60

7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji
Page 2: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ

Anna Niczyporuk

Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji 714[03].L2.02

Poradnik dla ucznia

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2006

Page 3: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci: mgr inż. Tadeusz Ługowski mgr Romuald Mazur Opracowanie redakcyjne: mgr inż. Anna Niczyporuk Konsultacja: mgr Zenon W. Pietkiewicz Korekta:

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 714[03].L2.02 Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji zawartego w modułowym programie nauczania dla zawodu lakiernik. Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006

Page 4: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„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. Prąd elektryczny 7 4.1.1. Materiał nauczania 7 4.1.5. Pytania sprawdzające 18 4.1.6. Ćwiczenia 18 4.1.7. Sprawdzian postępów 22

4.2. Elementy elektroenergetyki. Maszyny elektryczne 23 4.2.1. Materiał nauczania 23 4.2.2. Pytania sprawdzające 36 4.2.3. Ćwiczenia 36 4.2.4. Sprawdzian postępów 39

4.3. Elementy elektroniki i automatyki 40 4.3.1. Materiał nauczania 40 4.3.2. Pytania sprawdzające 50 4.3.3. Ćwiczenia 50 4.3.4. Sprawdzian postępów 52

5. Sprawdzian osiągnięć 53 6. Literatura 58

Page 5: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoże Ci w przyswojeniu wiedzy z zakresu układów sterowania i regulacji. Przygotuje Cię do bezpiecznej pracy z urządzeniami elektrycznymi. Udoskonali Twoje umiejętności rozróżniania podstawowych przyrządów pomiarowych, napędów pneumatycznych i hydraulicznych, oraz pozwoli na zaplanowanie i przeprowadzenie pomiarów parametrów układów energoelektronicznych.

W poradniku zamieszczono: − wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych wiadomości i umiejętności, które

powinieneś mieć opanowane, aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej, − cele kształcenia, czyli wykaz umiejętności jakie ukształtujesz podczas pracy z tym

poradnikiem, − materiał nauczania (rozdział 4), czyli wiadomości dotyczące prądu elektrycznego, maszyn

elektrycznych, elementów elektroniki i automatyki, − sprawdzian osiągnięć zawierający zestaw zadań sprawdzających opanowanie wiadomości

i umiejętności z zakresu całej jednostki, − literaturę, którą możesz wykorzystać do poszerzenia wiedzy na interesujące Cię

zagadnienia związane z tematem jednostki.

Jeśli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub instruktora o wyjaśnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz daną czynność.

Jednostka składa się z trzech części tematycznych, w których dowiesz się jakie są źródła energii elektrycznej, sposoby łączenie rezystorów i kondensatorów. Poznasz oznaczenia umieszczane na elektrycznych przyrządach pomiarowych, poszerzysz swoją wiedzę na temat oświetlenia elektrycznego, sposobu przyłączania odbiorników do układów trójfazowych. Dowiesz się jak działają piece przemysłowe, maszyny elektryczne. Spróbujesz samodzielnie wykonać pomiary różnych parametrów urządzeń elektronicznych i elektrycznych. Poznasz podstawowe elementy półprzewodnikowe.

Po zapoznaniu się z materiałem nauczania i wykonaniu wszystkich ćwiczeń zawartych w danej części rozdziału 4, spróbuj rozwiązać test „Sprawdzian postępów”, zamieszczony po ćwiczeniach. Pomoże Ci to w określeniu poziomu zdobytych wiadomości i umiejętności. W tym celu przeczytaj pytania i odpowiedz TAK lub NIE. Odpowiedzi NIE wskazują na luki w Twojej wiedzy. Oznacza to, że powinieneś powrócić do treści, które nie zostały dostatecznie opanowane.

W czasie pobytu w pracowni musisz przestrzegać regulaminów, przepisów bhp i higieny pracy oraz instrukcji przeciwpożarowych, wynikających z rodzaju wykonywanych prac.

Page 6: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

Schemat układu jednostek modułowych

714[03].L2 Techniczne podstawy

lakiernictwa

714[03].L2.01 Posługiwanie się dokumentacją

techniczną

714[03].L2.02 Posługiwanie się

podstawowymi pojęciami z zakresu układów

sterowania i regulacji

714[03].L2.03 Stosowanie technologii

informacyjnej

714[03].L2.04 Wykonywanie pomiarów

warsztatowych

714[03].L2.05 Eksploatowanie maszyn

i urządzeń

714[03].L2.06 Stosowanie technologii

mechanicznych

Page 7: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu 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 książek, katalogów, podręczników, Polskich Norm i innych źródeł informacji, − obliczać podstawowe wielkości elektryczne w obwodzie prądu stałego, − dobierać i obsługiwać przyrządy pomiarowe, − objaśniać podstawowe prawa dla obwodu elektrycznego, − rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki, − objaśniać zasadę działania transformatora, − stosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy podczas pomiarów elektrycznych, − współpracować w grupie, − planować działania związane z przeprowadzaniem pomiarów elektrycznych, − łączyć układy pomiarowe na podstawie schematów ideowych i montażowych, − zorganizować stanowisko pracy zgodnie z przepisami bhp, − czytać proste schematy elektryczne.

Page 8: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: − opisać, podstawowe wielkości charakteryzujące energię elektryczną, − rozróżnić materiały przewodzące, półprzewodzące (półprzewodniki), izolacyjne,

magnetyczne, konstrukcyjne oraz wskazać ich zastosowanie, − wyjaśnić zjawisko powstawania prądu elektrycznego, − rozróżnić źródła i rodzaje prądu elektrycznego, − rozróżnić podstawowe elementy obwodu elektrycznego, − rozróżnić typowe rodzaje maszyn elektrycznych, − rozróżnić podstawowe przyrządy pomiarowe, ich symbole i oznaczenia, − odczytać wskazania przyrządów pomiarowych, − włączyć przyrządy pomiarowe w obwód elektryczny, − zmierzyć napięcie, natężenie prądu, moc i rezystancję, − rozróżnić napędy hydrauliczne i pneumatyczne, − odczytać schematy prostych układów elektrycznych, elektronicznych i automatyki, − przewidzieć zagrożenia podczas pracy urządzeń elektrycznych, − udzielić pierwszej pomocy osobie porażonej prądem elektrycznym, − wykorzystać literaturę techniczną, − skorzystać z PN, − rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne i automatyki.

Page 9: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Prąd elektryczny 4.1.1. Materiał nauczania

Prądem elektrycznym nazywamy stosunek ładunku elektrycznego Q przepływającego przez przewodnik w czasie t do tego czasu, czyli

tQi =

Prąd ten nazywamy prądem stałym i oznaczamy dużą literą I w odróżnieniu od prądu zmieniającego się w czasie, który oznaczamy małą literą i. Natężenie prądu stałego jest równe liczbowo ilości ładunku elektrycznego przepływającego w czasie t = 1s. Jednostką natężenia prądu jest 1 amper (1 A). Jeżeli prąd elektryczny w czasie nie ulega zmianie, to prąd taki nazywamy prądem stałym, jeżeli prąd w funkcji czasu zmienia swoją wartość - to jest to prąd zmienny. Zjawiska elektryczne, w tym także prąd elektryczny, są ściśle związane z właściwościami elektrycznymi ciał, zależnymi od struktury materii.

Wyróżniamy: − przewodniki pierwszego rodzaju (metale np. miedź, aluminium, srebro; stopy metali

np. mosiądz), − przewodniki drugiego rodzaju (elektrolity m.in. roztwory wodne kwasów, zasad i soli,

np. kwasu siarkowego, wodorotlenku sodu, siarczanu miedzi), − półprzewodniki (pierwiastki, których atomy mają na zewnętrznej orbicie 4 elektrony

np. german, krzem, związki pierwiastków III i V grupy oraz II i VI grupy np. arsenek galu, antymonek indu),

− dielektryki (gazy, ciecze, ciała stałe o słabym przewodnictwie elektrycznym np. mika, kwarc, porcelana, teflon, żywica epoksydowa, polietylen, włókna szklane).

Za kryterium podziału materiałów na przewodniki, półprzewodniki i dielektryki przyjmuje się umownie wartości graniczne rezystywności w temperaturze T=300K. Przewodnikami są materiały o rezystywności mniejszej niż 10-4 Ω m, dielektrykami zaś te, które mają rezystywność większą niż 107 Ω m. Materiały o rezystywności pośredniej, to jest: 10-4 ÷ 107 Ω m nazywa się półprzewodnikami. Przewodniki pierwszego rodzaju są wykorzystywane w elektrotechnice do budowy części np. maszyn, przewodów, odbiorników. Przewodniki drugiego rodzaju (elektrolity) stosowane są w akumulatorach i urządzeniach galwanizerskich. Dielektryki są stosowane głównie w budowie kondensatorów i elementów izolacyjnych, a także obwodów drukowanych, przewodów i kabli elektrycznych. Półprzewodniki znalazły szeroki zakres zastosowań w elektronice.

Właściwości magnetyczne materiałów Materiały z punktu widzenia właściwości magnetycznych dzielimy na materiały:

− diamagnetyczne (µr<1 np. woda, kwarc, srebro, bizmut, miedź), − paramagnetyczne (µr>1 np. platyna, aluminium, powietrze), − ferromagnetyczne (µr>>1 np. żelazo, kobalt, nikiel i ich stopy) Podać definicje µr - przenikalność magnetyczna względna

Page 10: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Materiałami magnetycznymi są przede wszystkim stopy metaliczne zawierające jako jeden z głównych składników stopowych pierwiastki żelaza, kobaltu, niklu np. stal krzemowa, permaloj, sendust. Znalazły one zastosowanie jako magnetowody w induktorach, transformatorach, głowicach, silnikach elektrycznych, a także jako ekrany magnetyczne. Są wykorzystywane również w radioelektronice, telekomunikacji i technice komputerowej. Źródła energii elektrycznej

Energię elektryczną można otrzymać przez przemianę innych rodzajów energii. Do najstarszych źródeł energii elektrycznej należą źródła elektrochemiczne, w których następuje przemiana energii chemicznej w energię elektryczną. Rozróżniamy dwa rodzaje elektrochemicznych źródeł energii: ogniwa i akumulatory. Ogniwa galwaniczne i tworzone z nich baterie należą do źródeł nieodwracalnych. Pobranie z ogniwa zmagazynowanej w nim energii powoduje bezpowrotne zużycie ogniwa. Natomiast akumulatory po wyładowaniu można z powrotem naładować, przepuszczając przez nie prąd elektryczny. Procesy ładowania (dostarczania energii) i rozładowania (pobierania energii) dają się przy prawidłowej eksploatacji cyklicznie powtarzać, co sprawia, że akumulator może pracować przez dłuższy czas. Akumulatory stanowią źródła odwracalne. Na schematach oznacza się akumulatory i ogniwa w postaci symbolu przedstawionego na rys.1

Rys. 1. Schematyczne oznaczenie galwanicznego napięcia

Rezystancja Rw – rezystancja wewnętrzna - reprezentuje rezystancję elektrolitu, rezystancję elektrod i połączeń oraz oporu spowodowanego polaryzacją elektrod. Napięcie między rozwartymi zaciskami ogniw i akumulatorów nazywa się siłą elektromotoryczną. Układ kilku połączonych ogniw lub akumulatorów tworzy baterię. Połączenie równoległe rys.2 a) stosuje się w celu zwiększenia pojemności, natomiast połączenie szeregowe rys.2 b) w celu zwiększenia siły elektromotorycznej.

Rys. 2. Połączenie galwanicznych źródeł napięcia a) równoległe; b) szeregowe [13, s.43]

Ogniwo obciążone rezystorem R tworzy obwód zamknięty rys. 3, przez który płynie prąd elektryczny I

RwREI

+=

Page 11: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

Rys. 3. Podstawowy obwód elektryczny: źródło napięcia E obciążone rezystorem R

Różnica potencjałów U na zaciskach ogniwa obciążonego jest mniejsza od siły elektromotorycznej E o spadek napięcia na rezystancji wewnętrznej RwI

U = E - RwI Zasada działania ogniwa galwanicznego

Ogniwo galwaniczne to układ dwóch elektrod zanurzonych w elektrolicie, zdolny do wytwarzania energii elektrycznej w skutek reakcji chemicznej zachodzącej w tym układzie. Załóżmy, że do roztworu kwasu siarkowegoH2SO4 wprowadzimy elektrodę cynkową.

Rys. 4. Rozkład ładunków wokół elektrody Zn zanurzonej w kwasie siarkowym H2SO4 [3, s.80]

Jony cynku Zn2+ zanurzonego w elektrolicie przejawiają tendencje do przechodzenia do elektrolitu. Jony metalu są dodatnie, w związku z czym elektrolit przejmuje ładunek dodatni, a cynk na powierzchni styczności z elektrolitem na ładunek ujemny. W obszarze styczności cynk-elektrolit powstaje warstwa elektryczna. W miarę rozpuszczania się cynku zwiększa się natężenie pola elektrycznego, które z kolei przeciwdziała przechodzeniu jonów cynku Zn2+ do roztworu i w związku z tym po pewnym czasie ustala się stan równowagi. Stan taki następuje w wyniku zrównoważenie sił, pod wpływem których cynk się rozpuszcza, i sił elektrycznych hamujących ten proces. Rozpuszczanie się cynku ustaje przy określonej wartości różnicy potencjałów między elektrodą cynkową a elektrolitem. Potencjał cynku względem elektrolitu oznaczymy np. V1. Jeżeli w tym samym elektrolicie zanurzymy elektrodę z innego metalu, to opisany proces również wystąpi, z tym jednak, że dla różnych metali (oraz dla węgla) ustala się inny potencjał względem elektrolitu, np. V2. Wobec tego między dwiema elektrodami zanurzonymi w elektrolicie powstaje napięcie U

U = V1 - V2 Jednym z najstarszych ogniw jest ogniwo Volty. Siła elektromotoryczna takiego ogniwa wynosi 0,9V. Przez rezystor R popłynie stały prąd elektryczny I.

Page 12: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

Rys.5. Zasada działania ogniwa Volty [3.s.81]

Składa się ono z elektrody cynkowej, będącej katodą (-), oraz elektrody miedzianej, będącej anodą (+), zanurzonych w wodnym roztworze kwasu siarkowego. (rys.5) Ogniwa Volty nie są obecnie stosowane w praktyce, gdyż elektrolit jest płynny i jego napięcie szybko maleje na skutek silnej polaryzacji elektrod (osadzanie się na elektrodach wodoru).

Specjalnym typem ogniwa galwanicznego jest ogniwo paliwowe. Składa się ono z dwóch elektrod: anody i katody rozdzielonych elektrolitem. Jest to urządzenie w którym energia spalania paliwa jest bezpośrednio zamieniana w energię elektryczną.

Bezpośrednią przemianę energii cieplnej w elektryczną można uzyskać korzystając ze zjawiska termoelektrycznego. Dwa druty z różnych metali spojone na jednym końcu tworzą po ich podgrzaniu ogniwo termoelektryczne zwane też termoelementem

Rys.6. Schemat poglądowy termoelementu [3.s.84]

Dwa metale miedź i konstant połączono w punkcie 1, natomiast końcówki 2 i 2’ dołączono do zacisków miliwoltomierza. Napięcie termoelektryczne wskazane prze miernik jest proporcjonalne do różnicy temperatury spoiny 1, i temperatury końcówek 2 i 2’. Utrzymywanie napięcia termoelektrycznego wymaga podtrzymywania tej różnicy temperatur. Innymi źródłami napięcia elektrycznego a tym samym prądu elektrycznego są źródła cieplne oraz źródła świetlne i piezoelektryczne a przede wszystkim źródła elektromechaniczne.

Źródłem elektromechanicznym jest przetwornik energii mechanicznej w energię elektryczną czyli prądnica elektryczna, zwana generatorem. Działanie prądnicy opiera się na zjawisku indukowania się siły elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym rys. 7.

Page 13: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

Rys.7. Zasada działania prądnicy elektrycznej [3.s.79]

W polu magnetycznym o indukcji magnetycznej B, obraca się z prędkością v przewód miedziany w kształcie ramki. Wartość indukowanej w ramce siły elektromotorycznej e określamy wzorem:

e = Blv

l – długość czynna przewodu znajdującego się w polu magnetycznym Jeżeli do zacisków prądnicy podłączymy odbiornik R to przez ramkę i odbiornik popłynie prąd i wywołany działającą w ramce siłą elektromotoryczną e. Zwrot prądu i jest zgodny ze zwrotem siły elektromotorycznej e. Elementy obwodu elektrycznego prądu stałego

Aby możliwe było wykorzystanie energii elektrycznej, czyli przetwarzanie jej na energię mechaniczną, cieplną lub promienistą, konieczne jest stworzenie obwodu elektrycznego składającego się co najmniej z trzech podstawowych elementów: − źródła – wytwarzającego napięcie wymuszające przepływ prądu w obwodzie, − odbiornika – przetwarzającego energię elektryczną na inne rodzaje energii

wykorzystywanej przez człowieka, − przewodów – tworzących drogę przepływu prądu przenoszącego energię elektryczną ze

źródła do odbiornika. W schemacie obwodu elektrycznego, źródła energii elektrycznej oznaczamy za pomocą znormalizowanych symboli graficznych rys 8

Rys.8. Symbole graficzne źródeł: a) symbol ogólny źródła napięcia; b) symbol ogniwa i akumulatora

Elementami odbiorczymi są: − rezystory, − cewki i kondensatory, − różnego rodzaju przetworniki energii elektrycznej w mechaniczną (silniki elektryczne),

chemiczną (np. elektroliza), świetlną (promieniowanie wyładowcze w gazie) itp.

Page 14: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

Symbole graficzne niektórych elementów odbiorczych oraz elementów pomocniczych przedstawiono na rys.9.

Rys.9. Symbole graficzne wybranych elementów i przyrządów stosowanych w obwodach elektrycznych [3.s.39] Połączenie szeregowe rezystorów

W przypadku połączenia szeregowego koniec jednego rezystora łączy się z początkiem następnego itd. (rys.10). Przez wszystkie rezystory płynie ten sam prąd, a ich rezystancja zastępcza Rz obliczana jest wg wzoru:

Rz = R1+ R2 +...+ RN

Rys. 10. Połączenie szeregowe rezystorów [13, s. 51]

Połączenie równoległe rezystorów

W przypadku połączenia równoległego początki i końce wszystkich rezystorów zwiera się ze sobą rys.11. Napięcie na każdym rezystorze jest jednakowe i równe różnicy potencjałów między punktami węzłowymi układu. Rezystancję zastępczą układu obliczamy zgodnie z wzorem:

Nz RRRR1...111

21

+++=

Rys.11. Połączenie równoległe rezystorów [13, s.51]

Page 15: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

Prawo Ohma Jeżeli do zacisków źródła dołączy się rezystor, to popłynie prąd o wartości zależnej od siły elektromotorycznej źródła EB, jego rezystancji wewnętrznej RB i rezystancji dołączonego rezystora R.

EB = I (R + RB) = IR + IRB = UB + UE

U = IR

Rys. 12. Schemat zastępczy ogniwa rzeczywistego obciążonego rezystorem R Pierwsze prawo Kirchhoffa Dla każdego węzła obwodu elektrycznego suma prądów wpływających do węzła jest równa sumie prądów wypływających z węzła.

I1 + I4 = I2 + I3

Rys. 13. Węzeł obwodu elektrycznego, w którym oznaczono zwroty prądów względem węzła Drugie prawo Kirchhoffa W dowolnym oczku obwodu elektrycznego prądu stałego suma algebraiczna spadków napięć na elementach rezystancyjnych oczka oraz suma działających w oczku sił elektromotorycznych jest równa zeru.

Rys. 14. Wyodrębnione oczko obwodu elektrycznego [3, s. 44]

E1 – E2 – E3 - U1 + U2 + U3 – U4 = 0

Połączenie szeregowe i równoległe kondensatorów Kondensator o pojemności C, do którego doprowadzono napięcie U, magazynuje energię elektryczną Wc.

Page 16: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

2

21 CUWc =

Kondensatory w wielu układach elektrycznych występują w połączeniu szeregowym lub równoległym. Przy połączeniu szeregowym kondensatorów pojemność zastępczą Cz układu oblicza się z zależności:

CNCCCz1...

21

111

+++=

a) b)

Rys. 15. Połączenie kondensatorów; a) szeregowe, b) równoległe [13, s. 92]

Przy połączeniu równoległym kondensatorów pojemność zastępczą obliczamy zgodnie z wzorem:

Cz = C1 + C2 + ...+ Cn Przyrządy pomiarowe

Są to narzędzia pomiarowe przetwarzające mierzoną wielkość na wskazanie proporcjonalne do wartości wielkości mierzonej. Ze względu na rodzaj wejściowej informacji pomiarowej wyróżniamy przyrządy analogowe i cyfrowe. Według spełnianych funkcji dzielimy je na: − mierniki – wyskalowane w jednostkach wielkości mierzonej, − rejestratory – umożliwiające zapis wartości wielkości mierzonej, np. w funkcji czasu, − liczniki – wskazujące stopniowo narastającą w czasie wartość wielkości mierzonej, − detektory zera – umożliwiające stwierdzenie zaniku wielkości, np. prądu, strumienia.

Mierniki w zależności od fizycznej zasady działania dzielimy na: magnetoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrodynamiczne, ferrodynamiczne, elektrostatyczne, indukcyjne, cieplne, wibracyjne. Wyboru miernika dokonujemy ze względu na: rodzaj mierzonej wielkości elektrycznej (np. napięcie – woltomierz, natężenie prądu – amperomierz, moc elektryczna – watomierz), rodzaj obwodu elektrycznego (prądu stałego lub zmiennego), ustrój pomiarowy, maksymalną wartość mierzoną (zakres pomiarowy), dokładność pomiaru (klasa dokładności mierników). Dokładność miernika charakteryzuje tzw. klasa dokładności. Jest to liczba określająca w procentach wartość błędu granicznego danego miernika. Polskie Normy przewidują następujące klasy dokładności: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 5.

Do pomiaru napięcia stałego używamy woltomierza analogowego lub cyfrowego. Woltomierz włącza się równolegle do odbiornika na którym mierzymy napięcie (rys.16). Amperomierz włącza się szeregowo w gałąź w której mierzony jest prąd (rys 17).

Page 17: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

Rys. 16. Sposób przyłączania woltomierza

Rys.17. Sposób włączania amperomierza

Prąd stały mierzy się amperomierzem magnetoelektrycznym. Przed pomiarami wyznacza

się stałą przyrządu. Będzie ona wyrażona w amperach (lub miliamperach) na działkę. Znając stałą amperomierza CI i odchylenie α wskazówki w działkach, oblicza się wartość prądu odpowiadającego temu odchyleniu

I = CIα przy czym:

αmax – maksymalna liczba działek In – zakres amperomierza

Rys. 18. Sposób włączania watomierza

Watomierz jest przyrządem przeznaczonym do pomiaru mocy czynnej. Ma on dwie cewki: nieruchomą cewkę prądową, o małej rezystancji i ruchomą cewkę napięciową, o dużej rezystancji. Cewkę prądową włącza się do układu poprzez zaciski prądowe, szeregowo z obciążeniem. Cewkę napięciową - poprzez zaciski napięciowe, równolegle z obciążeniem. Odchylenie wskazówki miernika jest proporcjonalne do iloczynu prądu w cewce prądowej, napięcia na cewce napięciowej i cosφ. Na tarczy podziałkowej watomierza znajduje się symbol jednostki wielkości mierzonej (mocy czynnej) – litera W (wat). Zaciski odpowiadające początkowi cewki prądowej i napięciowej są oznaczone gwiazdką. Prawidłowy sposób włączania watomierza pokazano na rys.16.

maxaIC n

I =

Page 18: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

Moc P pobieraną przez odbiornik w obwodzie prądu stałego obliczamy zgodnie z wzorem:

P = U I Energia W zużywana przez odbiornik zależy od jego mocy P i od czasu pracy t:

W = P t Tabela 1. Oznaczenia umieszczone na elektrycznych przyrządach pomiarowych według PN – 92/E – 06501/01

Page 19: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

Page 20: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jak oblicza się rezystancję zastępczą rezystorów połączonych szeregowo? 2. Jakie prawa zastosujesz do obliczania prądów i napięć w obwodzie prądu stałego? 3. Jakie znasz źródła energii elektrycznej? 4. Czy potrafisz zmierzyć napięcie miernikiem cyfrowym? 5. Czy potrafisz zmierzyć napięcie miernikiem analogowym? 6. Podaj sposób włączenia miernika w celu zmierzenia napięcia. 7. W jaki sposób wyznacza się pojemność zastępczą kondensatorów połączonych

szeregowo? 8. W jakich jednostkach mierzymy napięcie a w jakich natężenie prądu? 9. Wymień podstawowe elementy obwodu elektrycznego. 4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Oblicz wartość prądu I i napięcia U dla układu, którego schemat został Ci dostarczony przez nauczyciela.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) przypomnieć sobie prawo Ohma oraz prawa Kirchhoffa 2) przypomnieć sobie szeregowe i równoległe łączenie rezystorów 3) zapisać wzory z których będzie korzystać, wypisać dane i szukane 4) obliczyć wartość prądu I i napięcia U dla układu, którego schemat dostarczył nauczyciel 5) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia

Wyposażenie stanowiska pracy:

− schemat obwodu elektrycznego, − biały papier formatu A4. − przykład zadania do ćwiczenia 1. W obwodzie pokazanym na rysunku prąd I2 = 2A. Wartość rezystancji: R1 = 3 Ω, R2 = 18Ω, R3 = 3Ω, R4 = 6Ω. Oblicz rezystancję zastępczą obwodu i napięcie zasilające U.

Ćwiczenie 2

Mając trzy rezystory o rezystancji R = 2Ω każdy, zaproponuj takie połączenie, aby otrzymać rezystancję zastępczą Rz = 3Ω

Page 21: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) przypomnieć sobie zasadę szeregowego i równoległego łączenia rezystorów, 2) zapisać wzory, z których będziesz korzystać, 3) wypisać dane i szukane, 4) narysować układ połączeń trzech rezystorów, 5) obliczyć wartość rezystancji zastępczej, 6) zaprezentować wyniki i sformułować wnioski, 7) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,

Wyposażenie stanowiska pracy:

− biały papier formatu A4 dla każdej grupy uczniów. Ćwiczenie 3

Zmierz prąd stały pobierany przez żarówkę.

Rys. 19 Pomiar prądu pobieranego przez żarówkę: a) układ; b) schemat [13,s.34]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) przypomnieć sobie sposób wyznaczania stałej amperomierza, 2) zaplanować pomiary, zaproponować tabelkę w której będą zapisywane wyniki pomiarów, 3) skompletować niezbędną aparaturę i elementy do przeprowadzenia pomiarów, 4) zmontować układ zgodnie ze schematem, 5) dokonać pomiaru prądu dla trzech różnych żarówek dobierając zawsze zakres pomiarowy

α ≈αmax, 6) zapisać wyniki pomiarów do tabelki, 7) porównać otrzymane wyniki, 8) zwrócić uwagę na intensywność świecenia żarówki, 9) zaprezentować wyniki i wyciągnąć wnioski, 10) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,

Wyposażenie stanowiska pracy:

− amperomierz wskazówkowy, − trzy różne żarówki, − źródło napięcia stałego – bateria, − przewody łączeniowe, − biały papier formatu A4 dla każdego zespołu.

Page 22: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

Ćwiczenie 4 Zmierz napięcie ogniwa elektrochemicznego

Rys. 20 Pomiar napięcia ogniwa elektrochemicznego: a) układ; b) schemat [13,s.38]

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) przypomnieć sobie jak się wyznacza stałą podziałki przyrządu analogowego, 2) przypomnieć sposób wyznaczania wartości mierzonej odpowiadającej odczytanemu

odchyleniu wskazówki, 3) przypomnieć sobie sposób odczytu wartości mierzonej z przyrządu cyfrowego, 4) zaplanować pomiary, zaproponować tabelę do której będą wpisywane wyniki pomiarów, 5) skompletować niezbędną aparaturę i elementy do przeprowadzenia pomiarów, 6) zmontować układ zgodnie ze schematem, 7) dokonać pomiaru napięć dla trzech różnych źródeł woltomierzem analogowym

i cyfrowym, 8) zapisać wyniki pomiarów do tabelki, 9) porównać otrzymane wyniki w obu pomiarach (woltomierzem analogowym

i woltomierzem cyfrowym), 10) zaprezentować wyniki i wyciągnąć wnioski, 11) ocenić poprawność wykonanego ćwiczenia,

Wyposażenie stanowiska pracy:

− woltomierz wskazówkowy, woltomierz cyfrowy, − trzy różne źródła elektrochemiczne, − przewody łączeniowe, − wyłącznik dwubiegunowy, − biały papier formatu A4 dla każdego zespołu Ćwiczenie 5

Badanie połączenia szeregowego rezystorów

Page 23: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

Zbuduj obwód do pomiaru rezystancji rezystorów połączonych szeregowo wg. otrzymanego schematu. Zmierz natężenie prądu I, napięcia pomiędzy punktami AB, BC, CD, AD. Oblicz rezystancje R1, R2, R3 oraz rezystancję zastępczą. Sprawdź poprawność wykonanego ćwiczenia.

Aby wykonać ćwiczenie odpowiedz na pytania:

1) zamieszczone w tekście przewodnim, 2) postępuj zgodnie ze wskazówkami tego tekstu. I Informacje 1) Jak nazywają się przyrządy pomiarowe służące do pomiaru natężenia prądu? 2) W jaki sposób względem odbiornika włącza się miernik natężenia prądu elektrycznego? 3) Na czym polega szeregowe połączenie rezystorów? 4) Podaj sposób obliczenia rezystancji zastępczej rezystorów połączonych szeregowo. 5) Jaki prąd płynie przez R1 a jaki przez R2? 6) W jakich jednostkach mierzymy natężenie prądu, a w jakich napięcie? II Planowanie Przygotuj plan czynności do wykonania ćwiczenia Zaplanuj elementy obwodu elektrycznego oraz przyrządy pomiarowe do badania szeregowego połączenie rezystorów. Narysuj układy pomiarowe, przygotuj tabele do zestawienia wyników Określ kolejność czynności przy dokonywaniu pomiarów, obliczeń, kontroli poprawności wykonania ćwiczenia Po udzieleniu odpowiedzi w fazie I i zaplanowaniu czynności w fazie II zgłoś się do nauczyciela III Ustalenie Jeśli Twoje odpowiedzi i planowanie było poprawne, uzyskałeś akceptację nauczyciela pobierz niezbędne materiały oraz aparaturą pomiarową i przystąp do pracy. Zmontuj zestaw do badania rezystancji szeregowo połączonych rezystorów. Przygotuj odpowiednie tabele do zapisywania zmierzonych wartości parametrów. Uwaga: zanim zostanie przyłączone napięcie , połączony układ pomiarowy musi sprawdzić nauczyciel. IV Wykonanie Przystąp do wykonania ćwiczenia wg planu - masz na to 90 minut. Pamiętaj o zasadach BHP.

Page 24: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

V Sprawdzenie Dokonaj oceny poszczególnych etapów swojej pracy Lp. Czynności Twoja ocena Ocena nauczyciela 1 Dobór aparatury pomiarowej niezbędnej

do przeprowadzenia pomiarów

2 Przygotowanie elementów obwodu prądu stałego i aparatury pomiarowej. Zmontowanie układu.

3 Sporządzenie tabeli obejmującej wartości zmierzone i odczytane z elementów

4 Czynności wykonywane podczas pomiarów

5 Opracowanie wyników, obliczenie rezystancji zastępczej w oparciu o wartości zmierzone

6 Dokonanie oceny poprawności wykonanego ćwiczenia

7 Sformułowanie wniosków 8 Zachowanie bezpieczeństwa pracy VI Analiza Co sprawiło mi trudność? Co wykonywałem bez problemu? Jak zrobiłbym ćwiczenie wykonując jej jeszcze raz? Jakie zmiany bym wprowadził? Oceniam swoją pracę na................Podpis ucznia.......................... 4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie

1) obliczyć energię pobieraną przez urządzenie elektryczne? 2) narysować szeregowe i równoległe połączenie rezystorów? 3) wyznaczyć stałą wskazówkowego przyrządu pomiarowego? 4) obliczyć napięcie, natężenie prądu w obwodzie prądu stałego? 5) zmierzyć moc? 6) włączyć przyrządy pomiarowe? 7) rozróżnić podstawowe elementy obwodu elektrycznego? 8) wyjaśnić powstawanie prądu elektrycznego? 9) obliczyć pojemność zastępczą kondensatorów połączony szeregowo

i równolegle?

10) odczytać schemat prostego obwodu elektrycznego? 11) zdefiniować podstawowe prawa stosowane w obwodach elektrycznych? 12) rozróżnić materiały pod względem właściwości magnetycznych

i elektrycznych?

Page 25: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

4.2. Elementy elektroenergetyki. Maszyny elektryczne

4.2.1. Materiał nauczania

Ze względu na zjawiska fizyczne zachodzące podczas wytwarzania światła sztucznego rozróżnia się: − lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu

wolframowego, − lampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się zjawisko świecenia

pewnych substancji chemicznych, pod wpływem działania promieni ultrafioletowych, − lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe), w których wykorzystuje się świecenie

gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych (przepływu prądu elektrycznego przez gaz).

Lampy żarowe.

W żarówce źródłem światła jest żarnik z drutu wolframowego rozgrzany wskutek przepływu przez niego prądu elektrycznego. Żarnik umieszczony jest w bańce szklanej wypełnionej próżnią lub (przy większych mocach) gazem. Żarówki halogenowe we wnętrzu bańki mają gaz halogen. Gaz ten zdecydowanie wydłuża „wypalanie” żarnika. Są one dużo droższe, stosowane w projektorach, w rzutnikach, samochodach. Zalety lamp żarowych: duży zakres stosowanych mocy (10W-2000W), natychmiastowy zapłon, niska cena. Wady tych lamp: mała trwałość (1000h-1500h zwykłych i 2000h-3500h halogenowych), mała skuteczność świetlna od 8lm/W do 26lm/W. Świetlówki

Świetlówka składa się z rury szklanej w której następują wyładowania elektryczne pomiędzy dwoma elektrodami pokrytymi warstwą aktywną. Wnętrze rury wypełniają argon i pary rtęci pod niskim ciśnieniem (1Pa). Wewnętrzna powierzchnia rury pokryta jest luminoforem, którego cząsteczki wzbudzone promieniowaniem ultrafioletowym zaczynają świecić. Dobierając skład chemiczny luminoforu można uzyskać pożądaną barwę światła.

Rys.21. Świetlówki: a) obwód pojedynczej świetlówki; b) układ antystroboskopowy DUO [10. s.100]

1-zapłonnik tlący, 2-elektroda termobimetalowa, 3-kondensator przeciwzakłóceniowy, 4 i 5- elektrody świetlówki, 6-dławik w roli statecznika, 7-kondensator do poprawy współczynnika mocy obwodu, 8-dławik zapłonowy, 9-kondensator do przesunięcia fazowego prądu jednej świetlówki względem drugiej

Page 26: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

Zapłonnik umożliwia nam zapłon świetlówki, dławik pełni rolę stabilizatora prądu. Kondensatory służą do poprawy współczynnika mocy, oraz działają przeciw zakłóceniowo (radio, telewizor). Ze względu na możliwość powstania efektu stroboskopowego, (wrażenie pozostawania w bezruchu maszyny wirującej), stosuje się układ dwóch świetlówek jak na rysunku b). Zaletą tego typu lamp jest dobra skuteczność świetlna (40lm/W-100lm/W), mały pobór mocy do 65W, oraz duża trwałość dochodząca do16000h. Wadą świetlówek jest opóźniony zapłon dochodzący do trzech sekund, oraz konieczność stosowania dodatkowych elementów umożliwiających zapłon i poprawną pracę. Lampy rtęciowe

Rtęciówka jest lampą wysokoprężną wykorzystującą wyładowanie elektryczne w parze rtęci o ciśnieniu ok. 1Mpa i temperaturze 600-750°C. Może być ona przyłączona do sieci jedynie w układzie zawierającym dławik (stabilizator prądu). Zaletą jej jest dobra skuteczność świetlna 35 do 60lm/W, bardzo duża trwałość dochodząca do 10000h, największą wadą zaś bardzo wolny zapłon wynoszący ok. 3min. dla zimnej i do 10min. dla lampy rozgrzanej. Oprawy oświetleniowe Elektryczne źródła światła umieszcza się w oprawach. Zadaniem oprawy jest: − umocowanie źródła i podłączenie go z instalacją elektryczną, − odpowiednie skierowanie strumienia świetlnego, − ochrona oczu przed olśnieniem − ochrona mechaniczna − uzyskanie efektu dekoracyjnego. Ze względu na swoje właściwości oprawy oświetleniowe mogą mieć oznaczenia jak w tabeli1. Tabela 2. Umowne oznaczenia na oprawach oświetleniowych[10,s.115]

Page 27: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

L1 L2 L3

PE N

odb. 1 odb. 2 odb. 3

Przyłączanie odbiorników do układów trójfazowych

Układy pięcioprzewodowe prądu trójfazowego stosuje się powszechnie w sieciach niskiego napięcia (kiedyś czteroprzewodowe). Napięcie fazowe wynosi w tych sieciach 230 V, zaś międzyfazowe 400 V. Odbiorniki jednofazowe (oświetlenie, sprzęt gospodarstwa domowego) przyłącza się do napięcia 230 V, to znaczy między jeden z przewodów L1, L2, L3 i przewód neutralny N. W ten sposób odbiorca nie styka się z napięciem wyższym niż 230 V. Przewód ochronny PE podłącza się zawsze do przewodzącej obudowy odbiornika

Rys. 21. Podłączenie odbiorników jednofazowych do sieci trójfazowej

Dąży się do takiego rozdziału obciążeń, aby wszystkie fazy były obciążone symetrycznie, lecz stanu takiego praktycznie nie można osiągnąć, a przyczyną tego jest różna impedancja odbiorników, różny czas załączania odbiorników i itd. Odbiorniki trójfazowe w zależności od rodzaju sieci w jakiej pracują podłącza się tak jak ilustruje to tabela:

Page 28: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

Tabela 3. Podłączanie układów trójfazowych [2,s.182]

Wewnętrzne połączenie odbiornika może wyglądać jak na rysunku 22.

a) b) Rys. 22. Połączenie w trójkąt a), połączenie w gwiazdę b) [11,s.184]

Grzejnictwo elektryczne. Piece przemysłowe

Grzejnictwo elektryczne daje możliwość przemiany energii elektrycznej w energię cieplną, przy czym wykorzystuje się tu różne zjawiska fizyczne w wyniku których następuje ta przemiana.

Page 29: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

Rozróżnia się nagrzewanie: − rezystancyjne- energia cieplna wydziela się w czasie przepływu prądu elektrycznego

przez przewodzące ciało stałe, − elektrodowe- ciepło wydziela się podczas przepływu prądu przez ciecz, − łukowe- źródłem ciepła jest powstający łuk elektryczny, − indukcyjne- wykorzystuje zjawisko prądów wirowych w nagrzewanym wsadzie, − pojemnościowe- wykorzystuje straty powstające w dielektryku w zmiennym polu

elektrycznym wielkiej częstotliwości, − promiennikowe- energię wypromieniowują elektryczne promienniki podczerwieni. Piece oporowe

Układ regulacji temperatury pieca oporowego przedstawiono na rysunku:

Rys. 23. Układ sterowania piecem oporowym [9,s.157] Ro – rezystancja elementu grzejnego, Cz – czujnik temperatury, υ, υo – odpowiednio: temperatura pieca

i temperatura zadana W piecach oporowych elementy grzejne są wykonywane z metali lub specjalnych stopów metali o dużej rezystywności i dużej trwałości. Elementy grzejne są zasilane najczęściej z sieci energetycznej za pośrednictwem sterowników tyrystorowych. Stosuje się układy zasilania jedno i trójfazowego. Zależnie od temperatury występującej w komorze, piece oporowe można podzielić na: − niskotemperaturowe – do 300o C (suszarki do suszenia produktów, a także powłok

lakierniczych), − piece średniotemperaturowe – 300-1300o C (obróbka cieplna metali), − piece wysokotemperaturowe - > 1300o C (topienie metali, wypalanie porcelany oraz

emalii). Piece łukowe

Piece łukowe z nagrzewaniem pośrednim (łuk występuje między elektrodami) stosuje się głównie do wytopu metali nieżelaznych i wytwarzaniu ich stopów. Piece łukowe z nagrzewaniem bezpośrednim (łuk pomiędzy elektrodami i wsadem) stosuje się do produkcji stali jakościowych i stopów żelaza. Piece łukowe budowane są na bardzo duże moce rzędu MVA. Pojedynczy odbiornik jakim jest piec łukowy może zatem pobierać większą moc niż niejeden zakład przemysłowy. Nagrzewnie łukowe jest stosowane również w pracach spawalniczych. Temperatura łuku umożliwia bowiem topnienie metali i ich łączenie. Indukcyjne urządzenia elektrotermiczne

Indukcyjne urządzenia elektrotermiczne działają jak transformator – na zasadzie indukowania prądu we wsadzie umieszczonym w zmiennym polu magnetycznym.

Page 30: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

Rys.24. Indukcyjne urządzenie elektrotermiczne: a) piec rdzeniowy, b) piec tyglowy, c) nagrzewnica przelotowa

1 – wzbudnik, 2 – wsad, 3 – rdzeń, 4 – tygiel [10,s.133] Rolę uzwojenia pierwotnego spełnia wzbudnik o n zwojach. Wsad zachowuje się jak uzwojenie wtórne o jednym zwoju. Prąd płynący przez wsad jest n razy większy od prądu wzbudnika. Jeśli w zmiennym polu magnetycznym umieści się przedmioty ferromagnetyczne (np. stalowe) wydzieli się dodatkowe ciepło wskutek histerezy magnetycznej. Piece indukcyjne służą do topienia metali, wytwarzania stopów, natomiast nagrzewnice indukcyjne do hartowania elementów stalowych. Pojemnościowe urządzenia elektrotermiczne

Zasadę nagrzewania pojemnościowego ilustruje rysunek 25.

Rys. 25. Nagrzewanie pojemnościowe: 1 – wsad, 2 – elektrody, G – generator wielkiej częstotliwości [1,s.210]

Między okładziny kondensatora doprowadza się napięcie o wielkiej częstotliwości (13,56 MHz oraz 27,12 MHz i 40,68 MHz) zgodnie z konwencją międzynarodową (zakłócenia radiowe). Nagrzewnictwo pojemnościowe wykorzystuje się do przeróbki tworzyw sztucznych, suszenia drewna, pasteryzacji mleka. W gospodarstwach domowych – w kuchenkach mikrofalowych. Nagrzewanie promiennikowe

Energia cieplna jest przekazywana przez promieniowanie ze źródła promieni podczerwonych – promiennika – do przedmiotu nagrzewanego. Szerokie zastosowanie znalazły promienniki lampowe i kwarcowe. Nagrzewanie promiennikowe wykorzystuje się do suszenia powłok farb i lakierów (samochodowych), powłok klejonych, tkanin i papieru. Jest używane również do ogrzewania pomieszczeń (kościołów). Zasadą promieniowania jest bezpośrednie oddziaływanie (ogrzewanie) na przedmiot, z pominięciem powietrza.

Page 31: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

Działanie prądu elektrycznego na organizm ludzki Dotknięcie przez człowieka części urządzenia znajdującej się pod napięciem spowoduje

przepływ przez ciało prądu elektrycznego. Natężenie tego prądu zależy od wartości napięcia dotykowego oraz rezystancji obwodu. Oprócz natężenia prądu płynącego przez ciało istotnym czynnikiem wpływającym na reakcję organizmu jest także czas oddziaływania tego prądu oraz jego rodzaj (stały, przemienny). Przepływ prądu przez ciało człowieka może wywołać: − działanie na system nerwowy, powodując skurcz mięśni przez które przepływa,

podwyższenie ciśnienia krwi, zatrzymanie pracy serca, migotanie komór sercowych, − wydzielenie energii cieplnej, głównie w miejscu zetknięcia ciała z częściami pod

napięciem – może powodować oparzenia, − oparzenia wewnętrzne (stawów), − uszkodzenie oczu wskutek działania promieni ultrafioletowych, lub dużej jaskrawości

łuku, − uszkodzenia mechaniczne wskutek upadku z wysokości, − zjawiska elektrochemiczne – elektroliza płynów w ciele człowieka – co powoduje

zatrucie. Uwzględniając wartości znormalizowane napięć, ustalono wartości graniczne roboczych napięć bezpiecznych. Wynoszą one: - przy prądzie przemiennym: 50 V w normalnych warunkach, 25 V w szczególnych warunkach, 12 V przy zanurzeniu w wodzie - przy prądzie stałym: 120 V w środowisku normalnym, 60 V w środowisku szczególnym, 30 V dla instalacji zanurzonych w wodzie.

Pierwszą czynnością w przypadku porażenia jest szybkie uwolnienie osoby porażonej spod napięcia (wyłączenie zasilania lub odciągnięcie przy pomocy izolatora osoby porażonej). Osoba ratująca powinna mieć ubrane rękawice gumowe i kalosze dielektryczne. Można też posłużyć się drążkiem izolacyjnym. Jeżeli osoba porażona jest nieprzytomna, to należy ułożyć ją na wznak, podłożyć pod łopatki zwój odzieży, tak by głowa była mocno odchylona (musi być zachowana drożność dróg oddechowych). Przy braku oddechu należy natychmiast zacząć sztuczne oddychanie (najlepiej usta-usta). Jeżeli przy braku przytomności brak tętna i oddechu, to znaczy, że praca serca została zatrzymana i konieczne jest podjęcie masażu serca. Jeżeli serce pracuje to sztuczne oddychanie polega na wdmuchiwaniu powietrza do ust porażonego (zatykając mu nos) z częstotliwością 12 razy na minutę. Jeżeli czynność podejmuje jeden ratownik, to przy braku tętna należy wykonać trzy szybkie oddechy i piętnaście energicznych naciśnięć dolnej części mostka. Bezpieczeństwo pracy z urządzeniami elektrycznymi

Instalacje i urządzenia elektryczne powinny być tak wykonane i eksploatowane, aby nie narażały pracowników na porażenie prądem elektrycznym, przepięcia atmosferyczne, szkodliwe oddziaływanie pól elektromagnetycznych oraz nie stanowiły zagrożenia pożarowego, wybuchowego i nie powodowały innych szkodliwych skutków. Zasady bezpieczeństwa eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznych polegają na: − spełnieniu wymagań bezpieczeństwa i higieny pracy określonych w Polskich Normach

PN – EN i właściwych przepisach dotyczących projektowania, budowy oraz eksploatacji przez cały okres użytkowania (Prawo Budowlane, Prawo Energetyczne, Kodeks Pracy, Dyrektywy Unii Europejskiej),

− urządzenia powinny być prawidłowo usytuowane, a instalacje prowadzone bezkolizyjnie,

Page 32: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

− urządzenie i instalacje elektryczne nowe i po remoncie powinny być przyjmowane do eksploatacji zgodnie ze szczegółowymi przepisami w tym zakresie,

− urządzenia i instalacje elektryczne, na których w zasięgu człowieka może pojawić się niebezpieczne napięcie, powinny być odpowiednio oznakowane tablicami ostrzegawczymi.

Ponadto urządzenia elektryczne powinny podlegać ochronie przed dotykiem pośrednim w jeden z następujących sposobów: − ochrona przed samoczynnym włączeniem zasilania, − separacja odbiorników, − stosowanie nieuziemionych połączeń wyrównawczych, − izolowanie stanowiska. Przy eksploatacji urządzeń i instalacji elektrycznej zabrania się: − podejmować pracę osobom nieuprawnionym, − używać urządzeń niezgodnie z instrukcją, − stosować prowizorycznych napraw (np., „drutowanie” bezpiecznika) − przekraczać określonych parametrów pracy tych urządzeń, − pracować przy urządzeniach niesprawnych technicznie, − pozostawiania swobodnego dostępu do urządzeń osobom postronnym, − pozostawiania urządzeń bez dozoru. W przypadku stwierdzenia nieprawidłowości urządzenia lub złego stanu izolacji elektrycznej należy natychmiast je odłączyć i poinformować o tym odpowiednie służby. Maszyny elektryczne Budowa i zasada działania prądnicy i silnika elektrycznego

Generatory elektryczne zmieniają energię mechaniczną w energię elektryczną. Silniki pobierają energię elektryczną i oddają energię mechaniczną. Transformatory przekształcają energię elektryczną również w energię elektryczną o tej samej częstotliwości ale najczęściej o innym napięciu.

Rys. 26. Maszyny elektryczne [2,s.255]

Generatory i silniki składają się z dwóch głównych elementów: stojana i wirnika. Wirnik

jest osadzony na wale za pośrednictwem którego dostarcza się lub odbiera energię mechaniczną.

Page 33: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

Zazwyczaj w stojanie i wirniku umieszczone są uzwojenia przewodzące prąd. Ze względu na rodzaj prądu odbieranego lub doprowadzanego do uzwojeń rozróżnia się maszyny prądu stałego i maszyny prądu przemiennego. Jeżeli do obu uzwojeń jest doprowadzony prąd stały, to maszyna nazywa się maszyną prądu stałego. Jeśli do jednego lub obu uzwojeń doprowadza się prąd przemienny to maszyna nazywa się maszyną prądu przemiennego. Gdy w uzwojeniu stojana i wirnika płynie prąd przemienny, to maszyna nazywa się maszyną indukcyjną (asynchroniczną), natomiast gdy w jednym z uzwojeń płynie prąd przemienny, a w drugim prąd stały to maszyna nazywa się maszyną synchroniczną. Maszyny prądu przemiennego (w tym również transformatory) są wykorzystywane jako jednofazowe i trójfazowe. Maszyny elektryczne mogą pracować jako prądnice lub jako silniki. Maszyny synchroniczne wykorzystuje się jednak głównie jako prądnice do wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach, zaś maszyny asynchroniczne – jako silniki elektryczne. Maszyny prądu stałego stosuje się przeważnie do celów specjalnych jako silniki oraz prądnice. Prądnice i silniki prądu stałego

Maszyny prądu stałego w porównaniu z maszynami asynchronicznymi są cięższe i bardziej skomplikowane w budowie (a więc droższe), trudniejsze w konserwacji.

Z tych względów stosuje się je z reguły do celów specjalnych. Jako silniki mają one głównie zastosowanie w trakcji elektrycznej Jako źródło energii stosuje się je w formie dla maszyn synchronicznych, prądnic: galwanizacyjnych, spawalniczych, samochodowych, lotniczych i innych. Prądnice prądu stałego klasyfikujemy na: − prądnice obcowzbudne − prądnice bocznikowe, w których uzwojenie elektromagnesów jest połączone równolegle

z twornikiem − prądnice szeregowo – bocznikowe, w których część uzwojenia elektromagnesów jest

połączona równolegle, a część w szereg z twornikiem C1, C2 – uzwojenie kompensacyjne A1, A2 – zaciski uzwojeń twornika E1, E2 – zaciski uzwojenia bocznika Iw – prąd wzbudzenia I – prąd odbiornika

Rys. 27. Schemat połączeń prądnicy bocznikowej [11, s.331]

W tworniku napędzanym z prędkością znamionową indukuje się dzięki strumieniowi magnetycznemu szczątkowemu niewielka siła elektromagnetyczna rzędu kilku procent napięcia znamionowego prądnicy. Tu SEM powoduje przepływ prądu przez uzwojenie wzbudzające, a tym samym zwiększenie strumienia magnetycznego. Wzbudzenie prądnicy do

Page 34: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

napięcia znamionowego Un osiąga się przez odpowiednie nastawienie rezystancji Rw w obwodzie wzbudzenia.

Silniki prądu stałego Silniki elektryczne, zależnie od sposobu połączenia dzielimy na: − bocznikowe − szeregowe − szeregowo – bocznikowe − obcowzbudne Podstawowymi wielkościami opisującymi właściwości mechaniczne silnika są: − moment obrotowy (Nm) zwany też momentem elektrycznym − prędkość kątowa (rad/s) Tabela 4. Podstawowe własności silników prądu stałego [6, s.456]

Silnik bocznikowy Schemat połączeń silnika bocznikowego przedstawiony jest w tabeli. Regulowany rozrusznik (rezystancja) włączony jest tylko w obwód twornika, a uzwojenie wzbudzające jest włączone bezpośrednio do zacisków sieci (przed rozruchem), aby zapewnić jej największy strumień magnetyczny potrzeby do wytworzenia dużego momentu obrotowego przy rozruchu. Rozrusznik ma kilka stopni rozruchowych. Podczas rozruchu należy stopniowo je przełączać za pomocą dźwigni, aż do pozycji końcowej. Prędkość obrotową silnika można w czasie jego pracy zwiększać o (0…30%) prędkości znamionowej przez włączanie opornika nastawnego RM w obwodzie wzbudnicy. Prądnice i silniki prądu zmiennego

Prądnice które w elektrowniach wytwarzają energię elektryczną pracują na zasadach maszyny synchronicznej. Do napędu prądnic stosuje się: wodę, parę lub silniki spalinowe. Wirnik prądnicy napędzany przez maszynę napędową z prędkością n wytwarza pole wirujące z prędkością n wywołane przez prąd wzbudzenia. Pole to indukuje w każdej fazie

Page 35: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

nieruchomego uzwojenia stojana SEM proporcjonalną do strumienia Φ oraz prędkości obrotowej n. Przy obciążeniu maszyny synchronicznej przez fazy twornika płynie prąd I. Prąd twornika wywołuje strumień twornika, którego część przechodzi do wirnika maszyny i kojarzy się ze strumieniem wzbudzenia, tworząc wypadkowe pole wirujące maszyny. Silniki asynchroniczne Trójfazowy silnik asynchroniczny składa się z części nieruchomej – stojana i części wirującej wirnika. Stojan i wirnik zbudowane są z blach elektrotechnicznych izolowanych jednostronnie i złożonych w pakiety. W żłobkach stojana ułożone jest uzwojenie, w żłobkach na obwodzie wirnika umieszczone są uzwojenia wirnika. W zależności od uzwojenia wirnika rozróżniamy silniki klatkowe oraz pierścieniowe. Po przyłączeniu uzwojenia stojana do sieci 3-fazowej powstaje wirujące pole magnetyczne. Prędkość wirowania pola zależy od częstotliwości w sieci i od liczby biegunów. Prędkość jest tym większa im większa jest częstotliwość i im mniejsza jest liczba biegunów. Aby powstał moment obrotowy, pole wirujące musi sprowokować drogą indukcji przepływ prądu. Dlatego prędkość obrotowa wirnika musi być zawsze mniejsza od prędkości synchronicznie wirującego pola. Różnica tych prędkości jest nazywana poślizgiem. Poślizg podaje się najczęściej w procentach w stosunku do prędkości wirującego pola. Wynosi on do 5,5 kW około6% do 3,5% zaś dla silników o większej mocy 3,5% do 2,5%. Z uwagi na prostą budowę i niski koszt najczęściej stosowanymi silnikami są silniki klatkowe.

Rys. 28. Przekrój silnika asynchronicznego z wirnikiem zwartym [2, s.258]

Najczęściej stosowane zabezpieczenie silników klatkowych:

− zabezpieczenie zwarciowe – bezpiecznik albo wyłącznik, zawsze na początku obwodu − zabezpieczenia przeciążeniowe – za zabezpieczeniem zwarciowym. Można zrezygnować

z tego zabezpieczenie dla silników małej mocy(10kW), których przeciążenie jest mało prawdopodobne (napęd pomp, wentylatorów).

Page 36: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

− zabezpieczenie podnapięciowe – stycznik sterowany impulsem krótkim, którego obwód sterowniczy jest zasilany z obwodu głównego. W razie zaniku napięcia silnik zostaje wyłączony i nie rusza samoczynnie po powrocie napięcia.

Silniki elektryczne są znormalizowane. Zaletą silników znormalizowanych jest to, że przy takiej samej mocy i rodzaju budowy ich wymiary są takie same niezależnie od tego kto je wyprodukował. Każda maszyna elektryczna musi mieć tabliczkę znamionową. Podane są na niej informacje: producent, typ i rodzaj maszyny oraz wartości znamionowe napięcia, prądu, mocy i prędkości obrotowej. Wymienia się również rodzaj pracy, klasę materiału izolacyjnego i stopień ochrony.

Rys.29. Tabliczka znamionowa maszyny [2, s. 255]

Przykłady oznaczeń typu silników: SCU 10a – silnik indukcyjny, budowy okapturzonej, na łapach, z wirnikiem pierścieniowym, serii a, wielkości mechanicznej 10, sześciobiegunowy, z pakietem blach o długości a. Oznaczenie typu składa się z części literowej i części cyfrowej z dodatkową literą na końcu części cyfrowej. Symbol określa rodzaj maszyny elektrycznej, jej budowę, rodzaj wirnika, odmianę elektryczną, formę wykonania, serię, liczbę biegunów i długość pakietu blach. Symbol typu może być mniej lub więcej rozbudowany, zależnie od rodzaju silnika. Budowa części literowej symbolu: litera pierwsza − S – oznacza silnik indukcyjny litera druga − B – budowa chroniona − C – budowa okapturzona − Z – budowa zamknięta litera trzecia − J – wirnik klatkowy − D – wirnik dwuklatkowy − U – wirnik pierścieniowy litera czwarta − M – silnik o powiększonym momencie rozruchowym − B – silnik do wbudowania Litera czwarta lub piąta − K – silnik kołnierzowy do pracy w położeniu poziomym − L – silnik kołnierzowy na łapach − V – silnik kołnierzowy do pracy w położeniu pionowym litera przedostatnia − A – silnik z aluminiowym uzwojeniem stojana

Page 37: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

ostatnia litera − a, b, c, d, e, f – oznacza serię Budowa części cyfrowej symbolu: − pierwsze miejsce – liczba jedno lub dwucyfrowa oznacza wielkość mechaniczną silnika − drugie miejsce – liczba jedno lub dwucyfrowa oznacza liczbę biegunów − ostatnie miejsce – mała litera lub dwie litery oznaczają długość pakietu blach silnika. np. SCUa 10a – silnik indukcyjny, budowy okapturzonej, na łapach, z wirnikiem pierścieniowym, serii a, wielkości mechanicznej 10, sześciobiegunowy, z pakietem blach o długości a. SZJe 42/4b – silnik indukcyjny, budowy zamkniętej, na łapach, z wirnikiem klatkowym, serii e, wielkości mechanicznej 4, dwubiegunowy o liczbie biegunów 2 i 4, z pakietem blach o długości b. Transformatory Energię elektryczną można w sposób ekonomiczny przesyłać na duże odległości tylko wtedy, gdy stosuje się wysokie napięcia i małe wartości prądu. Zadaniem transformatorów jest przetwarzanie prądów i napięć przemiennych na prądy i napięcia o niższej lub wyższej wartości. Zgodnie z normą wyróżnia się: − transformatory małe (moc do 16kVA) − transformatory duże (16kVA do 20MVA) Budowa i sposób działania transformatora Transformatory mogą być wykonane jako jednofazowe lub trójfazowe. Składają się z dwóch lub więcej cewek oddzielonych od siebie elektrycznie.

Rys.30. Zasada budowy jednofazowego transformatora rdzeniowego

Cewki transformatora są ze sobą sprzężone magnetycznie przez wspólny rdzeń żelazny.

Jeżeli uzwojenie pierwotne zostanie przyłączone do źródła napięcia przemiennego, płynący przez nie prąd wytwarza w rdzeniu zmienne pole magnetyczne. Pole to indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym. Częstotliwość napięcia w uzwojeniu wtórnym jest taka sama jak w uzwojeniu pierwotnym. Stosunek wartości napięcia wejściowego U1 do wyjściowego U2 nazywa się przekładnią „n” transformatora.

1

2

2

1

2

1

II

NN

UUn ===

n – przekładnia transformatora U1 – napięcie wejściowe I2 – natężenie prądu wyjściowego N1 – liczba zwojów uzwojenia wejściowego

N2 – liczba zwojów uzwojenia wyjściowego U2 – napięcie wyjściowe I1 – natężenie prądu wejściowego

Page 38: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

Oprócz zastosowań energetycznych w których występują transformatory siłowe buduje się różne transformatory specjalne. Należą do nich transformatory pomiarowe zwane przekładnikami, transformatory spawalnicze, prostownikowe, autotransformatory, a także transformatory miniaturowe stosowane w układach elektroniki i automatyki. 4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie źródła światła są stosowane najczęściej? 2. Podaj wady i zalety żarówki i świetlówki. 3. Do czego są potrzebne oprawy oświetleniowe? 4. Jaką wartość przyjmuje obecnie napięcie fazowe, a jaką przewodowe? 5. Jaki system sieci stosowany jest w instalacjach doprowadzających energię elektryczną do

mieszkań, biur, warsztatów? 6. Jakie zjawiska fizyczne wykorzystuje się do nagrzewania elektrycznego? 7. Wymień podział pieców rezystancyjnych ze względu na wysokość temperatury. 8. Jakie zastosowania znalazły piece łukowe, a jakie pojemnościowe? 9. Jakie zalety mają nagrzewnice promiennikowe? Do czego są wykorzystywane? 10. Jak może dojść do porażenia prądem? 11. Jak negatywnie działa prąd na organizm ludzki? 12. Jaką wartość przyjmuje napięcie w normalnych warunkach uznane za bezpieczne? 13. Co wpływa na skutki porażenia? 14. Jak udzielić pierwszej pomocy porażonemu? 15. Jakie przepisy mówią o wymaganiach jakie muszą spełniać urządzenia elektryczne? 16. Opisz co może nastąpić w przypadku zastąpienia zabezpieczenia (bezpiecznik) innym

dużo większym. 17. 17.Dlaczego można pracować tylko na urządzeniach sprawnych technicznie? 18. Co trzeba zrobić w przypadku stwierdzenia nieprawidłowości urządzenia lub złego stanu

izolacji elektrycznej i dlaczego 19. Z jakich części zbudowany jest silnik indukcyjny? 20. Ile uzwojeń ma stojan silnika asynchronicznego trójfazowego? 21. Jak mogą być połączone uzwojenia trójfazowego silnika asynchronicznego? 22. Jakie znasz materiały izolacyjne? 23. Dla jakiej temperatury określa się znamionowe parametry silników indukcyjnych? 24. W jaki sposób mierzy się rezystancję izolacji między uzwojeniami silnika, a jak między

uzwojeniem a zaciskiem ochronnym? 25. Dlaczego należy rozładować badane uzwojenie po zakończonym pomiarze? 26. Omów budowę transformatora. 27. W jaki sposób mogą być nawijane uzwojenia transformatora? 28. Dlaczego bada się rezystancję izolacji między uzwojeniem pierwotnym a wtórnym

transformatora? 29. Jaka wartość mocy rozdziela umownie transformatory na duże i małe? 30. Do czego służą transformatory specjalne? 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Pomiar rezystancji izolacji stojana silnika indukcyjnego.

Page 39: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) przypomnieć sobie budowę silnika, 2) przed pomiarem odłączyć przewody zasilające oraz sprawdzić czy temperatura uzwojeń

jest wyższa niż 100C, 3) przygotować mierniki do przeprowadzenia pomiaru, 4) bezpośrednio przed pomiarem uziemić uzwojenie na okres około 1 minuty, 5) zaplanować tabelę do zapisywania wyników pomiarów wiedząc, że będziesz mierzył: a. rezystancję między danym uzwojeniem, a zaciskiem ochronnym maszyny do której

przyłącza się pozostałe uzwojenia, b. rezystancję między poszczególnymi uzwojeniami, c. pamiętać, że oddzielne uzwojenie silnika to takie z punktu widzenia pomiaru) które ma

wyprowadzenia swoich końców na tabliczce, 6) połączyć miernik z uzwojeniem silnika wg wskazówek w punkcie 5a,b,c, 7) dokonać pomiaru odczytując wartość rezystancji dla czasu 60 sekund, 8) rozładować badane uzwojenie po zakończeniu pomiaru, 9) przeliczyć wyniki pomiarów zgodnie z tabelą, jeśli pomiar był wykonany przy

temperaturze innej niż 200C: R20 = K20 RZM RZM – rezystancja izolacji zmierzona dla danej temperatury, K20- współczynnik przeliczeniowy dla danej temperatury odczytujemy z tabeli 10) ocenić wyniki pomiarów wiedząc, że rezystancja silników o mocy >250kW R60(przy

T=200C) jest nie mniejsza niż 1MΩ na 1kV napięcia znamionowego uzwojenia, a o mocy mniejszej lub równej 250kW R60(przy T=200C) jest nie mniejsza niż 1kΩ na 1V napięcia znamionowego,

11) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia. Wyposażenie stanowiska pracy:

− silnik indukcyjny z wyprowadzonymi końcami uzwojeń stojana na napięcie zasilania 400V,

− miernik do pomiaru izolacji na napięcie 0,5 kV, − termometr, − tabele do przeliczenia wyników pomiarów dla temp. 200C − biały papier formatu A4 dla każdego zespołu, − stoper. Ćwiczenie 2

Pomiar rezystancji izolacji uzwojeń transformatora małej mocy

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zaplanować czynności, które umożliwią przeprowadzenie ćwiczenia, 2) sporządzić tabelkę w której będą zapisywane wyniki pomiarów, 3) skompletować niezbędną aparaturę i sprzęt,

Page 40: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

4) wykonać pomiary pomiędzy elementami do których przyłącza się napięcie, a korpusem oraz między stroną wejściową i wyjściową transformatora (wartość pomiarów odczytać dla T=60s),

5) ocenić wyniki pomiarów wiedząc, że zmierzone wartości nie mogą być mniejsze niż: a 2MΩ między elementami znajdującymi się pod napięciem i korpusem, b 5MΩ między stroną wejściową a wyjściową transformatora, c 7 MΩ przy izolacji wzmocnionej, np. w transformatorach bezpieczeństwa. 6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,

Wyposażenie stanowiska pracy: − transformator 5 – 10 kW, − miernik do pomiaru izolacji o napięciu do 500V, − stoper, − biały papier formatu A4 dla każdego zespołu Ćwiczenie 3

Pomiar rezystancji izolacji transformatorów zainstalowanych w spawarkach

Sposób wykonania ćwiczenia.

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś; 1) odłączyć urządzenie od zasilania, 2) na około 2 minuty uziemić uzwojenie transformatora, 3) zaplanować czynności do przeprowadzania pomiarów, 4) przygotować niezbędne aparaty do przeprowadzenia pomiarów, 5) przygotować tabelę do zapisywania wyników pomiarów, 6) sprawdzić, czy są odłączone elementy półprzewodnikowe w spawarce prostownikowej, 7) wykonać pomiar między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym a obudową, odczytując

wynik po ok. 60 s, 8) rozładować transformator po wykonaniu każdego pomiaru, 9) ocenić wyniki pomiarów wiedząc, że: a) dla spawarek transformatorowych rezystancja jest nie mniejsza niż 2MΩ, b) dla spawarek prostownikowych rezystancja izolacji podana jest w instrukcji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− spawarka transformatorowa (lub prostownikowa), − miernik do pomiaru rezystancji izolacji na 1000V, − stoper, − biały papier formatu A4 dla każdego zespołu.

Page 41: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie

1) wymienić najczęściej stosowane źródła światła? 2) określić zalety i wady żarówki i świetlówki? 3) wymienić role opraw oświetleniowych? 4) narysować schemat zasilania żarówki z włącznikiem jednobiegunowym? 5) określić, jaką wartość przyjmuje napięcie fazowe, a jaką przewodowe? 6) opisać zjawiska fizyczne, które wykorzystuje się do nagrzewania

elektrycznego?

7) wyjaśnić działanie pieców rezystancyjnych oraz dokonać podziału ze względu na osiągane temperatury?

8) wymienić zastosowanie pieców łukowych i pojemnościowych? 9) wymienić zalety nagrzewnic promiennikowych oraz ich zastosowanie? 10) wyjaśnić dlaczego nie można „drutować” bezpieczników? 11) opisać zagrożenia na jakie są narażeni ludzie pracujący w bezpośrednim

sąsiedztwie maszyn i urządzeń elektrycznych?

12) opisać działanie prądu elektrycznego na organizm ludzki? 13) określić wartość napięcia, które w normalnych warunkach uznawane jest za

bezpieczne?

14) udzielić pierwszej pomocy porażonemu? 15) odpowiednio zareagować w przypadku stwierdzenia złego stanu izolacji

urządzenia elektrycznego?

16) dokonać podziału maszyn elektrycznych ze względu na zamienianą energię 17) wyjaśnić określenie „silniki znormalizowane”? 18) odczytać i zinterpretować podstawowe dane opisane na tabliczce

znamionowej maszyny elektryczne?

19) wymienić rodzaje silników i prądnic prądu stałego? 20) opisać budowę silnika prądu zmiennego, asynchronicznego? 21) wyjaśnić zasadę działania transformatora? 22) wyjaśnić parametr: przekładnia transformatora? 23) wymienić zastosowania transformatora?

Page 42: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

4.3. Elementy elektroniki i automatyki 4.3.1 Materiał nauczania

Najszersze znaczenie we współczesnej elektronice mają półprzewodniki, których podstawowymi przedstawicielami są dwa pierwiastki: german Ge i krzem Si. Aby półprzewodniki mogły przewodzić prąd, muszą być spełnione określone warunki. Półprzewodnikowe elementy elektroniczne dzielimy na złączowe np. dioda, tranzystor, tyrystor i bezzłączowe np. termistor, warystor, hallotron. Diody Diodą półprzewodnikową nazywa się element dwukońcówkowy o nieliniowej charakterystyce prądowo – napięciowej. Dioda półprzewodnikowa zawiera zwykle pojedyncze złącze p-n. Ze względu na cechy funkcjonalne wyróżniamy diody: prostownicze, uniwersalne, stabilizacyjne, impulsowe, mikrofalowe, specjalne.

Rys.31. Symbole graficzne diod półprzewodnikowych: a) ogólny – diody prostowniczej; b) diody Zenera

(stabilizacyjnej); c) diody pojemnościowej; d) diody Schottky’ego; e) diody tunelowej [14,s.120] Diody prostownicze są głównie przeznaczone do prostowania prądu przemiennego przy dość dużych mocach wydzielanych w obciążeniu. Właściwości tych diod charakteryzuje się za pomocą parametrów granicznych i parametrów charakterystycznych określanych zarówno dla kierunku przewodzenia, jak i dla kierunku zaporowego.

Rys. 32. Charakterystyka prądowo – napięciowa diody półprzewodnikowej z zaznaczonymi punktami

charakterystycznymi [14,s.124] Symbolami UF i IF oznacza się wartość napięć i prądów w czasie, gdy dioda przewodzi, a UR i IR – kiedy dioda jest w stanie zaporowym. Przykładowe zastosowanie diod półprzewodnikowych: − diody prostownicze w prostownikach i zasilaczach, − diody Zenera w stabilizatorach napięcia, − fotodiody w różnego rodzaju czujnikach reagujących na światło, − diody elektroluminescencyjne jako sygnalizatory stanów w układach.

Page 43: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

Układy prostownikowe Do zasilania wielu urządzeń potrzebne jest napięcie stałe. W tym celu wykorzystuje się zasilacze w których napięcie przemienne zamieniane jest na napięcie stałe. Schematy najczęściej stosowanych prostowników ilustruje tabela nr2. Tabela 5..Najczęściej stosowane układy prostownikowe [2,s.207]

Dzisiaj prostowniki są produkowane w wersji scalonej

Rys.33. Scalony mostkowy układ prostownikowy [2,s.208]

Tranzystor Tranzystory są elementami aktywnymi. Mogą wzmacniać napięcie, prąd, moc. Dzięki

temu stanowią najważniejszą grupę elementów półprzewodnikowych. Można je podzielić na bipolarne i unipolarne.

Każdy tranzystor bipolarny zawiera dwie warstwy typu P rozdzielone warstwą typu N (tranzystor PNP) lub dwie warstwy typu N rozdzielone warstwą typu P (tranzystor NPN). Obszar oznaczony literą E stanowi emiter, oznaczony literą C – kolektor, obszar B jest bazą

Page 44: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

tranzystora. Te trzy fragmenty tranzystora mają wyprowadzenia na zewnątrz w postaci metalowych drucików. Obszar bazy jest zwykle mniejszy od obszarów sąsiednich.

Rys.34. Tranzystory bipolarne: a) PNP; b) NPN [13, s.191]

Rys. 35. Sposób oznaczania tranzystorów na schematach elektrycznych: a) PNP; b) NPN [13, s.191]

Najważniejszymi parametrami charakterystycznymi tranzystora są: − statyczny współczynnik wzmocnienia prądu β, − napięcie baza – emiter UBE, − prąd kolektora IC, − prąd bazy IB, − moc strat Ptot. Najistotniejszym parametrem jest statyczny współczynnik wzmocnienia prądowego β. Jest to stosunek prądu kolektora IC do prądu bazy IB

B

C

II

W układach tranzystory występują w trzech rodzajach połączeń: ze wspólną bazą OB, ze wspólnym kolektorem OC, ze wspólnym emiterem OE. W praktyce wykorzystuje się wszystkie trzy sposoby połączeń tranzystorów.

Rys. 36. Układy połączeń tranzystorów: a) OB.; b) OC; c) OE [13,s.192]

Tranzystory i układy tranzystorowe znalazły szerokie zastosowanie np. jako łączniki elektroniczne, wzmacniacze małej częstotliwości, stabilizatory napięcia. Tyrystory

Tyrystor jest półprzewodnikowym czterowarstwowym (PNPN) prostownikiem sterowanym. Przy prądzie bazowym Ib = 0 w zakresie napięć (rys.....) od 0 do Uzo tyrystor zachowuje się tak, jak dioda spolaryzowana w kierunku zaporowym. Dopiero po przekroczeniu wartości napięcia Uzo rezystancja tyrystora gwałtownie zmniejsza się i przechodzi on do stanu przewodnictwa. Prostowniczymi właściwościami tyrystora można sterować za pomocą prądu bramkowego Ib. Zwiększenie tego prądu prowadzi do zmniejszania się napięcia zapłonu, Uz2,Uz1,Uzo, przy którym tyrystor przechodzi do stanu przewodnictwa.

Prostowniki sterowane są to takie prostowniki, w których istnieje możliwość nastawiania żądanej wartości napięcia wyprostowanego. Do budowy prostowników sterowanych wykorzystuje się najczęściej tyrystory.

Page 45: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

Rys. 37. Charakterystyka prądowo – napięciowa tyrystora przy różnych wartościach prądu bramkowego Ib

A- anoda, K – katoda, B – bramka [13, s.179]

Tyrystory znalazły zastosowanie jako prostowniki sterowane do regulacji mocy, prędkości obrotowej silnika, przemiany częstotliwości (falowniki), do zmiany napięcia stałego na przemienne. Układy scalone. Mikroprocesory. W elektronice stosuje się scalone układy analogowe i cyfrowe. Mikroprocesory są to układy scalone o wielkiej skali integracji. Na przykład procesor K6 (przewyższający popularny procesor PENTIUM) zawiera ponad 85 milionów tranzystorów. Przy budowie mikroprocesorów wykorzystano wcześniejsze osiągnięcia techniki komputerowej, dotyczące głównie sposobu przekazywania danych, adresów i sterowań między poszczególnymi blokami. Jest to sposób magistralny. System magistralowego przekazywania informacji polega na tym, że do każdej magistrali są dołączone równolegle wszystkie bloki danego systemu, lecz na informację znajdującą się na magistrali danych oczekuje tylko jeden blok wskazany adresem wysłanym przez układ sterujący na magistralę adresową. O tym, czy na magistralę danych ma być wprowadzona informacja, czy z magistrali danych ma być pobrana informacja, decyduje stan magistrali sterowania.

Rys. 38. Budowa procesora [9, s.60] CU – jednostka sterująca, RR – rejestrator i dekoder rozkazów, LR i SP –

licznik rozkazów i wskaźnik stosu

Page 46: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

Układy elektroniczne w maszynach i urządzeniach mechanicznych. Układy elektroniczne stosowane są praktycznie we wszystkich dziedzinach

produkcyjnych. Szczególną rolę odgrywają w przypadku mierników, regulatorów, przetworników. Jeżeli chodzi o maszyny mechaniczne możemy mówić o pomiarze prędkości obrotowej, o regulacji prędkości silników, o zasilaniu silników przez falowniki gdzie zmieniana jest częstotliwość napięcia zasilania. Stosowane są tzw. zadajniki czyli urządzenia do wprowadzania stałej wartości zadanej, oraz programatory zmiennej wartości zadanej o określonym profilu czasowym. W gospodarstwie domowym nie wspominając o sprzęcie RTV, układy elektroniczne są stosowane w prawie wszystkich urządzeniach: pralki, lodówki, odkurzacze, miksery. Wreszcie urządzenia elektroniczne stanowią 35% wartości tradycyjnego samochodu np. układ regulacji napięcia alternatora. Alternator jest generatorem prądu zmiennego o wzbudzeniu obcym (elektromagnetycznym), napędzanym przez silnik samochodu za pośrednictwem paska klinowego. Stabilizację napięcia osiąga się przez zastosowanie elektronicznego regulatora napięcia alternatora.

Rys. 39. Schemat układu regulacji alternatora [9,s.214]

Rys. 40. System sterowania silnika spalinowego [9, s.219]

Centralną częścią tego systemu jest procesor silnika wyposażony w oprogramowanie zawierające receptę jak optymalnie należy sterować silnikiem w zmieniających się warunkach jazdy.

Page 47: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

Podstawowe pojęcia techniki cyfrowej i analogowej oraz automatyki. Jeszcze do niedawna wartości prądu i napięcia elektrycznego były przedstawiane jako

wartości ciągłe zmienne lub stałe w czasie (wielkości analogowe). Przy przetwarzaniu, a szczególnie przy przesyłaniu tych wielkości na odległość napotykano na znaczne trudności związane z oddziaływaniem różnego rodzaju zakłóceń na sygnał wzorcowy co było przyczyną fałszowania wartości końcowej. Wkroczenie techniki cyfrowej w elektronikę znacznie ograniczyło te niedogodności i spowodowało, że przesyłane wielkości np. sygnał foniczny, czy wizyjny praktycznie nie różni się od sygnału początkowego. Dzieje się tak dlatego, że sygnał cyfrowy otrzymany na wyjściu przetwornika A/C jest kombinacją liczb zapisanych w systemie dwójkowym (0;1). Ogólne pojęcie sygnału

Sygnałem nazywa się dowolną wielkość fizyczną , występującą w procesie sterowania, za pomocą której są przekazywane informacje. Sygnał charakteryzują treści fizyczne oraz parametr informacji. Treść fizyczna sygnału określa, jaką wielkością fizyczną jest ten sygnał (np. ciśnienie powietrza, przepływ wody, ciśnienie oleju, natężenie prądu stałego itd.). W trakcie przesyłania sygnału treść fizyczną można zmieniać, np. za pomocą przetwornika elektropneumatycznego można przetworzyć sygnał elektryczny (natężenie prądu stałego) na sygnał pneumatyczny (ciśnienie powietrza). Parametr informacji – określa sposób przenoszenia informacji oraz wartość sygnału lub zakres zmian wartości amplitudy sygnału ciśnieniowego. Z uwagi na sposób przenoszenia informacji rozróżnia się sygnały analogowe i cyfrowe. Sygnał analogowy – charakteryzuje się tym, że wartości wielkości sygnałowej są jednoznacznie i w sposób ciągły odwzorowywane na wartości parametru informacji. Na przykład: zmiany temperatury powietrza w rurociągu w czasie Θ = f(t) są w sposób ciągły i jednoznaczny odwzorowywane na położenie wskazówki x [mm], które jest parametrem informacji rys.41.

Rys. 41. Sygnał analogowy

Sygnał dyskretny charakteryzuje się określoną liczbą dyskretnych wartości parametru informacji.

Page 48: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

46

Rys. 42. Sygnał dyskretny

Elementem automatyki nazywa się urządzenie (np.: regulator, przetwornik sygnału) występujące w układzie automatycznej regulacji. Układem sterowania automatycznego nazywa się zespół składający się z obiektu sterowania i oddziałujących na niego urządzeń. Wyróżniamy dwa podstawowe układy sterowania automatycznego: otwarte i zamknięte.

. Rys43. Schematy blokowe układów automatyki: a) otwartego; b) zamkniętego

X – sygnał wejściowy Z – zakłócenia Xr – sygnał sterujący Y – wielkość sterowana (układ otwarty) lub regulowana (układ zamknięty) W – wartość zadana E – odchyłka sterowania (regulacji)

Page 49: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

47

Rys. 44. Przykłady elementów automatyki [ 16, s.14]

Napędy hydrauliczne i pneumatyczne Urządzenia automatyki (przetworniki, przyrządy pomiarowe, regulatory, siłowniki, silniki) są konstruowane jako urządzenia pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne, elektroniczne lub mieszane. Pneumatyka – to techniczne zastosowanie powietrza pod ciśnieniem. Do zalet pneumatyki można zaliczyć: − sprężone powietrze może być transportowane przewodami i magazynowane

w zbiornikach, − sprężone powietrze jest niewrażliwe na temperatury, − możliwe są do osiągnięcia prędkości obrotowe do 30000min –1 w silnikach

pneumatycznych, − prędkości i siły mogą być nastawiane w sposób ciągły, − maszyny pneumatyczne mają małą masę i są odporne na uszkodzenia.

Wady pneumatyki: − zbyt duża hałaśliwość układu, − straty czynnika roboczego ( powietrza) spowodowane przeciekami, − trudne do osiągnięcia małe i stałe prędkości tłoków siłowników oraz prędkości obrotowe

silników. Napędy pneumatyczne przetwarzają energię pneumatyczną w energię mechaniczną. Rozróżnia się napędy obrotowe o nieograniczonym zakresie obrotu (silniki pneumatyczne) i o ograniczonym zakresie obrotu (silniki o ruchu wahadłowym) oraz napędy o ruchu posuwisto zwrotnym (siłowniki liniowe).

Page 50: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

48

Tabela 6. Symbole pneumatycznych elementów napędowych wg PN ISO 1219

Do hydraulicznych elementów wykonawczych zalicza się siłowniki, siłowniki o ruchu wahadłowym i silniki hydrauliczne. Ich zadaniem jest przekształcanie energii hydraulicznej w energię mechaniczną. Siłowniki hydrauliczne – do uzyskania liniowych przemieszczeń. Siłowniki o ruchu wahadłowym – stosuje się do wytwarzania ruchów obrotowych w zakresie kąta obrotu od 500 do 3600.

Silniki hydrauliczne – przekształcają energię ciśnienia cieczy w pracę mechaniczną. Mogą pracować z prędkościami: − 750 – 3000 obr/min – szybkoobrotowe, − 0,1 – 750 obr/min – wolnoobrotowe.

Page 51: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

49

Automatyzacja, robotyzacja procesów produkcji Automatyka zajmuje się teorią i praktyczną realizacją urządzeń sterujących(bez udziału

człowieka lub z ograniczonym jego udziałem). Jest ona podstawą teoretyczną konstruowania automatów, czyli maszyn i urządzeń wykonujących cały cykl swej pracy bez udziału człowieka. Robotyka zajmuje się teorią i praktyczną realizacją pewnej grupy automatów, nazywanych robotami, szczególnie ich mechaniką i sterowaniem. Robot różni się od automatu przede wszystkim tym, że można go nauczyć spełniania bardzo różnorodnych funkcji. Granica między automatem, a robotem nie jest duża. Manipulatory, roboty przemysłowe Maszyny manipulacyjne są zewnętrznie często bardzo podobne, różnią się jednak pod względem sposobu sterowania, programowania i pól zastosowań. Maszyny manipulacyjne dzieli się na manipulatory, urządzenia Pick-and-Place oraz roboty przemysłowe.

Rys. 45. Podział urządzeń manipulacyjnych

Roboty – to uniwersalne, programowalne maszyny manipulacyjne o wielu osiach.

Roboty serwisowe – to najczęściej mobilne (samoprzemieszczające się)maszyny manipulacyjne, realizujące zadania robocze lub transportowe. Stałoprogramowe maszyny manipulacyjne – maszyny stosowane w przypadku realizacji ruchów o stałej trajektorii, np. w produkcji seryjnej przy obsłudze prasy lub montażu. Maszyny takie wyposażone są przeważnie w pneumatyczne siłowniki liniowe lub obrotowe. Nazywa się je także urządzeniami Pick-and-Place. Manipulatory są maszynami realizującymi ruchy zadawane i sterowane ręcznie przy (przeważnie) obserwacji wizualnej. Większość współczesnych robotów ma budowę kinematyczną typu RRR.

Page 52: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

50

Rys. 46. Robot o kinematyce RRR (robot przegubowy)

W przypadku kinematyki RRR wszystkie trzy ruchy są realizowane przez obrotowe przeguby. 4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jak nazywają się wyprowadzenia tranzystora bipolarnego? 2. Nazwij układy pracy tranzystora. 3. Ile złącz ma tranzystor bipolarny? 4. Podaj sposób obliczania wzmocnienia napięciowego wzmacniacza. 5. Jak mierzymy współczynnik wzmocnienia prądowego? 6. Jakie znasz programy komputerowe, które służą do badania układów elektrycznych,

elektronicznych? 7. Opisz stany pracy tranzystora. 8. Jakimi przyrządami możesz zmierzyć napięcie elektryczne i prąd elektryczny? 4.3.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Badanie tranzystorowego wzmacniacza napięciowego Schemat wzmacniacza tranzystorowego. Połącz układ według schematu i wyznacz współczynnik wzmocnienia napięciowego w paśmie częstotliwości akustycznych 30 Hz do 20 kHz. Ku = Uwy/Uwe

Cwe = 10μF; CE = 47 μF; Tranzystor BC549 EC = 15V RE = 200Ω ; RC = 1k R2 = 47k; R1 = 220k

Page 53: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

51

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś: 1) zaplanować czynności w celu wykonania pomiarów, 2) skompletować niezbędny sprzęt do przeprowadzenia pomiarów, 3) połączyć układ do badania tranzystorowego wzmacniacza

napięciowego

4) przygotować tabelę w której będą zapisywane wyniki pomiarów, Ku=f(Uwe) Uwe V

Uwy V f1 = ...Hz Ku V/V

Uwy V f2 = ...Hz Ku V/V Uwy V f3 = ...Hz Ku V/V Uwy V f4 = ...Hz Ku V/V

5) wykonać pomiary i obliczyć wzmocnienie napięciowe dla różnych częstotliwości napięcia

wejściowego, wyniki zapisać w tabeli, 6) obserwować na ekranie oscyloskopu kształt krzywej wzmocnionego napięcia i notować

spostrzeżenia, 7) zaprezentować wyniki i wyciągnąć wnioski, 8) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− elementy niezbędne do zmontowania wzmacniacza elektronicznego, którego schemat zamieszczono w ćwiczeniu,

− zasilacz, − generator akustyczny, − oscyloskop, − woltomierz, − przewody łączeniowe, − wyłącznik, − biały papier formatu A4

Page 54: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

52

Ćwiczenie 2 Badanie tranzystora bipolarnego

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) przypomnieć sobie sposób obliczania wzmocnienia prądowego tranzystora, 2) zapisać zależności prądowe i napięciowe tranzystora bipolarnego, 3) przygotować stanowisko komputerowe wraz z oprogramowaniem np. MULTISIM 7, 4) narysować w programie komputerowym otrzymany od nauczyciela schemat wzmacniacza

tranzystorowego, 5) wstawić do schematu amperomierze, woltomierze, oscyloskop aby zmierzyć prądy

i napięcia tranzystora, oraz aby obejrzeć wyjściowy przebieg napięciowy, 6) zaplanować tabelkę do której będą zapisane wyniki pomiarów, 7) przeprowadzić pomiary, wpisać wyniki, obliczyć wzmocnienie prądowe, 8) porównać otrzymane wyniki, wyciągnąć wnioski o stanie pracy tranzystora, 9) przeprowadzić pomiary dla trzech różnych wartości napięcia wejściowego, 10) zaprezentować wyniki i wyciągnąć wnioski, 11) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia,

Wyposażenie stanowiska pracy:

− stanowisko komputerowe wraz z oprogramowaniem, − schemat wzmacniacza tranzystorowego. 4.3.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz: Tak Nie

1) określić różnicę między półprzewodnikami, izolatorami a przewodnikami? 2) wyliczyć najbardziej rozpowszechnione elementy półprzewodnikowe? 3) sprawdzić, czy dioda jest dobra? 4) narysować wybrany układ prostownikowy? 5) nazwać elektrody tranzystora bipolarnego? 6) wymienić parametry tranzystora? 7) narysować przekrój tyrystora i nazwać jego wyprowadzenia? 8) wskazać zastosowania tyrystorów? 9) scharakteryzować mikroprocesory? 10) opisać na czym polega system magistralnego przekazywania informacji? 11) podać zastosowanie układów elektronicznych w maszynach mechanicznych? 12) omówić schemat blokowy regulatora napięcia alternatora samochodowego? 13) podać różnicę między sygnałem analogowym a cyfrowym? 14) podać podstawowe elementy i układy automatyki? 15) rozróżnić pojęcia pneumatyka i hydraulika? 16) podać wady i zalety napędu pneumatycznego? 17) podać wady i zalety napędu hydraulicznego? 18) wyjaśnić czym zajmuje się robotyka? 19) dokonać podziału maszyn manipulacyjnych?

Page 55: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

53

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. Za każdą prawidłową odpowiedź otrzymasz 1 punkt 5. Udzielaj odpowiedzi tylko na załączonej karcie odpowiedzi. 6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 7. Kiedy udzielenie odpowiedzi na dane pytanie będzie sprawiało Ci trudność, odłóż jego

rozwiązanie na później i wróć do niego, gdy rozwiążesz inne zadania i gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie. 9. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia

Page 56: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

54

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH .

1. Do przewodników pierwszego rodzaju należą: a) gazy, ciecze, b) german, krzem, c) miedź, aluminium, d) roztwory wodne kwasów.

2. W jaki sposób prąd działa na układ nerwowy człowieka? a) powoduje uszkodzenie uszu, b) powoduje uszkodzenie oczu, c) powoduje uszkodzenia mechaniczne. d) powoduje skurcze mięśni przez które przepływa

3. Dla miliamperomierza o zakresie pomiarowym 150 mA i liczbie działek 60 stała miernika

wynosi c = 2,5 dzmA . Jaka jest wartość mierzonego prądu jeżeli liczba działek wskazana

przez wskazówkę miernika wynosi 40. 4. Do elementów pasywnych odbiorczych obwodu elektrycznego zaliczamy:

a) akumulator, b) rezystory, cewki, kondensatory, c) baterię, d) prądnicę elektryczną.

5. W przypadku porażenia prądem elektrycznym należy w pierwszej kolejności a) spróbować uwolnić porażonego od napięcia przy użyciu suchego, drewnianego kija, b) chwycić porażonego pod pachy i odciągnąć z miejsca wypadku, c) wyłączyć napięcie w rozdzielni pomimo jej znacznego oddalenia od miejsca wypadku, d) zawiadomić przełożonych i wezwać pogotowie ratunkowe.

6. Który z podanych układów umożliwia pomiar natężenia prądu płynącego przez rezystor R i spadku napięcia na tym rezystorze.

d) żaden ze schematów

Page 57: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

55

7. W obwodzie przedstawionym na schemacie woltomierz wskazuje 8V. Rezystancje obwodu: R1 = 4Ω, R2 = 7Ω, R3 = 5Ω, Rw = 1Ω. Jakie napięcie wystąpi na rezystorze R2?

8. W celu określenia mocy pobieranej przez urządzenie zmierzono następujące wartości: U = 220V, I = 0,2A. Jaka jest moc urządzenia?

a) 220W, b) 44W, c) 110W, d) 444W.

9. Wyznacz wartość pojemności zastępczej układu kondensatorów przedstawionego poniżej, jeżeli C1 = 1μF, C2 = 2 μF, C3 = 3 μF

10. Narysuj obwód elektryczny złożony z trzech sił elektromotorycznych E1, E2, E3 połączonych szeregowo i obciążonych szeregowo połączonymi rezystancjami R1 i R2.

11. Rezystancja zastępcza trzech identycznych rezystorów, każdy po 4Ω, połączonych

szeregowo wynosi: a) 2Ω, b) 3 Ω, c) 8 Ω, d) 12 Ω.

12. Woda należy do materiałów: a) ferromagnetycznych, b) diamagnetycznych, c) paramagnetycznych, d) nie należy do żadnej wymienionej grupy.

13. Do napędu silnika pneumatycznego wykorzystuje się: a) energię elektryczną b) ciecz pod ciśnieniem c) sprężone powietrze d) silnik spalinowy

Page 58: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

56

14. Maszyny prądu stałego różnią się od maszyn prądu zmiennego o tej samej mocy gdyż: a) maszyny prądu stałego są zawsze koloru niebieskiego, b) maszyny prądu stałego są znacznie większe, c) maszyny prądu stałego są znacznie mniejsze, d) nie można ich rozróżnić, gdyż mają podobne gabaryty.

15. Dla przedstawionego węzła elektrycznego prądy mają następujące wartości: I1=7A, I2=4A I4 = 12A. Jaką wartość ma prąd I3?

a) 10A b) 9A c) 15A d) 23A

16. Wsad pieca indukcyjnego zachowuje się jak jedna z części transformatora:

a) uzwojenie pierwotne, b) uzwojenie wtórne, c) rdzeń, d) wzbudnik.

17. Jakim symbolem oznaczamy prąd przemienny (napięcie przemienne)? 18. W lampach żarowych źródłem światła jest:

a) wyładowanie elektryczne przy niskim ciśnieniu, b) rozgrzany żarnik, c) świecenie substancji chemicznych, d) wyładowanie elektryczne przy wysokim ciśnieniu.

19. Część nieruchoma silnika asynchronicznego to: a) stojan, b) wirnik, c) wał, d) pierścień.

20. Przedstawiony na rysunku obwód zbudowano z czterech przewodów o jednakowych polach przekroju wykonanych z aluminium Al., miedzi Cu, żelaza Fe i chromonikieliny Chr. Największą wartość ma prąd:

a) I1, b) I2, c) I3, d) I4.

Page 59: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

57

KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko.......................................................................................... Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji Zakreśl poprawną odpowiedź, wpisz brakująca odpowiedź lub wykonaj rysunek .

Nr zadania Odpowiedź Punkty

1. a b c d 2. a b c d

3.

4. a b c d 5. a b c d 6. a b c d

7.

8. a b c d

9.

10.

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.

18. a b c d 19. a b c d 20. a b c d

Razem:

Page 60: 7.Posługiwanie się podstawowymi pojęciami z zakresu układów sterowania i regulacji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

58

6. LITERATURA 1. Bartodziej G., Kałuża E.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 1997 2. Bastian P., Schuberth G., Spielvogel O., Steil H., Tkotz K., Ziegler K.: Praktyczna

elektrotechnika ogólna. REA, Warszawa 2003 3. Bolkowski S.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1995 4. Idzi K.: Pomiary elektryczne. Obwody prądu stałego. WSiP, Warszawa 1999 5. Jabłoński W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyką. WSiP, Warszawa 1998 6. Koziej E., Sochoń B.: Elektrotechnika i elektronika. PWN, Warszawa 1980 7. Kurdziel R.: Podstawy elektrotechniki. Cz. 1. WSiP, Warszawa 1976 8. Markiewicz H.: Bezpieczeństwo w elektroenergetyce. WNT, Warszawa 1999 9. Marusak A.: Urządzenia elektroniczne. Cz. 3. WSiP, Warszawa 2000 10. Musiał E.: Instalacje i urządzenia elektro-energetyczne. WSiP, Warszawa 1998 11. Nieciejowski E.: Elektrotechnika. WSiP, Warszawa 1980 12. Orlik W., Przybyłowicz J.: Badania i pomiary eksploatacyjne urządzeń

elektroenergetycznych dla praktyków. KaBe s.c. Krosno 2000 13. Pilawski M.: Pracownia elektryczna. WSiP, Warszawa 1999 14. Rusek M., Pasierbiński J.: Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach.

WNT, Warszawa 1991 15. Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B.: Mechatronika. REA,

Warszawa 2002 16. Siemieniako F., Gawrysiak M., Automatyka i robotyka. WSiP, Warszawa 1996