzenia jest możliwe tylko przy powtórnym naciśnięciu przycisku sterowniczego włączającego .
Charakterystyczną własnością styczników elektromagnetycznych jest ich charakterystyka prądowo napięciowa, przedstawiona na Rys. 3.
Rys. 3.
Z charakterystyki prądowo-napięciowej wynika, że prąd w obwodzie sterującym stycznika przed przyciągnięciem zwory ma znacznie większą wartość niż prąd trzymania zwory . Zjawisko to tłumaczy się tym, że przy niewielkim napięciu na cewce elektromagnesu zwora jest znacznie oddalona od rdzenia i wskutek tego reaktancja indukcyjna cewki jest niewielka.
Po zbliżeniu zwory do rdzenia i zmniejszeniu szczeliny powietrznej do minimum, strumień magnetyczny wytworzony przez elektromagnes, zamyka się prawie całkowicie przez, rdzeń stalowy, co powoduje zwiększenie, w stosunku do poprzedniego stanu, reaktancji indukcyjnej cewki, a tym samym i zmniejszenie wartości prądu pobieranego przez cewkę stycznika.
Na rys. 4 pokazano charakterystykę sterowania stycznika, tzn. zależność sygnału wyjściowego (stanu zestyków) w funkcji sygnału wejściowego (napięcia przyłożonego do cewki). Przy zwiększaniu napięcia cewki od zera do (napięcia przyciągania zwory), wartość parametru . Dla stycznik zadziała i parametr zmienia się skokowo do wartości .
Przy dalszym zwiększaniu napięcia od wartości znamionowej parametr pozostaje stały. Zmieniając napięcie od do (napięcie odpadania zwory) - wartość parametru nie ulega zmianie. Dopiero przy wartości napięcia stycznik otwiera swoje zestyki tzn. parametr Y skokowo maleje do .
Rys. 4.
Stosunek nazywa się współczynnikiem powrotu, natomiast stosunek sygnałów do - współczynnikiem zapasu. Dla aktualnie produkowanych styczników współczynnik powrotu wynosi około 0,5; natomiast współczynnik zapasu około 1,2. Styczniki charakteryzują się dużą częstotliwością łączeń do 2000 łączeń na godz. Możliwe to jest dzięki zastosowaniu urządzeń do gaszenia łuku i wprowadzeniu samoczyszczących się styków, które ślizgają się po sobie i toczą.
Przekaźnik
Przekaźnik jest aparatem, który pod wpływem działającej na niego zmiany wielkości fizycznej steruje obwodami elektrycznymi. Ze względu na parametr wpływający na działanie, rozróżnia się przekaźniki: napięciowe, prądowe, czasowe, termiczne, kierunkowe (kierunek). W praktyce najczęściej wykorzystuje się przekaźniki pośredniczącej (napięciowe), czasowe i termiczne.
Przekaźniki termiczne przeznaczone są do zabezpieczeń przed skutkami przeciążeń silników elektrycznych (przy współpracy ze stycznikami). Działanie ich oparte jest o wykorzystanie własności termobimetali. Pasek bimetalowy w przekaźniku nagrzewany jest prądem płynącym bądź bezpośrednio w pasku, bądź też w grzejniku nawiniętym wokół bimetalu. Gdy natężenie prądu przekroczy pewną wartość pasek bimetaliczny nagrzewa się do takiej temperatury, że jego wygięcie powoduje rozwarcie zestyków łącznika i przerwanie obwodu cewki współpracującego z przekaźnikiem stycznika. Nastawienie prądów zadziałania zabezpieczeń termicznych uzyskuje się poprzez zmianę długości drogi, jaką winien przebyć odchylający się koniec: płytki bimetalowej do chwili zadziałania. Wartość natężenia prądu, jaki nastawia się na przekaźniku, zależy od prądu znamionowego silnika i powinna zawierać się w granicach:
gdzie:
- prąd znamionowy silnika.
Przekaźniki termiczne wykonywane są w pewnych przedziałach prądowych i często bywają, montowane razem ze stycznikiem.
Przekaźniki czasowe dokonują przełączeń swych zestyków z pewnym opóźnieniem od chwili pojawienia się lub zniknięcia sygnału sterującego na jego zaciskach. Mają one zastosowanie w tych układach sterowania, w których występuje zależność czasowa między działaniem poszczególnych elementów. W praktyce najczęściej stosuje, się przekaźniki synchroniczne lub elektromechaniczne.
Przekaźniki czasowe synchroniczne składaj się z miniaturowego silnika synchronicznego, przekładni zębatej, elektromagnesu, zespołu zestyków oraz części nastawczych czasu zadziałania. Schemat takiego przekaźnika typu RS-521 pokazany jest na Rys. 5.
Rys. 5.
Jego działanie rozpoczynał się w chwili załączenia zacisków 1-2 napięcia wzbudzenia, uruchomiony zostaje silnik M oraz wzbudzona cewka elektromagnesu. Po upływie nastawionego na podziałce czasu, następuje przełączenie zestyków zwłocznych (5-6-7). Powrót przekaźnika do położenia wyjściowego następuje z chwilą przerwania obwodu wzbudzenia. Przyciski sterownicze rys. 6. służą do zamykania i otwierania obwodów sterowniczych. Używa się ich do sterowania stycznikami. Mogą być pojedyncze, podwójne lub potrójne.
Rys. 6.
Zasada działania automatycznego sterowania silnika indukcyjnego klatkowego przy rozruchu za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt.
Jednym za sposobów, rozruchu silnika indukcyjnego klatkowego jest rozruch za pomocą przełącznika: gwiazda-trójkąt. Przełączanie tego przełącznika może odbywać się ręcznie lub automatycznie, a na rys. 9 jest przedstawiony schemat montażowy układu automatycznego przełącznika gwiazda-trójkąt, a rys. 10 rozwinięty schemat ideowy tego układu.
Zasada działania automatycznego przełącznika gwiazda-trójkąt jest następująca: po naciśnięciu przycisku załączającego Z stycznik 1S łączy uzwojenie stojana silnika indukcyjnego klatkowego w gwiazdę, a następnie włącza za pomocą stycznika 2S silnik do sieci – silnik zaczyna się kręcić. Jednocześnie zostaje uruchomiony przekaźnik czasowy PC, który odmierza nastawiony czas. Czas pracy przy połączeniu silnika indukcyjnego w gwiazdę powinien być wcześnie ustalony. Po odmierzeniu nastawionego czasu, przekaźnik czasowy PC przełącza samoczynnie, przy pomocy stycznika 3S, uzwojenie silnika z gwiazdy w trójkąt.
Kolejność włączania się poszczególnych obwodów tego układu jest następująca: po naciśnięciu przycisku załączającego Z prąd przepływa przez styki 3S1 i PC1 do cewki stycznika 1S. Zwora stycznika zostaje wciągnięta, zamykają się styki główne 1S3 i uzwojenie stojana silnika zostaje, połączone w gwiazdę. Jednocześnie zamykają się styki 1S2. Przez styki 1S2 zostaje doprowadzona napięcia do cewki stycznika sieciowego 2S i do przekaźnika czasowego PC. Stycznik 2S działając zamyka swoje, styki główne 2S3 i silnik rusza przy połączeniu uzwojenia stojana w gwiazdę oraz przez zamknięcie swoich styków normalnie otwartych 2S2 doprowadza napięcie do cewek styczników 1S i 2S oraz do przekaźnika czasowego PC, niezależnie od położenia przycisku załączającego Z. Od tej chwili można zwolnić nacisk na przycisk załączający Z. Wszystkie te czynności trwają bardzo krótko. Jednocześnie przekaźnik czasowy PC odmierza czas. Po odmierzeniu nastawionego czasu przekaźnik czasowy otwiera swoje styki PC1 i przerywa obwód stycznika 1S. Stycznik ten rozwiera swoje styki główne 1S3, zamyka swoje styki pomocnicze normalnie zamknięte 1S1, przez co doprowadza napięcie na cewkę stycznika 3S. Uzwojenie stojana silnika zostaje przełączone w trójkąt i silnik dalej pracuje normalnie. Aby uniemożliwić błędne włączenie zastosowano pomocnicze styki blokujące 1S1 i 3S1. Stycznik 1S włączając uzwojenia stojana silnika w gwiazdę otwiera jednocześnie styki 1S1. Analogicznie stycznik 3S łącząc uzwojenie w trójkąt otwiera styki 3S1. Z tego wynika, że zmiana kolejności połączenia uzwojenia stojana silnika (np. najpierw trójkąt a potem gwiazda) lub jednoczesne włączenie silnika do sieci przy obydwu połączeniach jest dzięki tej blokadzie niemożliwe.
Włączenie silnika następuje po naciśnięciu przycisku wyłączającego.
Układ nawrotny sterowania silnika indukcyjn...
wimutp