Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach

___________________________________________________________________________ „Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI NARODOWEJ

Tobiasz Budzyński Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach 827[01].O1.05 Poradnik dla ucznia Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego” 1

Recenzenci: mgr inż. Tomasz Jagiełło mgr inż. Marek Rudziński Opracowanie redakcyjne: mgr Tobiasz Budzyński Konsultacja: mgr Radosław Kacperczyk Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 827[01].O1.05 „Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach”, zawartego w programie nauczania dla zawodu operator maszyn i urządzeń przemysłu spożywczego.

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007


SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał nauczania 7

4.1. Podstawy elektrotechniki. Obwody i instalacje elektryczne 7 4.1.1. Materiał nauczania 7 4.1.2. Pytania sprawdzające 30 4.1.3. Ćwiczenia 31 4.1.4. Sprawdzian postępów 34

4.2. Podstawy elektroniki. Maszyny elektryczne 35 4.2.1. Materiał nauczania 35 4.2.2. Pytania sprawdzające 45 4.2.3. Ćwiczenia 46 4.2.4. Sprawdzian postępów 50

4.3. Podstawy automatyki. Systemy komputerowe 51 4.3.1. Materiał nauczania 51 4.3.2. Pytania sprawdzające 60 4.3.3. Ćwiczenia 60 4.3.4. Sprawdzian postępów 61

5. Sprawdzian osiągnięć 62 6. Literatura 68


1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w poznaniu układów elektrycznych i sterowania stosowanych w maszynach i urządzeniach.

W poradniku zamieszczono: – wymagania wstępne wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć już ukształtowane, abyś

bez problemów mógł korzystać z poradnika, – cele kształcenia wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem, – materiał nauczania, wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki

modułowej, – zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy już opanowałeś określone treści, – ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne, – sprawdzian postępów, – sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi

opanowanie materiału całej jednostki modułowej, – literaturę uzupełniającą.


Schemat układu jednostek modułowych

827[01].O1 Techniczne podstawy zawodu

827[01].O1.03 Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych w przemyśle spożywczym

827[01].O1.01 Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej i

ochrony środowiska

827[01].O1.02 Posługiwanie się dokumentacją techniczną

827[01].O1.05 Analizowanie układów

elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach

827[01].O1.04 Rozpoznawanie elementów

maszyn, urządzeń i mechanizmów

827[01].O1.06 Stosowanie podstawowych technik

wytwarzania części maszyn

827[01].O1 Techniczne podstawy zawodu

827[01].O1.03 Stosowanie materiałów

konstrukcyjnych w przemyśle spożywczym

827[01].O1.01 Przestrzeganie przepisów bezpieczeństwa

i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej i ochrony środowiska

827[01].O1.02 Posługiwanie się dokumentacją techniczną

827[01].O1.05 Analizowanie układów

elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach

827[01].O1.04 Rozpoznawanie elementów

maszyn, urządzeń i mechanizmów

827[01].O1.06 Stosowanie podstawowych technik

wytwarzania części maszyn


2. WYMAGANIA WSTĘPNE Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− przestrzegać przepisów bhp, ochrony przeciwpożarowej oraz ochrony środowiska, − posługiwać się instrukcjami i dokumentacją techniczną, − posługiwać się podstawowymi jednostkami miar i wag, − posługiwać się podstawowymi pojęciami i wielkościami fizycznymi, − posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w elektronice, − posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w elektrotechnice, − posługiwać się podstawowymi pojęciami stosowanymi w automatyce, − korzystać z różnych źródeł informacji, − obsługiwać komputer, − współpracować w grupie.


3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć: − rozróżnić podstawowe wielkości określające energię elektryczną oraz określić ich

jednostki, − rozpoznać na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu stałego

i przemiennego, − scharakteryzować materiały: przewodzące, półprzewodzące izolacyjne, magnetyczne, − określić parametry maszyn i urządzeń elektrycznych na podstawie tabliczki

znamionowej, − zmierzyć natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego oraz przemiennego

jednofazowego i trójfazowego, − rozróżnić instalacje mieszkaniowe i przemysłowe, − dobrać właściwy układ zabezpieczeń w obwodzie elektrycznym, − określić średnicę przewodu w zależności od wielkości pobieranej mocy, − rozróżnić połączenia odbiorników szeregowe, równoległe, w gwiazdę i w trójkąt, − rozróżnić: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie, − zmierzyć rezystancję izolacji i uziemienia, − rozpoznać typowe usterki i uszkodzenia w obwodach instalacji i osprzęcie elektrycznym

maszyn i urządzeń, − wyjaśnić zasadę działania transformatora, prądnicy, silnika elektrycznego, − wskazać różnice w budowie i pracy między prądnicą, silnikiem i transformatorem, − rozróżnić podstawowe elementy elektroniczne, − rozróżnić podstawowe elementy układu sterowania, − wyjaśnić zadanie podstawowych elementów układu sterowania, − rozróżnić elementy układów automatyki przemysłowej, − zinterpretować proste schematy układów automatycznej regulacji, − obsłużyć układy sterujące pracą maszyn i urządzeń, − rozpoznać zagrożenia spowodowane nieprawidłową obsługą układów sterujących, − rozpoznać zagrożenia występujące podczas pracy maszyn i urządzeń elektrycznych, − rozróżnić rodzaje i przeznaczenie zabezpieczeń stosowanych w maszynach

i urządzeniach, − określić zadania dozoru technicznego, − zastosować przepisy bezpiecznej pracy, ochrony przeciwporażeniowej prądem

elektrycznym, ochrony przeciwpożarowej podczas wykonywania pomiarów.


4. MATERIAŁ NAUCZANIA 4.1. Podstawy elektrotechniki. Obwody i instalacje elektryczne 4.1.1. Materiał nauczania

Poniżej zostaną omówione zagadnienia dotyczące bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwporażeniowej związane z prądem elektrycznym.

Elektryczność statyczna powstaje wówczas, gdy na przedmiotach odizolowanych od ziemi gromadzą się różnoimienne ładunki elektrostatyczne. Pojawia się ona w obiektach przemysłowych zarówno podczas przesypywania ciał sypkich, przelewania cieczy oraz przy przepływie gazów przez rurociągi. Zbliżenie do siebie przedmiotów naładowanych ładunkami różnoimiennymi może spowodować wyładowanie iskrowe. Jednak w pomieszczeniach gdzie występuje zagrożenie pożarowe, wyładowanie iskrowe może spowodować zapalenie się lub wybuch nagromadzonych substancji palnych. Niesie to za sobą nie tylko straty materialne, ale także może być zagrożeniem dla życia i zdrowia ludzi przebywających w pobliżu. Jednym ze sposobów przeciwdziałania elektryczności statycznej jest uziemienie przedmiotów metalowych. Polega to na połączeniu części gromadzących ładunki elektryczne z metalowym prętem umieszczonym bezpośrednio w ziemi. Przedmioty niemetalowe można chronić przed nagromadzeniem ładunków poprzez nawilżanie powietrza w pomieszczeniach. Cienka warstwa wody osiadająca na ściankach tych przedmiotów powoduje odprowadzenie ładunków do ziemi lub innych przedmiotów o przeciwnym ładunku elektrycznym.

Zasady prawidłowej eksploatacji i bezpiecznej obsługi maszyn elektrycznych wszystkie urządzenia elektryczne posiadają instrukcję obsługi, zatem powinny być zgodnie z nią eksploatowane i konserwowane. Najczęściej spotykanymi nieprawidłowościami pracy maszyny mogą być drgania i stuki wynikające np. z uszkodzenia elementów maszyny. Może to powodować nadmierne grzanie się elementów maszyny, a w konsekwencji ich trwałe uszkodzenie. Kolejną oznaką awarii może być wystąpienie iskrzenia spowodowanego uszkodzeniem instalacji elektrycznej lub zużyciem elementów ślizgowych czy komutatora oraz szczotek. Największe zagrożenie stwarza brak osłon części wirujących lub pozostających pod napięciem. Może to powodować zagrożenie dla zdrowia człowieka, a także doprowadzić do uszkodzenia maszyny.

Podczas pracy z maszynami elektrycznymi należy bezwzględnie przestrzegać zarówno ogólnych zasad bhp, jak i zasad bezpiecznej pracy z maszynami. Należy stosować się do poniższych zaleceń: − remonty i konserwacje mogą wykonywać jedynie osoby posiadające odpowiednie

kwalifikacje, − przed uruchomieniem maszyny lub urządzenia należy dokonać oględzin wzrokowych jej

stanu technicznego, − przed wymianą żarówek i bezpieczników należy obwód odłączyć od napięcia, − w celu podłączenia lub odłączenia wtyczki należy chwytać ją za obudowę, − nie wolno dotykać części urządzeń mokrymi rękami, − po zauważeniu nieprawidłowości w pracy urządzeń należy odłączyć zasilanie.

Aby wykluczyć lub zmniejszyć prawdopodobieństwo powstania wypadków wskutek rażenia prądem elektrycznym stosowane są środki ochrony przeciwporażeniowej. Poniżej zostaną przedstawione środki techniczne stosowane w urządzeniach o napięciu znamionowym poniżej 1000 V. Zostały one podzielone na trzy rodzaje:


− środki ochrony przed dotykiem bezpośrednim tak zwana ochrona podstawowa w tym przypadku stosowany jest jeden z następujących środków: − izolacja podstawowa – powinna ona osłaniać wszystkie dostępne części, które mogą

się znaleźć pod napięciem roboczym, podczas normalnej pracy urządzenia, − osłona celem stosowania osłon jest zapewnienie ochrony przed dotknięciem dłonią

lub inną częścią ciała, części znajdującej się pod napięciem. Zadaniem osłon jest również zapewnienie ochrony od części znajdujących się pod napięciem, drutem o średnicy powyżej 1 mm. Otwarcie lub usunięcie osłon może być możliwe tylko przy użyciu odpowiedniego klucza lub innych narzędzi. Nie jest to konieczne w przypadku, jeśli usunięcie osłony, automatycznie wyłączy zasilanie,

− ogrodzenie celem stosowania ogrodzeń jest ochrona człowieka przed niezamierzonym, bezpośrednim dotknięciem elementów będących pod napięciem. Ogrodzenia stosowane są tylko w pomieszczeniach lub w terenie o ograniczonym dostępie,

− umieszczenie poza zasięgiem ręki części nieosłonięte, znajdujące się pod napięciem roboczym, mogą się znajdować na wysokości minimum 2,5 m nad poziomem stanowiska, oraz 1,25 m w bok lub w dół stanowiska. Tego rodzaju rozwiązanie stosowane jest tylko w pomieszczeniach lub na terenach o ograniczonym dostępnie,

− środki ochrony przed dotykiem pośrednim tak zwana ochrona dodatkowa – głównie polega ona na zastosowaniu następujących środków: − samoczynnym wyłączeniu zasilania jest to jeden z najczęściej stosowanych środków

ochrony przed dotykiem pośrednim. Występuje ono w przypadku uszkodzenia izolacji. Wyłączenie takiego obwodu musi nastąpić nie tylko samoczynnie, ale również w bardzo krótkim czasie. Czas ten uzależniony jest od wartości prądu zwarciowego i od typu urządzeń wyłączających obwód. Jednym ze stosowanych wyłączników w tego typu rozwiązaniach jest wyłącznik różnicowoprądowy. Wyłącznik ten umieszczany jest w zasilaniu obwodu,

− zastosowaniu urządzeń II klasy ochronności polega na zastosowaniu izolacji oraz obudowy izolacyjnej o co najmniej podwójnej wytrzymałości elektrycznej i mechanicznej, w stosunku do wymagań, jakie są stawiane izolacji roboczej. W związku z zastosowaniem takiego rozwiązania prawdopodobieństwo jej uszkodzenia jest znikome,

− separacji elektrycznej – ochrona wykorzystująca separację elektryczną polega na zasilaniu obwodu odbiorczego w taki sposób, że możliwość zwarcia pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym jest wykluczona,

− środki ochrony przed dotykiem pośrednim i bezpośrednim jednoczesne zastosowanie ochrony podstawowej i dodatkowej uzyskuje się dzięki zastosowaniu obwodów odbiorczych, które są oznaczone skrótami SELV i PELV. Obwody tego typu muszą mieć napięcie znamionowe nie przekraczające wartości 50V.

Bezpieczeństwo przeciwpożarowe – poniżej zostały przedstawione podstawowe zasady dotyczące zapewnienia bezpieczeństwa przeciwpożarowego: − w trakcie projektowania, wykonawstwa i eksploatacji obiektów należy przestrzegać

wymagań budowlanych, instalacyjnych i technologicznych, − obiekty należy wyposażyć w odpowiedni sprzęt i urządzenia przeciwpożarowe. Należy

zapewnić im utrzymanie właściwego stanu technicznego oraz prawidłowego dostępu do nich,

− obiekt należy przygotować do prowadzenia akcji ratowniczej, − należy przestrzegać wymagań bezpieczeństwa pożarowego, które są związane

z prowadzonymi procesami technologicznymi, mogącymi spowodować zagrożenie


pożarem lub wybuchem. Należy zadbać przede wszystkim o sprawność urządzeń zabezpieczających, a każdą awarie należy usuwać przed ponownym uruchomieniem linii technologicznej lub procesu technologicznego,

− należy przestrzegać prawidłowej eksploatacji instalacji technicznych (elektrycznej, piorunochronnej, gazowej, kominowej i wentylacyjnej), oraz maszyn i urządzeń poprzez zapewnienie ich okresowych przeglądów i konserwacji,

− należy zaznajomić pracowników z przepisami przeciwpożarowymi i porządkowymi, uwzględniając przy tym zasadę obsługi sprzętu przeciwpożarowego i prowadzenia ewakuacji, oraz ustalić sposoby postępowania w przypadku pożaru lub innego zagrożenia,

− czynności z zakresu ochrony przeciwpożarowej należy powierzać osobom posiadającym odpowiednie kwalifikacje,

− należy opracować dla obiektów użyteczności publicznej „Instrukcję bezpieczeństwa pożarowego” oraz wymagań przeciwpożarowych dotyczących procesów technologicznych w „Instrukcji technologiczno-ruchowej” przeznaczonej dla zakładów przemysłowych,

− do ochrony przeciwpożarowej należy stosować sprzęt, urządzenia, elementy, środki oraz instalacje, które posiadają odpowiednie certyfikaty. Poprzez pojęcie dozoru technicznego należy rozumieć działania zmierzające do

zapewnienia bezpiecznego funkcjonowania urządzeń technicznych. Dozór ten jest wykonywany przez określone jednostki powołane do kontroli stanu technicznego urządzeń.

Dozorowi technicznemu podlegają urządzenia techniczne w toku ich projektowania, wytwarzania (w tym także wytwarzania materiałów i elementów), naprawy i modernizacji, obrotu oraz eksploatacji.

Urządzenia techniczne powinny być projektowane, wytwarzane, zgodnie z ich przeznaczeniem, w sposób zapewniający bezpieczeństwo ich eksploatacji.

Dozór techniczny wydaje uprawnienia do wytwarzania, modernizacji, naprawiania danych urządzeń technicznych, jeżeli spełnione są określone warunki koniecznie do realizacji danego zadania.

Dokument potwierdzający przyznanie uprawnienia zawiera warunki stanowiące podstawę do wytwarzania, naprawiania, modernizacji urządzeń technicznych. Dokument taki musi zawierać: − specyfikacje techniczne, w których określa się, jakie cechy powinno posiadać dane

urządzenie techniczne w zakresie jakości, parametrów technicznych, bezpieczeństwa, wymiarów, z uwzględnieniem odpowiedniego nazewnictwa, symboli, oznaczenia urządzenia itd.,

− technologie stosowane przy wytwarzaniu, naprawie lub modernizacji urządzenia, − zastosowane materiały, − wymagania dotyczące kontroli jakości urządzeń technicznych.

W toku wytwarzania urządzeń technicznych objętych dozorem technicznym dozór ten sprawdza wykonanie materiałów i elementów stosowanych do wytworzenia danych urządzeń oraz przeprowadza badania techniczne sprawdzające zgodność wykonania urządzeń technicznych z dokumentacją i warunkami dozoru technicznego.

W przypadku eksploatacji urządzeń technicznych dozór techniczny przeprowadza badania urządzenia w warunkach gotowości do pracy – badania odbiorcze; wykonuje okresowe i doraźne badania techniczne; sprawdza zaświadczenia o kwalifikacjach osób obsługujących i konserwujących urządzenia techniczne.

Urządzenia techniczne objęte dozorem technicznym mogą być eksploatowane jedynie wówczas, gdy dozór wyda zezwolenie na ich eksploatację. Wcześniej dozór techniczny przeprowadza badania urządzenia pod względem jego zgodności z dokumentacją techniczną


zatwierdzoną przez dozór oraz stanu urządzenia, jego wyposażenia i oznakowań. Przeprowadzane także próby techniczne przed uruchomieniem urządzenia mają na celu ustalenie, czy dane urządzenie pracuje w zakresie warunków technicznych ustalonych dla poszczególnych rodzajów urządzeń.

Dozorowi technicznemu podlegają m.in. następujące urządzenia: kotły parowe przeznaczone do wytwarzania pary z cieczy, szybkowary ciśnieniowe, kotły cieczowe przeznaczone do podgrzewania cieczy, zbiorniki stałe i przenośne przeznaczone do magazynowania lub transportowania cieczy lub gazów, rurociągi pary, przesyłowe i technologiczne, zbiorniki do przewozu materiałów bezpiecznych i niebezpiecznych, maszyny służące do przemieszczania osób lub ładunków (np. suwnice, wyciągi, podnośniki, żurawie, podesty ruchome, urządzenia dla niepełnosprawnych, schody i chodniki ruchome), dźwigi do transportu ludzi lub ładunków, przenośniki kabinowe i krzesełkowe, wyciągi do przemieszczania osób, urządzenia załadowcze wyładowcze i podające ładunki, osobowe i towarowe koleje liniowe itd. Podstawowe prawa i elementy elektrotechniki

Zjawiska elektryczne zależą od wzajemnego oddziaływania atomów najmniejszych, niepodzielnych składników materii. Składają się one z ładunków dodatnich protonów, znajdujących się w jądrze atomu, oraz ujemnych elektronów, krążących po orbitach. Ponieważ obydwa ładunki przyciągają się wzajemnie założono, iż są one przeciwnych znaków tzn. protony posiadają ładunek dodatni, natomiast elektrony ujemny. Ogólnie nazwano je ładunkami elementarnymi. Jednostkę ładunku elektrycznego nazwano kulombem i oznaczono C.

Pewna grupa ciał składa się z atomów, w których elektrony swobodnie krążą po zewnętrznych orbitach, czyli mogą przemieszczać się w obrębie całego ciała. Nazwano je elektronami swobodnymi. Do grupy ciał posiadających swobodne elektrony należą metale i ich stopy. W momencie poddania elektronów swobodnych działaniu sił zewnętrznych, ich ruch stanie się uporządkowany. Zjawisko to nazywamy prądem elektrycznym.

Ponieważ w metalach nie zachodzą żadne zmiany chemiczne podczas przepływu prądu, dlatego nazywamy je przewodnikami pierwszego rodzaju. Wyróżniamy też przewodniki drugiego rodzaju tzn. takie, w których przepływ prądu elektrycznego powoduje przemieszczenie się ładunków. Jony dodatnie kationy powstają przez pozbawienie atomu kilku elektronów, które zostają przyłączone do atomów cząsteczki innego rodzaju. Przewodniki te zwane są elektrolitami, a zaliczyć do nich można roztwory wodne kwasów, zasad i soli.

Wartość przepływającego prądu elektrycznego I przez przewodnik określa się jako stosunek liczby przepływających ładunków elektrycznych q w jednostce czasu t. Zależność tą można zapisać w postaci wyrażenia:

tqI =

Jeśli przez przewodnik w ciągu 1 s (sekundy) przepływa ładunek elektryczny o wartości 1C (kulomba) to mówimy, że przez przewodnik płynie prąd o wartości 1A (ampera).

Jak już wiadomo, aby uzyskać przepływ prądu elektrycznego przez przewodnik, musimy umieścić go w zasięgu działania sił elektrycznych zwanych polem elektrycznym. Badania wykazały, że wartość siły wzajemnego oddziaływania ładunków elektrycznych zależy również od charakteru środowiska przewodzącego zwanego przenikalnością elektryczną.

Prawo Coulomba siła wzajemnego oddziaływania ładunków jest proporcjonalna do iloczynu ich wartości, a odwrotnie proporcjonalna do ich odległości. Kierunek działania siły wyznacza prosta łącząca ładunki.

Natężeniem pola elektrycznego nazywamy stosunek siły działającej na ładunek umieszczony w polu elektrycznym do jego wartości. Wartość natężenia pola maleje wraz ze


wzrostem odległości od ładunku będącego jego źródłem. Zależność tą można zapisać w postaci wyrażenia:

qFE =

Ładunek przemieszczając się z punktu 1 do punktu 2 wykonuje pracę, której stosunek do wartości tego ładunku nazywamy napięciem elektrycznym U, a jednostką napięcia jest V (wolt). Napięcie elektryczne można zapisać w postaci wyrażenia:

qWU =

Ponieważ praca wykonana przez ładunek podczas jego przemieszczania z punktu 1 do punktu 2 zależy od ich położenia, dlatego właściwości energetyczne tych punktów są różne i określamy je jako potencjał elektryczny punktu. Potencjał określa, więc stopień naelektryzowania ciała. Jednostką potencjału jest wolt.

Prawo Ohma wartość prądu przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalna do napięcia między jego końcami i odwrotnie proporcjonalna do jego rezystancji. Prawo Ohma można przedstawić przy pomocy następującej zależności:

RUI =

Rezystancja (opór czynny) przewodnika przy stałej temperaturze zależy od jego wymiarów geometrycznych i rodzaju materiału, z którego jest wykonany. Jednostką rezystancji jest Ω (om). Dla przewodników o długości l i stałym przekroju poprzecznym S rezystancję można obliczyć z następującej zależności:

SlR ρ=

Każdy materiał ma własny opór elektryczny właściwy zwaną rezystywnością. Odwrotnością rezystywności jest przewodność elektryczna właściwa – konduktywność.

Podczas przemieszczania ładunku z punktu 1 do punktu 2 zmienia on swoją energię. Zmiana energii elektrycznej ładunku w jednostce czasu nazywana jest mocą elektryczną P. Jednostką mocy jest W (wat). Moc elektryczna obliczana jest z następującej zależności:

UIt

WP ==

Rodzaje prądu prąd, którego wartość zmienia się jedynie wtedy, gdy zmienia się pobór mocy przez odbiorniki a kierunek jego przepływu w urządzeniach przesyłowych jest stały tzn. nie zmienia znaku, nazywamy prądem stałym. W rozważaniach teoretycznych prądem stałym nazywamy prąd, którego wartość nie zmienia się w czasie.

Prąd, którego wartość zmienia się sinusoidalnie, ze względu na charakter zmian zarówno wartości jak i znaku nazywamy prądem przemiennym.

Miernictwo elektryczne elektryczne przyrządy pomiarowe służą do pomiaru wielkości elektrycznych takich jak prąd, napięcie, moc, pojemność, impedancja czy rezystancja, a także do określania ich zmian w czasie. Głównymi ich elementami składowymi są ustrój pomiarowy, urządzenie odczytowe oraz obudowa.

Ustroje pomiarowe przetwarzają mierzone wielkości na sygnały i przekazują je do urządzeń odczytowych. Mogą być one skonstruowane jako przetworniki elektromechaniczne lub elektroniczne. Ustroje pomiarowe elektromechaniczne wytwarzają moment napędowy równy wartości wielkości mierzonej, który jest porównywany z momentem zwrotnym sprężyny spiralnej. Ustroje pomiarowe elektroniczne przetwarzają wartość wielkości mierzonej na sygnał impulsowy. Z uwagi na fakt, iż wielkość mierzona jest sygnałem ciągłym, przetwarzanie takiego sygnału polega na pobieraniu próbek wielkości mierzonej


w określonych odstępach czasu. Wynikiem tego jest otrzymanie na wyjściu zmieniającego się skokowo napięcia.

Urządzenia odczytowe analogowe prezentują mierzoną wartość za pomocą wskazówki wychylającej się o odpowiednią liczbę działek podziałki. Urządzenia odczytowe cyfrowe, działając na zasadzie sumowania sygnałów z układu pomiarowego wskazują wielkości mierzone jako uporządkowany zbiór cyfr określających bezpośrednio ich wartość liczbową.

Wskazania wartości mierzonych mogą być odczytywane bezpośrednio lub też rejestrowane za pomocą urządzeń zewnętrznych takich jak rejestrator mechaniczny, oscylograf czy drukarka.

Obudowa pełni funkcję łączącą ustroju pomiarowego z rejestratorem oraz zabezpiecza przed działaniem czynników zewnętrznych. Obudowy wykonuje się z materiałów izolacyjnych. Na obudowę wyprowadzone są zaciski, do których podłącza się obwody pomiarowe.

Przyrządy pomiarowe produkuje się w różnych konfiguracjach ustrojów pomiarowych i urządzeń odczytowych. Mamy więc zarówno przyrządy z ustrojem elektronicznym, jak i elektrotechnicznym o odczycie cyfrowym jak i analogowym.

Oddzielną grupę stanowią przyrządy działające na zasadzie wykorzystania metody zerowej. Polega ona na tym, iż różnicę pomiędzy znaną wartością wielkości mierzonej i wielkością mierzoną tej samej wartości sprowadzamy do zera.

Każdy przyrząd pomiarowy posiada określone wielkości charakteryzujące jego pracę. Zakres pomiarowy określa granice wartości, w jakich można wykonywać pomiary z określoną dokładnością. Większość przyrządów konstruowana jest jako wielozakresowe z możliwością nastawiania żądanego zakresu.

Pomimo dużej dokładności wykonywania pomiarów każdy wynik odbiega w pewnym stopniu od wartości rzeczywistej na skutek niedoskonałości przyrządów pomiarowych. Różnica ta nosi nazwę błędu bezwzględnego pomiaru i oznaczana jest symbolem ∆ z indeksem mierzonej wielkości.

∆x = Xp – Xr gdzie: − ∆x – błąd bezwzględny pomiaru, − Xp – wartość mierzona, − Xr – wartość rzeczywista,

Błędem względnym pomiaru nazywamy wartość błędu bezwzględnego w odniesieniu do wartości rzeczywistej.

δp = ∆x/Xr Często wyrażany jest on w procentach. W przyrządach analogowych z ustrojem elektromechanicznym błąd pomiaru wyznacza

się na podstawie określonej klasy przyrządu. Jest to maksymalna wartość błędu określona procentowo. Przyrządy te buduje się w następujących klasach dokładności: 0,05; 0,1; 1,0; 1,5; 2,5 i 5,0. Przy czym 0,05 jest to największa dokładność pomiarowa, a 5,0 najmniejsza.

Kolejną ważną cechą przyrządów pomiarowych jest ich zdolność do reagowania na zmiany wielkości mierzonej zwana czułością. W przyrządach wskazówkowych jest ona równa stosunkowi zmiany odchylenia kąta wskazówki do zmiany wielkości mierzonej.

Przyrządy wskazówkowe o stałej czułości mają określoną stałą przyrządu. Jest to stosunek wartości zakresu pomiarowego do liczby działek na podziałce.

Wśród przyrządów pomiarowych elektromechaniczne można wymienić: − przyrządy magnetoelektryczne, − przyrządy elektromagnetyczne, − przyrządy elektrodynamiczne, − przyrządy indukcyjne.


Na rysunku 1 został przedstawiony przykładowy przyrząd z grupy przyrządów elektromechanicznych elektromagnetyczny.

Rys. 1. Przyrząd pomiarowy elektromagnetyczny: a) zasada budowy, b) symbol graficzny [1, s. 161]

Na rysunku oznaczono: 1 – cewka, 2 – rdzeń, 3 – sprężyna zwrotna, 4 – tłumik nadający wskazówce ruch płynny.

Przyrządy elektroniczne odznaczają się większą dokładnością i szybkością dokonywanych pomiarów niż przyrządy elektromechaniczne. Umożliwiają one wykonywanie pomiarów w szerokim paśmie częstotliwości, pobierając tym samym małą ilość energii z obwodu badanego. Dzięki możliwości bezpośredniego odczytu wyniku przez obserwatora, niweluje to błędy odczytu spotykane w przyrządach wskazówkowych. Przyrządy tego typu wyposażone są w następujące elementy: − wzmacniacze, − przetworniki, − filtry, − zasilacze, − generatory sygnałów, − układy sterujące, − przerzutniki, − wyzwalacze, − bloki logiczne itp.

Do najczęściej spotykanych pomiarowych przyrządów elektronicznych można zaliczyć: − woltomierze cyfrowe, − mierniki uniwersalne zwane również multimetrami, − częstościomierze elektroniczne, − oscyloskopy, − oscylografy.

Na rysunku 2 został przedstawiony przykładowy przyrząd z grupy przyrządów pomiarowych elektronicznych multimetr.


Rys. 2. Płyta czołowa multimetru: a) typu DM-53, b) typu MX-280 [1, s. 166]

Na rysunku oznaczono: 1 – wyświetlacz, 2 – wyłącznik zasilania, 3 – przełącznik wielkości mierzonych i zakresu wartości, 4 – gniazdo wejściowe – 10A, 20A, 5 – gniazdo wejściowe – 200 mA, 6 – gniazdo wejściowe – common, 7 – gniazdo wejściowe – V, A, Ω, 8 – gniazdo wejściowe – V, Ω, F, 9 – przełącznik DC/AC, 10 – gniazdo – test diody lub tyrystora, 11 – gniazdo – test kondensatora, 12 – przełącznik UD/h12E.

Obwody elektryczne wykorzystanie energii elektrycznej wymaga stworzenia odpowiednich warunków do przepływu prądu ze źródła do odbiorników i z powrotem. Odbiornik wraz ze źródłem musi tworzyć obwód zamknięty, dlatego połączenie powinno być zrealizowane przynajmniej dwoma przewodami stanowiącymi drogę dla prądu.

Ze względu na rodzaje prądu elektrycznego rozróżniamy dwa rodzaje obwodów elektrycznych. Są to: − obwody prądu stałego, − obwody prądu przemiennego.

W obwodach prądu stałego źródłem energii jest ogniwo lub akumulator magazynujący energię, a także prądnica prądu stałego, która zmienia dostarczoną energię mechaniczną na elektryczną. Źródła prądu charakteryzują się dwoma zasadniczymi parametrami: − siła elektromotoryczna, oznaczana jako E, jest napięciem uzyskanym na zaciskach

w warunkach braku rezystancji wewnętrznej źródła, − rezystancja wewnętrzna, oznaczana jako Rw, charakteryzuje straty energii powstające

w samym źródle. W warunkach rzeczywistych przy uwzględnieniu rezystancji napięcie uzyskane na

zaciskach jest mniejsze od siły elektromotorycznej w samym źródle. Można to zapisać przy pomocy następujących zależności:

U = E – RwI Każdy odbiornik energii elektrycznej, silnik, urządzenie grzejne czy źródło światła,

posiada rezystancję. Przewody łączące odbiornik ze źródłem wykonane z materiałów


przewodzących również posiadają rezystancję powodującą zmianę części przesyłanej energii elektrycznej w cieplną powodując w ten sposób jej straty.

Wartość płynącego prądu w obwodzie nierozgałęzionym jest w każdym jego punkcie jednakowa. Wynika to a faktu, iż obwód nie posiada miejsc, w których mógłby gromadzić się ładunek. Gdyby taki punkt zaistniał, to gromadziłby on ładunek równy iloczynowi prądu i czasu jego przepływu. Jednocześnie napięcie panujące na zaciskach źródła jest równe sumie napięć na innych elementach obwodu, gdzie energia elektryczna zamieniana jest na inne rodzaje energii.

Prawo Ohma dla pojedynczego elementu mówi, że pomiędzy jego punktami skrajnymi panujące napięcie jest równe iloczynowi przepływającego prądu i jego rezystancji.

Jeśli obwód nierozgałęziony posiada jedno źródło napięcia to między prądem płynącym w obwodzie, poszczególnymi rezystancjami elementów obwodu oraz siłą elektromotoryczną źródła zachodzi zależność

REI

Σ=

W obwodzie nierozgałęzionym, o kilku źródłach wartość prądu wynika z poniższej

zależności:

REI

ΣΣ

=

Stąd też uogólnione prawo Ohma można zapisać w następujący sposób: prąd płynący

w obwodzie elektrycznym nierozgałęzionym jest równy sumie sił elektromotorycznych podzielonej przez sumę rezystancji łącznie z rezystancjami wewnętrznymi źródeł.

Obwody rozgałęzione – w przypadku, jeśli w obwodzie elektrycznym płynący prąd ma więcej niż jedną drogę przepływu to nazywamy go rozgałęzionym. Odcinki drogi, na których prąd nie zmienia swojej wartości to gałęzie obwodu, a punkty połączenia przynajmniej trzech gałęzi to węzły. Gałęzie tworzące zamkniętą drogę przepływu prądu tak, że po usunięciu jednej z gałęzi pozostałe nie stanowią drogi zamkniętej, nazywamy oczkiem. W skład poszczególnych gałęzi mogą wchodzić połączone szeregowo zarówno źródła napięcia jak i elementy odbiorcze.

I Prawo Kirchhoffa sformułowane dla węzła mówi o tym, że suma prądów wpływających do węzła jest taka sama jak suma prądów z niego wypływających, czyli algebraiczna suma prądów gałęzi zbiegających się w punkcie węzłowym obwodu rozgałęzionego jest równa zeru.

ΣI = 0

II Prawo Kirchhoffa sformułowane dla napięć panujących w oczku obwodu elektrycznego mówi, że algebraiczna suma sił elektromotorycznych jest równa sumie algebraicznej iloczynów rezystancji i prądów gałęzi należących do tego oczka.

ΣE = ΣRI

Biorąc pod uwagę przeciwne zwroty sił elektromotorycznych i napięć na elementach gałęzi możemy powiedzieć, że algebraiczna suma sił elektromotorycznych oraz spadków napięcia w gałęziach oczka jest równa zeru.

Σ(E, ∆U) = 0


Obwody prądu przemiennego w przypadku, gdy przewód będzie poruszany przez siłę zewnętrzną po drodze tworzącej okrąg, to wartość indukowanej w przewodzie siły elektromotorycznej będzie się zmieniać. Przy stałej prędkości liniowej v przewodu, składowa prędkości vn, która jest prostopadła do linii sił pola magnetycznego, zmienia swą wartość w zależności od chwilowego położenia przewodu tzn. od kąta α pomiędzy wektorem prędkości v a liniami sił pola.

vn = v sin α

Wynika z tego. że zmiana prędkości vn powoduje zmianę wartości indukowanej

w przewodzie siły elektromotorycznej. Jeśli przewód przemieszcza się po drodze tworzącej okrąg następuje zmiana wartości siły elektromotorycznej i jej znaku. Powstawanie zmiennej siły elektromotorycznej przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Powstawanie zmiennej siły elektromotorycznej - rysunek a; wykres indukowanej siły

elektromotorycznej w zależności od kąta α - rysunek b. [1, s. 82]

Wartość siły elektromotorycznej i prądu w dowolnym czasie, przy dowolnym kącie wektora prędkości α nazywamy wartością chwilową. Pojedynczy przedział czasu, w którym występuje pełny przebieg wielkości okresowej nazywamy okresem T, a jego odwrotność częstotliwością f. Jednostką okresu jest jednostka czasu (sekunda), a częstotliwości herc [Hz].

f = 1/T [Hz] = [1/s]

Częstotliwość wyznacza liczbę cykli przebiegu wielkości okresowej w jednostce czasu. Największą wartość siły elektromotorycznej występującej w przewodzie poruszającym się w polu magnetycznym nazywamy amplitudą.

Wartość skuteczna prądu przemiennego jest to wartość, jaką posiada zastępczy prąd stały powodujący w okresie T wydzielenie na rezystancji R takiej samej ilości ciepła, jak przy przepływie prądu przemiennego. Wartość skuteczna prądu przemiennego jest równoznaczna z wartością prądu stałego.

Tak jak w obwodach prądu stałego, tak i w obwodach prądu przemiennego posiadających więcej niż jeden element odbiorczy lub gałąź, zachodzi potrzeba sumowania napięć na elementach i prądów w węzłach obwodów. Dlatego dostosowano prawa Kirchhoffa dla obwodów prądu przemiennego posługując się wartościami chwilowymi napięcia i prądu.

Na tej podstawie algebraiczna suma wartości chwilowych prądów w węźle obwodu jest w każdym momencie równa zeru. Można to zapisać w postaci następującej zależności:

Σi = 0


Wynika z niej również, iż suma algebraiczna wartości chwilowych napięć na elementach oczka obwodu jest równa zeru. Można to zapisać w postaci zależności:

Σu = 0

Prąd trójfazowy otrzymamy, podczas gdy w układzie dwóch biegunów jednorodnego pola magnetycznego umieścimy trzy przewody przemieszczające się po drodze tworzącej okrąg wokół jednej osi. Jeżeli do każdego przewodu podłączymy oddzielny obwód elektryczny otrzymamy układ trzech źródeł napięcia i trzech obwodów odbiorczych. Układ taki nazywamy układem trójfazowym.

Instalacją elektryczną nazywamy układ współpracujących ze sobą urządzeń elektrycznych, które służą do doprowadzenia energii elektrycznej z sieci zasilającej do odbiorników. Pracują one przy napięciu takim jak w sieci rozdzielczej, lub też w niższym za pośrednictwem transformatorów.

Energia elektryczna przekazywana jest za pośrednictwem przewodów elektrycznych izolowanych zbudowanych z żył rozdzielających je miedzy sobą oraz otoczeniem. Tory przekazujące energię elektryczną tworzą sieć rozgałęzioną składającą się z obwodów zasilających i odbiorczych. Sterowanie przepływem prądu w obwodach realizowane jest za pomocą urządzeń załączających, wyłączających oraz przełączających działających samoczynnie lub sterowanych przez człowieka. Urządzenia te to łączniki elektryczne. W punktach gdzie jeden obwód rozdziela się na kilka stosuje się rozdzielnice. Na rysunku 4 przedstawiono elementy należące do obwodów rozdzielczych i odbiorczych instalacji niskiego napięcia.

Rys. 4. Elementy obwodów rozdzielczych i odbiorczych instalacji niskiego napięcia [1, s. 262]

Wszystkie elementy obwodów instalacji elektrycznej należy dobierać pod względem

wytrzymałości izolacji na panujące napięcie. Każdy element obwodu musi mieć odpowiednio


dobrane parametry oraz konstrukcję i obudowę zapewniającą ochronę urządzenia. Ze względu na moc zasilanych odbiorników instalacje dzieli się na dwa rodzaje: − oświetleniowe z odbiornikami małej mocy, − siłowe.

Pod względem zagrożenia instalacje dzielimy na dwa rodzaje: − nieprzemysłowe, stosowane w budynkach mieszkalnych, − przemysłowe, gdzie zagrożenie dla instalacji stanowią warunki środowiskowe. Mają one

odmienną budowę i parametry. Ze względu na funkcje pełnione przez elementy instalacji, występują w nich następujące

elementy: − złącza stanowiące element łączący sieć rozdzielczą z instalacją odbiorczą najczęściej za

pośrednictwem rozdzielnicy umieszczonej w skrzynce złączowej, − rozdzielnica główna zawiera wyłącznik główny oraz zabezpieczenia poszczególnych linii

wewnętrznych, − wewnętrzna linia zasilająca prowadzona jako instalacja przedlicznikowa, prowadzona jest

w łatwo dostępnych miejscach i łączy instalację odbiorczą z rozdzielnicą, − instalacja odbiorcza, którą stanowi instalacja znajdująca się za układem pomiarowym.

Przy braku takiego układu za początek instalacji odbiorczej uważa się zaciski wyjściowe pierwszego urządzenia zabezpieczającego. W instalacjach odbiorczych wydziela się obwody oświetleniowe oraz gniazd wtykowych. Mieszkaniowa instalacja elektryczna zasilana poprzez rozdzielczą tablicę mieszkaniową

rozdziela obwód zasilający mieszkanie na poszczególne obwody odbiorcze. Posiada ona zaciski przyłączeniowe przewodów oraz wyłączniki nadmiarowe i przeciwporażeniowe. Na rysunku 5 przedstawiono plan elektrycznej instalacji odbiorczej w mieszkaniu.

Rys. 5. Plan elektrycznej instalacji odbiorczej w mieszkaniu [1, s. 265]


Na rysunku oznaczono: 1 – tablica rozdzielcza mieszkaniowa, 2 – kanał piętrowy z wewnętrzną linią zasilającą i licznikami energii elektrycznej.

Łączniki elektryczne stosowane są do załączania i wyłączania obwodów elektrycznych. Pod względem budowy mogą być stosowane do częstego załączania i wyłączania, lub też jedynie do łączenia obwodów z małą częstotliwością. Łączniki służą zarówno do łączenia obwodów z prądami roboczymi (manewrowe) jak i zwarciowymi (wyłączniki). Jak większość urządzeń elektrycznych łączniki posiadają elementy przewodzące i izolacyjne. Podstawowymi modułami łącznika są: − człon łączeniowy zwierane i rozwierane zestyki, − człon napędowy mechanicznie lub elektrycznie sterujący członem łączeniowym, − człon gaszeniowy gaszący powstający na zestykach łuk elektryczny.

Dodatkowo, mogą one posiadać urządzenia sygnalizujące położenie zestyków oraz zabezpieczające przeciążeniowe i zwarciowe.

Łączniki wtyczkowe służą do łączenia obwodów ułożonych na stałe z elementami obwodów odbiorników ruchomych. Stosuje się je do obwodów obciążonych prądami małej wartości. Styki ruchome znajdujące się we wtyczce nie są na stałe połączone z konstrukcją posiadającą styki nieruchome – gniazdem. Łączniki wtyczkowe mają głównie zastosowanie w instalacjach nieprzemysłowych jednofazowych gdzie gniazda umieszczane są w puszkach podtynkowych. Osprzęt instalacji podtynkowej został przedstawiony na rysunku 6.

Rys. 6. Osprzęt instalacji podtynkowej: a) puszka instalacyjna poliwinylowa, b) gniazdo

wtyczkowe [1, s. 269] Styki nieruchome wykonane są jako sprężynowe tulejki osadzone w korpusie gniazda.

Wtyczki posiadają styki wykonane jako nieosłonięte bolce. Niektóre gniazda posiadają dodatkowo styki ochronne służące ochronie przeciwporażeniowej.

Łączniki wtyczkowe przemysłowe, ze względu na trudniejsze warunki środowiskowe, mają bardziej złożoną budowę. Zazwyczaj są one łącznikami trójfazowymi, co powoduje potrzebę zastosowania większej ilości zestyków. Najczęściej posiadają one trzy styki fazowe, jeden neutralny i jeden ochronny. Na rysunku 7 przedstawiono gniazdo wtyczkowe przemysłowe.

Rys. 7. Gniazdo wtyczkowe przemysłowe: a) żeliwne okrągłe, b) żeliwne podłużne [1, s. 270]

Łączniki instalacyjne stosowane do łączenia instalacji nieprzemysłowych o niewielkich

prądach. Mają zastosowanie w instalacjach oświetleniowych, a montowane są w puszkach


podtynkowych. Uruchamiane są ręcznie za pośrednictwem klawisza powodującego szybkie zamykanie i otwieranie obwodu unikając powstawania łuku i iskrzenia. Na rysunku 8 przedstawiono łącznik klawiszowy podtynkowy.

Rys. 8. Łącznik klawiszowy podtynkowy [1, s. 270]

Łączniki warstwowe stosowane w instalacjach przemysłowych zasilających głównie

silniki o małej częstotliwości rozruchu. Rozróżniamy następujące rodzaje łączników warstwowych: − łączniki warstwowe szczękowe zbudowane są w postaci komór z materiału izolacyjnego,

w których znajdują się styki ruchome i nieruchome. Styki ruchome w postaci szczęk osadzone są na jednej osi połączonej z pokrętłem. Każda komora posiada dwa styki, których zaciski znajdują się na zewnątrz. Umieszczenie nieruchomych styków różnych warstw w różnych miejscach w komorach, umożliwia dzięki odpowiednim połączeniom elektrycznym, uruchamianie różnych programów łączeniowych. Na rysunku 9 przedstawiono widok oraz przekrój przełącznika tego typu.

Rys. 9. Łącznik warstwowy szczękowy: a) przekrój, b) widok [1, s. 271]

Na rysunku oznaczono: 1 – pokrętło napędu ręcznego, 2 – osłona, 3 – oś napędu, 4 – sprężyna urządzenia napędowego, 5 – sworzeń mocujący komory, 6 – izolacyjna obudowa komór, 7 – styk ruchomy, 8 – styk nieruchomy, − łączniki warstwowe krzywkowe różnią się od łączników szczękowych sposobem

osadzenia styków oraz napędem styku ruchomego. Styki ruchome poruszane są za


pomocą krzywek, z których każda może mieć inny kształt. Na rysunku 10 został przedstawiony przykładowy przełącznik warstwowy krzywkowy.

Rys. 10. Łącznik warstwowy krzywkowy: a) przekrój, b) w obudowie metalowej, c) bez obudowy [1, s. 272]

Na rysunku oznaczono: 1 – styk nieruchomy, 2 – styk ruchomy, 3 – zacisk przyłączeniowy, 4 – sprężyna dociskowa styku ruchomego, 5 – izolacyjna krzywka napędzająca styki ruchome, 6 – wałek napędowy, 7 – komora gaszeniowa.

Łączniki drążkowe służą do załączania i wyłączania obwodów przemysłowych z dużymi

prądami roboczymi. Łączenie realizowane jest za pomocą dźwigni poruszających zestyki nożowe lub dociskowe. Styki ruchome wykonane z płaskowników łączone są ze stykami nieruchomymi wykonanymi w postaci szczęk. W łącznikach dociskowych element ruchomy i nieruchomy stykają się czołowo. Przyleganie elementów łącznika zapewniają sprężyny. Na rysunku 11 został przedstawiony łącznik drążkowy nożowy.

Rys. 11. Łącznik drążkowy nożowy: a) bez komory gaszeniowej, b) z komorą gaszeniową [1, s. 273]


Na rysunku oznaczono: 1 – styk ruchomy nożowy, 2 – styk nieruchomy szczękowy, 3 – zacisk przyłączeniowy, 4 – rączka napędu ręcznego, 5 – uchwyt do mocowania łącznika do ścianki rozdzielnicy, 6 – komora gaszeniowa.

Styczniki stosowane są w obwodach o dużej częstotliwości łączeń. Posiadają one napęd elektromagnetyczny zasilany napięciem elektrycznym z wzajemnie działającego układu odbiorników. Sterowanie łącznikiem odbywa się za pomocą załączania i wyłączania obwodu pomocniczego zasilającego elektromagnes. Na rysunku 12 pokazano zasadę działania, widok stycznika, schemat elektryczny oraz zasadę działania stycznika termobimetalowego.

Rys. 12. Styczniki: a) zasada działania, b) widok stycznika bez obudowy, c) schemat elektryczny

sterowania załączaniem silnika za pomocą stycznika, d) zasada działania przekaźnika termobimetalowego [1, s. 273]

Na rysunku oznaczono: 1 – zestyk główny, 2 – napęd elektromagnetyczny, 3 – sprężyna, 4 – zacisk przyłączeniowy przewodu, 5 – zacisk cewki elektromagnesu napędowego, 6 – zestyk pomocniczy, 7 – zacisk przyłączeniowy zestyku pomocniczego, 8 – element termobimetalowy, 9 – zestyk przekaźnika termobimetalowego, 10 – przycisk załączający, 11 – przycisk wyłączający.

Przekaźnik termobimetalowy stosowany jest jako zabezpieczenie przeciążeniowe

obwodu. Głównym elementem budowy jest pasek dwóch blach o różnych współczynnikach rozszerzalności liniowej. Prądy robocze przepływające przez bimetal powodują wydzielanie ciepła i nagrzewanie elementu, co skutkuje jego wygięciem w kierunku paska metalowego o mniejszym współczynniku rozszerzalności. Przy prądach przeciążeniowych wygięcie paska metalowego powoduje otwarcie zestyku przekaźnika.

Wyłączniki mają za zadanie załączanie, przewodzenie i wyłączanie prądów roboczych i zakłóceniowych. Wyłączniki instalacyjne mocowane są na szynach montażowych lub wkręcane w podstawy bezpiecznikowe. Wyłączanie obwodów przez wyłącznik w przypadku wystąpienia zwarć lub przeciążeń następuje samoczynnie. Wyłącznik posiada zamek


utrzymujący styki w stanie zamkniętym. Otwarcie styków następuje po zadziałaniu wyzwalacza przeciążeniowego termobimetalowego lub wyzwalacza zwarciowego elektromagnesu. Na rysunku 13 został przedstawiony wyłącznik instalacyjny serii S190.

Rys. 13. Wyłącznik instalacyjny serii S190: a) jednobiegunowy, b) czterobiegunowy, c) sposób

mocowania wyłącznika na szynie montażowej, d) schemat elektryczny [1, s. 275] Na rysunku oznaczono: 1 – dźwignia napędu ręcznego, 2 – otwór do wprowadzenia przewodu, 3 – śruba zaciskowa, 4 – przycisk szybkiego montażu wyłącznika na szynie, 5 – zaczep szybkiego montażu, 6 – szyna montażowa, 7 – zamek, 8 – zestyki główne, 9 – wyzwalacz termobimetalowy, 10 – wyzwalacz elektromagnetyczny. Na rysunku 14 przedstawiono tradycyjny wyłącznik instalacyjny wkręcany.

Rys. 14. Wyłącznik instalacyjny wkręcany: a) widok, b) zasada działania [1, s. 275]

Na rysunku oznaczono: 1 – przycisk załączający, 2 – przycisk wyłączający,


3 – zestyk główny, 4 – wyzwalacz termobimetalowy, 5 – wyzwalacz elektromagnetyczny, 6 – zapadka, 7 – kotwiczka.

Wyłączniki przemysłowe działają na prądy o większych wartościach. Posiadają one

komory gaszeniowe powodujące gaszenie łuku powstającego podczas przerywania obwodu. Niektóre wyłączniki wyposaża się dodatkowo w wyzwalacze napięciowe uruchamiające się przy zbyt dużym spadku napięcia. Ze względu na duże rozmiary wyłączniki przemysłowe posiadają napęd elektromagnetyczny lub silnikowy. Na rysunku 15 przedstawiono przemysłowy wyłącznik silnikowy serii M250.

Rys. 15. Wyłącznik silnikowy serii M250 [1, s. 276]

Na rysunku oznaczono: 1 – dźwignia napędu ręcznego, 2 – otwory do przewodów przyłączeniowych, 3 – śruba zaciskowa.

Bezpieczniki są łącznikami, które samoczynnie wyłączają prądy zwarciowe

i przeciążeniowe. Elementem przerywającym obwód jest w tym przypadku drut metalowy, który pod wpływem przepływającego prądu przepala się. Najczęściej stosowane są dwa rodzaje bezpieczników. Są to: − bezpieczniki instalacyjne, − bezpieczniki przemysłowe.

Bezpieczniki instalacyjne posiadają niewielką zdolność wyłączania prądów zwarciowych. Stosuje się je wówczas, gdy prądy robocze i spodziewane prądy zwarciowe są niewielkie. Elementami bezpiecznika są: podstawa bezpiecznika służąca do jego mocowania oraz przyłączania przewodów, wkładka topikowa zawierająca element topikowy oraz piasek kwarcowy, główka bezpiecznika mocująca go w podstawie i wstawka dolna. Na rysunku 16 pokazano budowę oraz wygląd bezpiecznika instalacyjnego.


Rys. 16. Bezpiecznik instalacyjny: a) przekrój, b) widok [1, s. 277]

Na rysunku oznaczono: 1 – wkładka topikowa, 2 – topik, 3 – gniazdo bezpiecznikowe, 4 – główka, 5 – wziernik główki, 6 – wstawka dolna, 7 – zacisk przewodu obwodu elektrycznego.

W instalacjach odbiorczych budownictwa ogólnego stosowane są najczęściej bezpieczniki o napięciu znamionowym 250V i prądach znamionowych: 6, 10, 16, 20 i 25A.

Bezpieczniki przemysłowe różnica pomiędzy bezpiecznikami tego typu a bezpiecznikami instalacyjnymi wyrażona jest parametrami elektrycznymi oraz budową. Napięcie znamionowe bezpieczników przemysłowych wynosi min. 400V, a prądy znamionowe sięgają wartości 1250A. Wyłączają one prądy zwarciowe rzędu kilkudziesięciu do kilkuset kiloamperów. Zbudowane są z podstawy ze stykami szczękowymi oraz wkładek bezpiecznikowych. Na rysunku 17 pokazano schemat bezpiecznika przemysłowego.

Rys. 17. Bezpiecznik przemysłowy [1, s. 278]

Na rysunku oznaczono: 1 – podstawa bezpiecznikowa, 2 – wkładka, 3 – zacisk przewodów, 4 – uchwyt izolacyjny do wyjmowania wkładki z podstawy i umieszczanie jej w podstawie.


Światło jest wiązką fal elektromagnetycznych o długości od 380 do 760nm. Ma ono zdolność podrażniania siatkówki ludzkiego oka, dzięki czemu człowiek widzi obrazy przedmiotów, od których fale zostały odbite. Źródłem światła jest każde ciało wysyłające fale elektromagnetyczne z zakresu widzialnego. Elektryczne źródła światła przetwarzają energię elektryczną na energię promienistą, w tym także na światło widzialne. Źródła światła charakteryzują się następującymi wielkościami: − strumieniem świetlnym, − światłością, − luminacją, − barwą światła, − napięciem elektrycznym, − mocą elektryczną, − skutecznością świetlną − trwałością.

Strumień świetlny Φ określa ilość energii promienistej emitowanej przez źródło. Określany jest on jako moc promieniowania widzialnego ocenianą subiektywnie okiem ludzkim. Jednostką strumienia jest lumen [lm].

Światłość I jest to gęstość przestrzenna promieniowania w określonym kierunku. Jednostką światłości jest kandela [cd].

Luminacja L – jaskrawość w danym punkcie powierzchni świecącej określana jako iloraz światłości i powierzchni źródła prostopadłej do rozpatrywanego kierunku. Jednostką luminacji jest kandela na m2.

Długość fali promieniowania przeważnie określana jest wielkością temperatury barwowej.

Napięcie oraz moc są podstawowymi parametrami elektrycznymi odbiornika elektrycznego, jakim jest źródło światła.

Skuteczność świetlna jest ilorazem strumienia świetlnego wysyłanego przez źródło światła i zużytej mocy elektrycznej.

Trwałość źródła to czas, w jakim ono pracuje ze stałym, co do wartości strumieniem. Natężenie oświetlenia charakteryzuje oświetlenie powierzchni, na którą pada strumień

świetlny. Jednostką natężenia oświetlenia jest lux [lx]. Biorąc pod uwagę budowę i zasadę działania, elektryczne źródła światła dzielimy na:

− lampy żarowe żarówki, są one najstarszymi wciąż stosowanymi elektrycznymi źródłami światła. Głównym elementem emitującym światło jest żarnik wykonany z drutu wolframowego. Jego duża rezystywność powoduje podczas przepływu prądu elektrycznego nagrzewanie się do temperatury rzędu 2100–2700°C, co w efekcie wywołuje wysyłanie fal elektromagnetycznych, w tym również fal widzialnych. Cienkie druty doprowadzające prąd do żarnika z elementów umieszczonych na trzonku żarówki znajdują się razem z żarnikiem w zamkniętej szklanej bańce. Budowę żarówki przedstawiono na rysunku 18.

Rys. 18. Budowa żarówki [1, s. 251]


Na rysunku oznaczono: 1 – żarnik, 2 – bańka szklana, 3 – trzonek, 4 – przewody doprowadzające prąd do żarnika, 5 – słupek, 6 – nóżka, 7 – rurka pompowa.

Trzonek służy do połączenia metalowych części żarówki z elementami przewodzącymi oprawy, a także do jej osadzenia w oprawie. Są one wykonywane jako gwintowane lub bagnetowe. Aby zapobiec utlenianiu się wolframu jest on umieszczony w bańce szklanej pozbawionej powietrza. Żarówki małej mocy wykonywane są jako próżniowe, natomiast żarówki o większej mocy wypełniane są gazami neutralnymi takimi jak azot, argon, krypton lub ksenon. Bańki żarówek wykonane są ze szkła przeźroczystego lub nieprzeźroczystego. Szkło nieprzeźroczyste zapewnia bardziej równomierne rozproszenie światła ograniczając jednocześnie strumień świetlny. Na rysunku 19 przedstawiono gwintowany i bagnetowy trzonek żarówki.

Rys. 19. Trzonki żarówek: a) gwintowany, b) bagnetowy [1, s. 251]

Na rysunku oznaczono: 1) metalowe styki łączące żarówkę z siecią zasilającą, 2) izolacja.

Po dodaniu do gazu znajdującego się w bańce żarówki i stworzeniu cyklu regeneracyjnego polegającego na ponownym osiadaniu odparowanych cząstek wolframu na żarniku otrzymano żarówki halogenowe. Cykl regeneracyjny w żarówce sprzyja podwyższeniu temperatury żarnika. Mają one małe wymiary, strumień świetlny o dużej wartości i stałym czasie oraz dużą trwałość i skuteczność świetlną. Budowane są w postaci rurek, a styki w kształcie prętów lub płaskowników wciskane są do oprawki. − lampy fluorescencyjne – świetlówki, wykonuje się jako szklane rury zakończone po obu

stronach metalowymi denkami z osadzonymi stykami przyłączeniowymi po stronie zewnętrznej, a elektrodami po stronie wewnętrznej. Rura świetlówki wypełniona jest wewnątrz parami rtęci o niskim ciśnieniu, a jej ściany pokryte są substancją zwaną luminoforem. Na rysunku 20 przedstawiono budowę oraz układ elektrycznych połączeń w świetlówce.

Rys. 20. Świetlówka: a) budowa, b) układ elektryczny połączeń [1, s. 253]


Na rysunku oznaczono: 1 – elektroda, 2 – styk przyłączowy, 3 – przewody łączące styk przyłączowy z elektrodą, 4 – rura szklana pokryta od wewnątrz luminoforem, 5 – świetlówka, 6 – zapłonnik, 7 – dławik, 8 – kondensator do poprawy współczynnika mocy, 9 – kondensator przeciwzakłóceniowy.

Doprowadzone do elektrod napięcie powoduje wyładowania elektryczne w parach rtęci. Wyładowania te powodują emisję promieniowania nadfioletowego, które oddziałując na luminofor powodują wysyłanie fal widzialnych. Świetlówki zasilane są z sieci prądu przemiennego, wymagają jednak urządzenia zwanego zapłonnikiem wspomagającego proces ich zapłonu. W celu poprawy współczynnika mocy w obwodzie świetlówki instaluje się stabilizatory prądu i kondensatory. Zapłon świetlówki realizowany jest za pomocą zapłonnika i dławika. W chwili przyłączenia świetlówki do obwodu zasilającego na elektrodach zapłonnika zaczynają się wyładowania elektryczne. Elektrody zapłonnika nagrzewają się i w efekcie dochodzi do ich zetknięcia. Następuje chwilowy wzrost napięcia pozwalający na rozpoczęcie wyładowań w rurze świetlówki. Zastosowanie w układzie zapłonu dławika zwanego statecznikiem ogranicza prąd podczas pracy świetlówki.

Lampy typu kompakt buduje się w różnych kształtach i barwach światła. Tradycyjny zapłonnik i statecznik zostały w nich zastąpione układem elektronicznym. Układ elektroniczny wmontowany jest w trzonek świetlówki i stanowi z nią jedną całość. Trzonek posiada gwint pozwalający na montaż świetlówki w oprawach przeznaczonych dla żarówek. Świetlówka typu kompakt została przedstawiona na rysunku 21.

Rys. 21. Świetlówka typu kompakt [1, s. 254]

− lampy wyładowcze zalicza się do nich lampy rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe.

Lampy rtęciowe wysokoprężne emitują światło na skutek wyładowań w parach rtęci znajdujących się w rurze szklanej pod zwiększonym ciśnieniem. Wysokie ciśnienie pozwala na powstawanie w gazie podczas wyładowań fal elektromagnetycznych w zakresie widzialnym. Wyładowania elektryczne następują w jarzniku wykonanym ze szkła kwarcowego, wypełnionym argonem i małą ilością płynnej rtęci. Po podłączeniu do sieci następuje wyładowanie elektryczne między elektrodą główną i zapłonową. W wyniku wzrostu temperatury rtęć zaczyna parować. Po wypełnieniu jarznika parami rtęci, wyładowania następują między elektrodami głównymi. Lampy rtęciowe wyposażone są w stateczniki i kondensatory. Budowa lampy rtęciowej została przedstawiona na rysunku 22.


Rys. 22. Budowa lampy rtęciowej. ]Na rysunku oznaczono:1 – trzonek,2 – bańka szklana

zewnętrzna,3 – elektrody główne,4 – elektroda zapłonowa,5 – jarznik [1, s. 254 Podobna zasada działania charakteryzuje lampy sodowe i neonowe. Lampy sodowe

wypełnione są parami sodu. Buduje się je jako nisko- i wysokoprężne. Lampy neonowe wykonuje się w postaci rur wypełnionych neonem. Mają zastosowanie

głównie jako lampy do wykonywania reklam. Zaliczają się do nich również lampy wypełnione argonem, helem lub ich mieszaninami z rtęcią.

Lampy ksenonowe pracują na zasadzie wyładowań w rurze ze szkła kwarcowego zachodzących pomiędzy elektrodami z wolframu.

Oprawy oświetleniowe służą do zamocowania źródeł światła i doprowadzenia do nich napięcia elektrycznego z sieci zasilającej. Elementami składowymi opraw oświetleniowych są: oprawki służące do mocowania źródeł światła i połączenia ich z instalacją zasilającą; odbłyśniki ukierunkowujące strumień świetlny; klosze stanowiące osłonę źródła światła; siatki chroniące klosze od uszkodzeń; kadłuby opraw służące do zamocowania oprawek i innych elementów oprawy. Oprawy świetlówek zawierają dodatkowe elementy elektryczne lub elektroniczne potrzebne do zapoczątkowania procesu wyładowania w świetlówce. Na rysunkach 23 i 24 przedstawiono budowę oprawki żarówki i oprawy oświetleniowej.

Rys. 23. Oprawka żarówek [1, s. 257]

Rys. 24. Budowa oprawy oświetleniowej [1, s. 257]


Na rysunku 23, oznaczono: 1 – przewód zasilający, 2 – styk środkowy, 3 – styk boczny, 4 – trzonek żarówki, 5 – bańka szklana żarówki. Na rysunku 24, oznaczono: 1 – korpus główny, 2 – oprawka, 3 – odbłyśnik, 4 – źródło światła, 5 – klosz, 6 – siatka ochronna.

Każda oprawa zawiera kadłub i oprawkę dostosowaną do typu i budowy instalowanego źródła światła. Pozostałe elementy zależą od warunków środowiskowych, estetycznych i przeznaczenia oświetlenia.

Oprawy oświetleniowe można podzielić na: − oprawy zewnętrzne, − oprawy przemysłowe, − oprawy wnętrzowe ogólnego i specjalnego przeznaczenia.

Oprawy oświetleniowe zewnętrzne służą do oświetlania ulic, placów, terenów. Kierują strumień światła w jednym kierunku i chronią źródło światła przed warunkami atmosferycznymi.

Oprawy oświetleniowe przemysłowe służą do oświetlania pomieszczeń przemysłowych oraz stanowisk pracy. Posiadają odbłyśniki, klosze, a czasem siatki chroniące. Często wymaga się, aby były szczelne i odporne na wilgoć. Oprawy przemysłowe można podzielić na zwykłe, odporne na pył i wodę oraz przeciwwybuchowe.

Oprawy oświetleniowe wnętrzowe ogólnego przeznaczenia mają zastosowanie w pomieszczeniach mieszkalnych, biurowych, budynkach publicznych. Oświetlenie powinno mieć zróżnicowaną barwę i natężenie, a oprawy powinny odznaczać się dużą estetyką. Oprawy oświetleniowe o specjalnym przeznaczeniu to oprawy dla specjalnych źródeł światła lub montowane w specjalnym otoczeniu, w nietypowych miejscach o dużym zagrożeniu środowiskowym.

Ze względu na równomierność oświetlenia w czasie zaleca się rozdzielenie sieci zasilającej źródła światła od sieci zasilającej odbiorniki powodujące wahania napięcia. Rozkład luminacji w polu widzenia powinien zapewniać warunki dobrego rozróżnienia obserwowanych przedmiotów od tła jednocześnie nie powodując efektu olśnienia. W zależności od wymaganego natężenia oświetlenia powinno się stosować oświetlenie złożone z oświetlenia ogólnego równomiernie oświetlającego całe pomieszczenie oraz oświetlenia miejscowego.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są środki ochrony podstawowej? 2. Co to jest prąd elektryczny? 3. Jak brzmi prawo Ohma? 4. Co to jest rezystancja? 5. Jakie są rodzaje prądu? 6. Jakie są główne elementy przyrządów pomiarowych?


7. Jakie są rodzaje przyrządów elektromechanicznych? 8. Jakie elementy wchodzą w skład przyrządów elektronicznych? 9. Jakie elementy zaliczamy do urządzeń elektronicznych? 10. Jakie są rodzaje obwodów elektrycznych? 11. Jakimi parametrami charakteryzują się źródła prądu? 12. Co to są obwody rozgałęzione? 13. Jak brzmią prawa Kirchoffa? 14. Co to są obwody prądu przemiennego? 15. Co to jest instalacja elektryczna? 16. Jakie są rodzaje instalacji elektrycznych? 17. Jakie są podstawowe moduły łącznika elektrycznego? 18. Jakie są rodzaje łączników? 19. Jakie są rodzaje bezpieczników? 20. Jakie są elektryczne źródła światła? 21. Jaka jest budowa jarzeniówki?

4.1.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Przedstaw w postaci tabeli rodzaje wyłączników. Określ ich właściwości, cechy charakterystyczne, budowę, oraz przedstaw przykłady ich zastosowania.

Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przedstawić w postaci tabeli rodzaje wyłączników, określić właściwości, cechy

charakterystyczne oraz budowę, 5) podać przykłady zastosowania każdego z nich, 6) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 7) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − stanowisko z dostępem do Internetu. Ćwiczenie 2

Przeanalizuj budowę poszczególnych źródeł światła. Określ ich cechy wspólne oraz wady i zalety stosowania każdego z nich. Określ parametry techniczne je charakteryzujące.

Sposób wykonania ćwiczenia: Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przeanalizować budowę poszczególnych źródeł światła,


5) określić ich cechy wspólne, wady i zalety stosowania każdego z nich, 6) określić parametry techniczne je charakteryzujące, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.


Scharakteryzuj klasyfikację przyrządów pomiarowych. Określ zasadę działania, właściwości i zastosowanie każdego z rodzajów przyrządów pomiarowych. Opisz po dwa przykłady każdego rodzaju przyrządów.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) określić klasyfikację przyrządów pomiarowych, 5) określić zasadę działania, właściwości oraz zastosowanie każdej grupy przyrządów

pomiarowych, 6) opisać po dwa przykłady przyrządów pomiarowych, dla każdej grupy, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − stanowisko z dostępem do Internetu. Ćwiczenie 4

Określ na podstawie schematu, elementy obwodu elektrycznego prądu stałego i przemiennego.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) określić na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu stałego, 5) określić na podstawie schematu elementy obwodu elektrycznego prądu przemiennego, 6) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 7) zaprezentować pracę na forum grupy.


Wyposażenie stanowiska pracy: − papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − przykładowe schematy obwodów prądu stałego, − przykładowe schematy obwodów prądu przemiennego. Ćwiczenie 5

Określ średnicę przewodu w zależności od wielkości pobieranej mocy: 600W, 1500W, 5000W.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) wyszukać w literaturze dopuszczalne obciążenie prądowe poszczególnych rodzajów

przewodów, 5) określić średnicę przewodu dla podanych wielkości pobieranej mocy, 6) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 7) zaprezentować pracę na forum grupy.


− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek. Ćwiczenie 6

Korzystając z różnych źródeł informacji (literatura, internet) przedstaw właściwości oraz zadania, jakie pełni: uziemienie ochronne, uziom, przewód uziemiający i zerowanie. Wykonaj pomiar rezystancji izolacji oraz uziemienia korzystając z omomierza.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przedstawić właściwości oraz zadania jakie pełnią: uziemienie ochronne, uziom, przewód

uziemiający i zerowanie, 5) wykonać pomiar rezystancji izolacji oraz uziemienia posługując się omomierzem, 6) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 7) zaprezentować pracę na forum grupy.


− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − omomierz, − literatura, − stanowisko komputerowe z dostępem do Internetu.


4.1.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz:

Tak

Nie 1) określić środki ochrony podstawowej? 2) zdefiniować podstawowe pojęcia charakteryzujące prąd elektryczny? 3) określić rodzaje prądu? 4) określić elementy przyrządów pomiarowych? 5) określić rodzaje przyrządów elektromechanicznych? 6) określić elementy zaliczane do urządzeń elektronicznych? 7) rozróżnić rodzaje obwodów elektrycznych? 8) określić parametry charakteryzujące źródła prądu? 9) określić obwody prądu przemiennego? 10) określić rodzaje instalacji elektrycznych? 11) rozróżnić źródła światła? 12) określić moduły łącznika elektrycznego? 13) rozróżnić rodzaje łączników? 14) określić budowę jarzeniówki? 15) rozróżnić rodzaje bezpieczników?


4.2. Podstawy elektroniki. Maszyny elektryczne 4.2.1. Materiał nauczania

Elektronika stanowi element naszego codziennego życia, dzięki takim urządzeniom jak telewizory, radioodbiorniki, odtwarzacze, zegarki. W przemyśle układy elektroniczne są przede wszystkim stosowane w urządzeniach: − wykorzystywanych do pomiarów różnych wielkości fizycznych-elektrycznych

i nieelektrycznych, − stosowanych do samoczynnego sterowania i regulacji procesów i urządzeń

przemysłowych, − wykorzystywanych do badania materiałów, w sposób nie powodujący ich zniszczenia, − pomocniczych wykorzystywanych w niektórych procesach technologicznych.

W większości przypadków do budowy układów elektronicznych wykorzystuje się półprzewodniki, jednak w niekiedy wciąż wykorzystywane są lampy elektronowe.

Półprzewodniki są materiałami charakteryzującymi się zdolnościami przewodzenia wykorzystując przy tym przemieszczanie elektronów swobodnych pod wpływem pola elektrycznego. Do podstawowych materiałów półprzewodnikowych wykorzystywanych w elektronice są: − german, − krzem.

W stanie czystym materiały te wykazują stosunkowo niewielką przewodność elektryczną. W celu jej zwiększenia wprowadzane są domieszki innych pierwiastków. W półprzewodnikach, które zawierają domieszkę dającą elektrony swobodne przenoszące ładunki ujemne nazwano półprzewodnikami typu N. W przypadku dodania jako domieszki pierwiastka trójwartościowego są tworzone półprzewodniki typu P przenoszące ładunki dodatnie. Do elementów półprzewodnikowych można zaliczyć: − diody półprzewodnikowe, − tranzystory, − tyrystory, − elementy optoelektroniczne.

Diody półprzewodnikowe są to elementy, w których wykorzystuje się zjawiska fizyczne występujące w złączach PN. Jej podstawową właściwością jest jednokierunkowe przewodzenie, co w przypadku wpięcia jej w obwód, który zasilany jest napięciem przemiennym sprawi, że będzie działała jak prostownik jednopołówkowy. Z tego też powodu zwykłą diodę półprzewodnikową określa się mianem diody prostowniczej.

Na rysunku 25 przedstawiono przykładowe diody półprzewodnikowe z radiatorem oraz bez radiatora. Radiator jest elementem, który stosowany jest w celu zwiększenia oddawania wydzielanego przez diodę ciepła do otoczenia.

Rys. 25. Widok diod półprzewodnikowych: a) małej mocy, b) dużej mocy, c) z radiatorem [1, s. 118]


Na rysunku 26 przedstawiono strukturę diody półprzewodnikowej ze złączem PN.

Rys. 26. Struktura diody półprzewodnikowej ze złączem PN [1, s. 118]

W układach elektronicznych oprócz zwykłych diod półprzewodnikowych stosowane są

diody posiadające inne cechy funkcjonalne. Są one uzyskiwane poprzez stosowanie innej technologii wytwarzania oraz zmianom w ich konstrukcji. Do powszechnie stosowanych diod półprzewodnikowych można dodatkowo zaliczyć: − diody Zenera – są one stosowane w elektronicznych układach stabilizacji napięć,

w układach ograniczników, jako źródła odniesienia itp. W przypadku wykorzystania w układzie diody tego typu należy do niego dołączyć ogranicznik prądu,

− diody tunelowe – są one stosowane w układach wzmacniających, generatorach mikrofalowych, układach impulsowych o dużej szybkości działania, itp.,

− diody pojemnościowe – występują dwa rodzaje diod tego typu. Są to: − warikapy są one używane jako zmienne pojemności np. w układach automatycznego

przestrajania obwodów rezonansowych, − waraktory są one używane jako zmienne reaktancje, które spełniają funkcje

elementów czynnych w układach pneumatycznych, − diody impulsowe są one stosowane w układach impulsowych, najczęściej pełnią funkcję

kluczy przepuszczających impulsy w jednym tylko kierunku, − diody mikrofalowe są one stosowane w elektronicznych układach detekcyjnych

mieszających oraz układach, w których koniecznością staje się wykorzystanie zmiennych impedancji a także elementów o ujemnej rezystancji. Tranzystory są to elementy półprzewodnikowe trójwarstwowe, trójelektrodowe.

Umożliwiają one wykorzystując sygnał małej mocy, sterowanie przepływem dużej mocy. Wykorzystywany on jest w układach, w których konieczne jest sterowanie sygnałem liniowym lub skokowym. Występują dwa podstawowe rodzaje tranzystorów. Są to: − tranzystory bipolarne struktura rzeczywista oraz widok tranzystora został przedstawiony

na rysunku 27.

Rys. 27. Tranzystor bipolarny: a) struktura rzeczywista, b) widok tranzystorów [1, s. 122]


Zbudowane są one w taki sposób, że tworzą strukturę trójwarstwową PNP lub NPN. Elektrody, które przylegają do warstw skrajnych nazywane są emiterem „E” oraz kolektorem „C”. Elektroda warstwy środkowej nazywana jest bazą „B”. W tranzystorach tego typu główny prąd płynie poprzez dwie elektrody odwrotnie spolaryzowane E i C. − tranzystory unipolarne są one określane również jako tranzystory polowe. Tranzystory

tego typu można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Są to: − tranzystory unipolarne złączowe rysunek 28 przedstawia strukturę tranzystora tego typu.

Rys. 28. Struktura tranzystora unipolarnego złączowego [1, s. 125]

W tranzystorach unipolarnych złączowych główne elektrody oznaczono jako Sźródło

oraz Ddren. Bramka sterująca została oznaczona jako G. Literą N został oznaczony kanał do którego przylega źródło oraz dren, − tranzystory unipolarne z izolowaną bramką – rysunek 29 przedstawia strukturę

tranzystora tego typu. W tranzystorach unipolarnych z izolowaną bramką źródło „S” oraz dren „D” są ze sobą połączone silnie domieszkowanym obszarem P. Elektroda bramki „G” znajduje się na powierzchni dielektryka. W przypadku tych tranzystorów może zostać wyprowadzona końcówka podłoża „B” w celu dodatkowej polaryzacji.

Rys. 29. Struktura tranzystora unipolarnego z izolowaną bramką [1, s. 126]

Tyrystory są to elementy półprzewodnikowe krzemowe, składające się z czterech warstw,

tworzące układ PNPN. Na rysunku 30 przedstawiono model strukturalny oraz uproszczoną strukturę tyrystora tego typu.

Rys. 30. Tyrystor a) model strukturalny, b) uproszczona struktura pastylki tyrystora [1, s. 127]


Tyrystor wyposażony jest w trzy elektrody. Dwie z nich przyłączone są do warstw skrajnych oznaczonych jako K – katoda i A- anoda. Trzecia elektroda G – bramka, przyłączona jest do jednej z warstw środkowych. Przewodzenie w nim odbywa się w kierunku od anody do katody.

Istnieje wiele konstrukcji tyrystorów. Najczęściej stosowaną jest konstrukcja dyskowa tzw. pastylka. Ma ona hermetyczną obudowę metalowo-ceramiczną lub metalowo-epoksydową. W przypadku, gdy wydzielają one zbyt dużą ilość ciepła, wyposażane są w radiatory, które są chłodzone powietrzem lub wodą.

Do podstawowych zalet tyrystorów można zaliczyć: − niewielką masę i małe rozmiary, − dużą odporność na wstrząsy, − dużą sprawność sterowania.

Elementy optoelektroniczne do elementów tego typu zaliczane są przetworniki półprzewodnikowe świetlne. W elementach optoelektronicznych natężenie świetlne wpływa na zmianę ich parametrów elektrycznych lub zmiana ich parametrów elektrycznych sprawia wytworzenie strumienia świetlnego. Do tych elementów zaliczane są: − fotorezystory − fotodiody, − fototranzystory, − diody elektroluminescencyjne, − transoptory.

Transformatory są urządzeniami elektrycznymi, w których energia elektryczna prądu przemiennego jest transformowana z jednego napięcia na inne. Mają one zastosowanie zarówno do prądu jedno i trójfazowego.

Transformatory energetyczne mają zastosowanie przy przesyle energii elektrycznej. Pełnią one funkcję łączącą elektrownie z sieciami przesyłowymi podwyższając napięcie lub też łączą sieci przesyłowe z sieciami dystrybucyjnymi obniżając odpowiednio napięcie.

Transformatory specjalne mają zastosowanie w obwodach pomiarowych, sygnalizacyjnych, zabezpieczających, a także w obwodach zasilających urządzenia spawalnicze czy prostownikowe.

Każdy transformator składa się z uzwojenia i rdzenia wykonanego z pakietu izolowanych pasków blachy krzemowej. Uzwojenie wykonuje się z izolowanych przewodów.

Ze względu na potrzebę odprowadzania ciepła z transformatora stosuje się chłodzenie naturalne powietrzem transformatory suche, a przy transformatorach dużej mocy rdzeń i uzwojenia umieszczone są w oleju transformatorowym. Olej poza funkcją chłodzącą stanowi również dobrą izolację. Rozgrzany olej transportowany jest grawitacyjnie lub za pomocą pomp do radiatorów, w których ochładza się. Na rysunku 31 przedstawiono transformator energetyczny dużej mocy.


Rys. 31. Transformator energetyczny 10/0, 4kV [1, s. 183]

Na rysunku oznaczono: 1 – kadź, 2 – radiator, 3 – konserwator, 4 – wskaźnik poziomu oleju, 5 – izolator wysokiego napięcia, 6 – izolator niskiego napięcia, 7 – termometr do pomiaru temperatury oleju, 8 – zawór spustowy oleju, 9 – zacisk uziemiający.

Transformatory jednofazowe działają w oparciu o zjawisko elektromagnetycznego

oddziaływania uzwojeń sprzężonych magnetycznie. Uzwojenia umieszczone są na wspólnym rdzeniu ferromagnetycznym tworząc zamknięty obwód magnetyczny. Uzwojenia nawinięte na rdzeń nazywane jest uzwojeniem pierwotnym i wtórnym. Na rysunku 32 została przedstawiona zasada budowy transformatora jednofazowego.

Rys. 32. Zasada budowy transformatora jednofazowego [1, s. 185]


Na rysunku oznaczono: I – wartość prądu elektrycznego, U – napięcie, N – liczba zwojów.

Jeśli w uzwojeniu pierwotnym popłynie prąd to spowoduje on powstanie strumienia magnetycznego. Poprzez rdzeń transformatora płynący strumień magnetyczny indukuje siłę elektromotoryczną w uzwojeniu wtórnym. Stosunek sił elektromotorycznych indukowanych w obu uzwojeniach transformatora nosi nazwę przekładni transformatora. Wyliczana jest ona z zależności:

K = E1 / E2 gdzie: E1 – całkowita siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu pierwotnym, E2 – całkowita siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wtórnym.

Przy otwartym obwodzie wtórnym transformatora wartość prądu płynącego w obwodzie pierwotnym jest bardzo mała. Stan ten jest nazywany stanem jałowym, a prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym prądem jałowym.

Napięcia znamionowe to napięcia, na jakie zbudowano transformator oraz jakie występują podczas stanu jałowego.

Stan obciążenia to stan występujący, gdy uzwojenie wtórne jest połączone z odbiornikami.

Ponieważ napięcie i siła elektromotoryczna w uzwojeniu pierwotnym ma wartość stałą, dlatego wzrostowi natężenia prądu w uzwojeniu pierwotnym towarzyszy wzrost natężenia w uzwojeniu pierwotnym. Każdy transformator ma określone największe dopuszczalne obciążenie zwane mocą znamionową. W transformatorach jednofazowych jest to największa wartość prądu jak może płynąć przez uzwojenie pierwotne. Określana jest ona z zależności:

SN = U1NI1N

Stan zwarcia transformatora jest stanem, w którym uzwojenie wtórne jest zwarte, a uzwojenie pierwotne zasilane. Podczas stanu zwarcia w obu uzwojeniach płyną prądy o dużym natężeniu mogące doprowadzić do uszkodzenia urządzenia. Stan zwarcia jest więc stanem awaryjnym.

Napięcie zwarcia jest napięciem doprowadzonym do zacisków pierwotnych przy zwartych zaciskach uzwojenia wtórnego, wywołującym w uzwojeniach transformatora prądy znamionowe.

Transformatory trójfazowe przy napięciu układu trójfazowego można wykorzystać trzy transformatory jednofazowe jednak tańsze i prostsze konstrukcyjnie są transformatory trójfazowe. Transformatory trójfazowe różnią się od jednofazowych kształtem rdzenia oraz ilością uzwojeń. Na rysunku 33 przedstawiono porównanie transformatorów w układzie trójfazowym.

Rys. 33. Transformatory w układach trójfazowych: a) trzy transformatory jednofazowe,

b) transformator trójfazowy na rdzeniu trzykolumnowym [1, s. 188]


Uzwojenia pierwotne jak i wtórne transformatorów trójfazowych łączy się w gwiazdę lub trójkąt. W transformatorach zasilających sieci niskiego napięcia stosuje się również połączenia uzwojeń wtórnych w tzw. zygzak. Uzwojenia wtórne podzielone na dwie części osadzone są na innej kolumnie. Daje to możliwość uzyskania większej równomierności obciążeń po stronie pierwotnej. Grupa połączeń to układ połączeń oraz kąt przesunięcia fazowego między napięciami po stronie pierwotnej i wtórnej.

W celu uzyskania większej niezawodności stosuje się równoległe połączenie kilku transformatorów o mniejszych mocach. Transformatory te muszą jednak posiadać jednakowe napięcia znamionowe, jednakowe grupy połączeń i napięcia zwarcia.

Autotransformatory posiadają jedno uzwojenie, do którego podłączone są obwody strony pierwotnej i wtórnej. Zasada działania tych transformatorów jest taka sama jak transformatorów jednofazowych. Ich zaletami są mniejszy ciężar i rozmiary, a także mniejsze straty mocy. Główną wadą jest niebezpieczeństwo przerzucenia wyższego napięcia na stronę niższego oraz mała wytrzymałość na stany zwarciowe.

Transformatory specjalne znalazły one zastosowanie w przemyśle, energetyce, gospodarstwach domowych, laboratoriach. Do najczęściej spotykanych transformatorów tego typu można zaliczyć: − przekładniki prądowe przekładniki prądowe służą do rozszerzania zakresu przyrządów

mierzących prąd, moc czy energię, a także są stosowane w układach sterowniczych i zabezpieczających. Wykonane są jako transformatory jednofazowe. Ponieważ przekładniki pracują w stanie zwarcia, więc praca w obwodzie nieobciążonym jest niedopuszczalna z uwagi na duże zagrożenie dla ludzi,

− przekładniki napięciowe są transformatorami jednofazowymi przeznaczonymi do rozszerzania zakresów przyrządów pomiarowych, sterowniczych lub zabezpieczających, reagujących na stany napięcia. Przekładniki napięciowe pracują w warunkach stanu jałowego,

− laboratoryjne autotransformatory regulacyjne mają one rdzeń w kształcie pierścienia z nawiniętym izolowanym uzwojeniem. Do nie izolowanej zewnętrznej części uzwojenia przylega szczotka połączona z zaciskiem strony wtórnej. Przesuwanie szczotki po obwodzie daje możliwość regulowania napięcia strony wtórnej,

− transformatory bezpieczeństwa są stosowane do zasilania odbiorników małej mocy w warunkach niebezpieczeństwa porażeniem. Najczęściej posiadają one napięcie pierwotne 220V i wtórne 24V, nie stanowiące zagrożenia dla człowieka. Stosowane są najczęściej do zasilania lamp, dzwonków itp. Do transformatorów specjalnych stosowanych w przemyśle, zaliczamy między innymi

transformatory mające małe napięcia strony wtórnej, lecz duże natężenia znamionowe strony wtórnej. Służą one do zasilania pieców elektrycznych lub jako transformatory spawalnicze do spawania łukowego.

Silniki prądu stałego można zakwalifikować do maszyn samowzbudnych. Wyróżnia się następujące rodzaje silników: − silniki bocznikowe, − silniki szeregowe, − silniki szeregowo-bocznikowe.

Prędkość obrotowa silnika zależna jest od zmiany napięcia zasilającego. Na zmiany napięcia najbardziej reagują silniki bocznikowe. W silnikach szeregowych obserwujemy znaczny wzrost prędkości przy spadku momentu obrotowego. W krytycznym momencie prędkość może przekroczyć wartości dopuszczalne. Zjawisko to nazywamy rozbieganiem się silnika. Może ono prowadzić do uszkodzenia maszyny, dlatego silniki szeregowe pracują zawsze pod obciążeniem. W silnikach bocznikowych zjawisko takie raczej nie występuje, ponieważ przy zmianach obciążenia charakteryzuje je mała zmiana prędkości obrotowej.


Podczas rozruchu silnika prądu stałego pojawia się duży prąd rozruchowy. Aby przeciwdziałać temu zjawisku obwód wirnika wyposażony jest dodatkowo w szeregowo włączone rezystory rozruchowe. Podczas rozruchu, gdy prąd rozruchowy się zmniejsza, należy stopniowo zmniejszać rezystancję do zera.

Silniki prądu stałego mają zastosowanie szczególnie tam, gdzie istotna jest możliwość regulowania prędkości obrotowej. Prędkość obrotowa zależy od napięcia zasilającego U, rezystancji R, prądu I oraz strumienia magnetycznego Φ wytworzonego w stojanie. Wyliczana jest ona z zależności:

Φ−

=k

RIUn

gdzie: k jest współczynnikiem zależnym od budowy silnika.

Regulacja prędkości silników prądu stałego realizowana jest poprzez zmianę jednego z parametrów U, R lub Φ.

Zmianę rezystancji uzwojeń wirnika realizuje się poprzez włączenie w obwód uzwojeń dodatkowych rezystorów o ściśle określonej rezystancji. Zmiana tej rezystancji umożliwia, w zależności od momentu obciążającego silnik, regulację prędkości obrotowej. Sposób regulacji prędkości obrotowej poprzez zmianę rezystancji, stosowany jest w napędach, w których istotne jest utrzymanie stałej prędkości obrotowej przy zmiennych obciążeniach. Wadą jest duża strata energii wydzielanej na rezystorach w postaci ciepła.

Zmiana strumienia Φ uzyskana poprzez włączenie w obwód wzbudzenia rezystora o regulowanej rezystancji również daje możliwość regulacji prędkości obrotowej. Zmiana rezystancji wywołuje zmianę wartości prądu wzbudzenia powodując zmianę strumienia magnetycznego Φ. Strumień wzrasta wraz ze wzrostem prądu wzbudzenia powodując zmniejszanie prędkości obrotowej. W silnikach bocznikowych prąd wzbudzenia stanowi zaledwie kilka procent prądu pobieranego przez silnik, więc straty energii na rezystorze regulacyjnym są znikome.

Zmiana wartości napięcia wykorzystywana do regulacji prędkości obrotowej, pomimo iż charakteryzuje się małymi stratami energii, wymaga zastosowania regulowanego źródła napięcia.

Nowoczesna technologia umożliwia obecnie zastosowanie do regulacji prędkości obrotowej silników prądu stałego, elektronicznych układów regulacyjnych. Ich zaletą jest możliwość uzyskania dużej płynności regulacji w szerokim zakresie i krótkiego czasu trwania momentów przejściowych. Charakteryzują się one również dużą niezawodnością i stabilnością nastawianych wartości.

Główną rolę w elektronicznych układach regulacji odgrywają przekształtniki tyrystorowe zmieniające energię dostarczaną ze źródła na energię o żądanej wartości napięcia. Dają one również możliwość zasilania silników prądu stałego z sieci prądu przemiennego działając jako prostowniki.

Podczas zasilania silnika ze źródła prądu stałego, regulacja prędkości obrotowej polega na okresowym odłączaniu napięcia przez łączniki tyrystorowe. Ich działanie można porównać do połączonego szeregowo, otwieranego cyklicznie łącznika mechanicznego i diody. Łączniki tyrystorowe wykazują niewielkie straty, gdyż moc na wejściu łącznika jest taka jak moc silnika. Hamowanie silników prądu stałego może być realizowane w następujący sposób: − naturalnie, − mechanicznie − elektrycznie.

Hamowanie elektryczne prądnicowe umożliwia odzyskiwanie energii, ale tylko wówczas, gdy prędkość obrotowa jest większa od prędkości biegu jałowego silnika. Siła elektromotoryczna indukowana na uzwojeniach wirnika przewyższa wartością napięcie


i w wyniku tego prąd zaczyna płynąć w odwrotnym kierunku. Silnik zaczyna pełnić rolę prądnicy.

Hamowanie przeciwprądem polega na zmianie biegunowości napięcia. Następuje zmiana zwrotu momentu obrotowego i spadek prędkości obrotowej aż do chwili zatrzymania urządzenia. Należy pamiętać o odłączeniu silnika od zasilania, aby uniknąć zmiany kierunku wirowania maszyny.

Hamowanie dynamiczne realizuje się poprzez odłączenie uzwojeń wirnika od sieci i połączenie ich końców ze sobą poprzez rezystor. Maszyna pracuje wówczas jako prądnica, a wytworzona energia zamieniana jest na dodatkowej rezystancji w ciepło.

Do hamowania silników wykorzystuje się również układy tyrystorowe, w których dioda zamyka dopływ energii elektrycznej a tyrystor zamyka prąd w obwodzie o niewielkiej impedancji. Energia wytworzona przez wirnik może zostać oddana do sieci lub zamieniona na ciepło na rezystorze.

Silniki indukcyjne jednofazowe są zaliczane do silników klatkowych. Ze względu na problem wytworzenia wirującego pola magnetycznego stosuje się dwa uzwojenia przesunięte względem siebie. Obwód jednego uzwojenia wykonany jest o innej impedancji i charakterze niż obwód uzwojenia głównego. Efekt ten uzyskuje się za pomocą zwiększenia rezystancji lub włączenia kondensatora. Zależnie od charakteru impedancji oraz czasu pracy uzwojenia pomocniczego silniki indukcyjne można podzielić na: silniki z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym lub z kondensatorem, a także z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym lub zwartym.

W silnikach indukcyjnych jednofazowych z kondensatorem rozruchowym po osiągnięciu przez silnik prędkości wynoszącej ok. 80% prędkości synchronicznej, uzwojenie pomocnicze zostaje odłączone od zasilania za pomocą wyłącznika odśrodkowego lub elektromagnetycznego. Na rysunku 34 przedstawiono układ połączeń oraz charakterystykę mechaniczną silnika indukcyjnego jednofazowego.

Rys. 34. Silnik indukcyjny jednofazowy: a) układ połączeń uzwojeń stojana, b) charakterystyka

mechaniczna [1, s. 222] Na rysunku oznaczono: 1 – w czasie rozruchu, 2 – po wyłączeniu uzwojenia rozruchowego, Fg – uzwojenie główne, Fr – uzwojenie rozruchowe, C – kondensator, w – wyłącznik uzwojenia rozruchowego.

Silniki z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym nie posiadają rozłącznika

uzwojenia pomocniczego. Odpowiedni dobór pojemności kondensatora zapewnia występowanie pola zbliżonego do kołowego przy znamionowym obciążeniu.

Silniki z pomocniczym uzwojeniem zwartym mają uzwojenie główne wykonane w postaci cewek nałożonych na rdzeń stojana. Uzwojenie pomocnicze stanowi pręt lub gruba


blacha miedziana. Jedna część strumienia magnetycznego przechodzi przez biegun objęty uzwojeniem zwartym wywołując prąd. Wirnik silnika przenikają dwa strumienie przesunięte względem siebie. Powstaje wówczas wirujące pole elektromagnetyczne. Na rysunku 35 przedstawiono silnik jednofazowy z jednym oraz dwoma uzwojeniami głównymi.

Rys. 35. Silnik jednofazowy z pomocniczym uzwojeniem zwartym: a) z jednym uzwojeniem

głównym, b) – z dwoma uzwojeniami głównymi [1, s. 222] Na rysunku oznaczono: 1 – uzwojenie główne, 2 – uzwojenie zwarte.

Silniki komutatorowe prądu przemiennego – silniki tego typu są najczęściej silnikami jednofazowymi szeregowymi. Na rysunku 36 przedstawiono układ połączeń takiego silnika.

Rys. 36. Układ połączeń silnika komutatorowego jednofazowego szeregowego [1, s. 223]

Różnica pomiędzy silnikami komutatorowymi a silnikami szeregowymi prądu stałego

polega na tym, że w silnikach tego typu zarówno stojan jak i wirnik wykonany jest z blach. Charakteryzują się one dużym momentem rozruchowym oraz osiąganą dużą prędkością obrotową.

W silnikach trójfazowych prąd przemienny powoduje w symetrycznym trójfazowym uzwojeniu stojana powstanie zmiennego pola magnetycznego dla każdej z faz w taki sposób, że powstaje pole wirujące. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej powoduje powstanie siły elektromotorycznej w uzwojeniach wirnika, pod wpływem której płynie przez uzwojenia wirnika prąd elektryczny. Oddziaływanie pól magnetycznych stojana i wirnika wywołuje powstanie momentu obrotowego i w konsekwencji ruch.

Na rysunku 37 pokazano silnik indukcyjny trójfazowy.

Rys. 37. Silnik indukcyjny [1, s. 194]


Na rysunku oznaczono: 1 – tabliczka znamionowa, 2 – obudowa tabliczki zaciskowej, 3 – wał napędowy, 4 – obudowa silnika.

Silniki indukcyjne trójfazowe w zależności od postaci uzwojeń można podzielić na:

− silniki klatkowe w przypadku tego typu silników uzwojenie występuje w postaci prętów o zwartych końcach. Uzwojenie tego typu zostało pokazane na rysunku 38,

Rys. 38. Uzwojenie wirnika silnika klatkowego [1, s. 196]

− silniki pierścieniowe w przypadku tego typu silników wirnik podobnie jak stojan

uzwojony jest trójfazowo. Wirnik silnika pierścieniowego przedstawiono na rysunku 39.

Rys. 39. Budowa wirnika silnika pierścieniowego [1, s. 196]

Na rysunku oznaczono: 1 – blachy wirnika, 2 – uzwojenie, 3 – wał, 4 – pierścienie ślizgowe połączone z końcami uzwojeń wirnika.

Hamowanie silników indukcyjnych może być realizowane w następujący sposób: − hamowanie naturalne, − hamowanie mechaniczne, − hamowanie elektryczne, − hamowanie prądnicowe, − hamowanie przeciwprądem, − hamowanie prądem stałym. 4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie są rodzaje diod półprzewodnikowych? 2. Jakie jest zastosowanie diod pojemnościowych? 3. Jakie są rodzaje tranzystorów? 4. Jakie jest zasada działania tyrystorów? 5. Jakie są zalety działania tyrystorów?


6. Jakie są rodzaje elementów optoelektronicznych? 7. Jakie są rodzaje transformatorów? 8. Jakie jest zasada działania transformatorów? 9. Jaka jest budowa transformatora energetycznego? 10. Jakie są rodzaje silników prądu stałego? 11. Jakie są parametry charakteryzujące silniki prądu stałego? 12. Jakie jest zastosowanie silników prądu stałego? 13. Jakie są rodzaje hamowania silników prądu stałego? 14. Jakie są rodzaje silników indukcyjnych? 15. Jaka jest budowa silnika indukcyjnego jednofazowego? 16. Jaka jest różnica pomiędzy silnikami komutatorowymi a silnikami szeregowymi prądu

stałego? 17. Jakie są rodzaje silników indukcyjnych trójfazowych? 18. Jaka jest budowa silnika indukcyjnego pierścieniowego? 4.2.3. Ćwiczenia Ćwiczenie 1

Przedstaw w tabeli klasyfikację tranzystorów. Określ ich budowę, właściwości, charakterystykę oraz parametry techniczne. Opisz przykłady zastosowania różnego rodzaju tranzystorów.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przedstawić w postaci tabeli klasyfikacje tranzystorów, 5) określić ich budowę, właściwości, cechy charakterystyczne, parametry techniczne, 6) podać przykłady zastosowania poszczególnych rodzajów tranzystorów, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.


Przeanalizuj budowę oraz zasadę działania silników indukcyjnych. Określ ich charakterystykę oraz parametry. Opisz przykłady zastosowania silników indukcyjnych.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przeanalizować budowę oraz zasadę działania silników indukcyjnych,


5) określić ich charakterystykę, zasadę działania oraz parametry je charakteryzujące, 6) opisać przykłady zastosowania silników indukcyjnych, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.



Przeanalizuj budowę transformatorów jedno i trójfazowych. Określ ich cechy charakterystyczne. Przedstaw podobieństwa oraz różnice występujące między nimi. Opisz przykłady ich zastosowania.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przeanalizować budowę transformatorów jedno i trójfazowych, 5) określić ich cechy charakterystyczne, przedstawić podobieństwa oraz różnice

występujące między nimi, 6) podać przykłady zastosowania transformatorów jedno i trójfazowych, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.



Określ parametry silnika indukcyjnego trójfazowego, na podstawie jego tabliczki znamionowej.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) określić parametry silnika na podstawie jego tabliczki znamionowej, 5) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 6) zaprezentować pracę na forum grupy.


Wyposażenie stanowiska pracy: − papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − tabliczka znamionowa silnika. Ćwiczenie 5

Zmierz natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego, określonych przez nauczyciela. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) określić natężenie prądu i moc w obwodach prądu stałego, określonych przez

nauczyciela, 5) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 6) zaprezentować pracę na forum grupy.


− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − obwody prądu stałego jedno i trójfazowego, − miernik uniwersalny. Ćwiczenie 6

Zmierz natężenie prądu i moc w obwodach prądu przemiennego, jednofazowego i trójfazowego określonych przez nauczyciela.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) określić natężenie prądu i moc w obwodach prądu przemiennego, jednofazowego

i trójfazowego, określonych przez nauczyciela, 5) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 6) zaprezentować pracę na forum grupy.


− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − obwody prądu przemiennego jedno i trójfazowego, − miernik uniwersalny.


Ćwiczenie 7 Rozróżnij na przykładowych schematach następujące połączenia odbiorników:

szeregowe, równoległe, w gwiazdę i w trójkąt. Sposób wykonania ćwiczenia Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) rozróżnić na przykładowych schematach rodzaj połączenia ze sobą odbiorników, 5) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 6) zaprezentować pracę na forum grupy.


− papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − schematy połączeń odbiorników, − stanowisko z dostępem do internetu. Ćwiczenie 8

Wykonaj przegląd instalacji elektrycznej, zgodnie z instrukcją obsługi, określonego przez nauczyciela urządzenia lub maszyny.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) wykonać przegląd instalacji elektrycznej, zgodnie z instrukcją obsługi, określonego przez

nauczyciela urządzenia, 5) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 6) zaprezentować pracę na forum grupy.


− urządzenie wykorzystane do przeglądu instalacji elektrycznej, − instrukcja obsługi urządzenia.


4.2.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz:

Tak

Nie 1) określić rodzaje diod półprzewodnikowych? 2) określić zastosowanie diod pojemnościowych? 3) określić rodzaje tranzystorów? 4) rozróżnić rodzaje tranzystorów? 5) określić zasadę działania tyrystorów? 6) określić zalety działania tyrystorów? 7) określić rodzaje elementów optoelektronicznych? 8) określić rodzaje transformatorów? 9) określić zasada działania transformatorów? 10) określić budowę transformatora energetycznego? 11) rozróżnić rodzaje silników prądu stałego? 12) określić parametry charakteryzujące silniki prądu stałego? 13) określić zastosowanie silników prądu stałego 14) określić rodzaje silników indukcyjnych 15) rozróżnić rodzaje silników indukcyjnych trójfazowych


4.3. Podstawy automatyki. Systemy komputerowe 4.3.1. Materiał nauczania

Automatyka jest działem techniki, który obejmuje wytwarzanie i instalowanie sprzętu do automatycznego sterowania. Znaczenie automatyki, szczególnie w przemyśle jest ogromne. Do najważniejszych osiągnięć tego działu techniki można zaliczyć: − obrabiarki sterowane numerycznie, − roboty przemysłowe, − zautomatyzowane magazyny, − automatyzacja całych linii produkcyjnych i inne.

Najważniejszym zadaniem stawianym przed automatyką jest sterowanie w pożądany sposób urządzeniami i procesami.

Do podstawowych pojęć obowiązujących w automatyce można zaliczyć: − obiekt sterowania jest to zazwyczaj urządzenie lub zespół urządzeń, w którym następują

procesy przemiany energii lub procesy technologiczne, które powodują zmiany fizyczne lub chemiczne materii,

− otoczenie obiektu można określić środowisko, w którym znajduje się dany obiekt, − oddziaływania wzajemne jest to zależność występująca pomiędzy obiektem a jego

środowiskiem inaczej otoczeniem. Można to zobrazować na przykładzie działania maszyny parowej. Zostało to przedstawione na rysunku 40.

Rys. 40. Schemat poglądowy oddziaływania wzajemnego pomiędzy maszyną parową i jej

otoczeniem [1, s. 316]

− wielkości wejściowe i wyjściowe ą to wielkości fizyczne za pomocą których zachodzą oddziaływania wzajemne. Zostały one przedstawione na rysunku 41,

Rys. 41. Schemat blokowy oddziaływania wzajemnego pomiędzy maszyną parową i jej

otoczeniem [1, s. 316] − sterowanie jest to zamierzone oddziaływanie otoczenia na dany obiekt. Taki obiekt

nazywany jest obiektem sterowania, a wielkości, których to sterowanie dotyczy wielkościami sterowania,

− wielkości sterujące są to wielkości wykorzystywane do realizowania sterowania,


− zakłócenie jest to przypadkowe oddziaływanie otoczenia na dany obiekt. Wielkości, które powodują występowanie zakłóceń nazywane są wielkościami zakłócającymi,

− urządzenie sterujące jest to urządzenie wykorzystywane do sterowania, − układ sterowania powstaje na skutek połączenia obiektu z urządzeniem sterującym.

Układy sterowania można podzielić na dwa rodzaje. Są to: − układy sterowania zamknięte, − układy sterowania otwarte.

Układy sterowania zamknięty i otwarty został pokazany na rysunku 42.

Rys. 42. Podstawowe struktury układów sterowania: a) układ otwarty, b) układ zamknięty [1, s. 318]

W każdym z tych układów, układ sterujący oddziałuje na obiekt. Jednak tylko

w przypadku układu zamkniętego również obiekt oddziałuje na układ sterujący. Urządzenia automatyki, biorąc pod uwagę zasadę ich działania można podzielić na dwie

grupy: − urządzenia analogowe, − urządzenia cyfrowe.

Przetworniki cyfrowo-analogowym i analogowo-cyfrowe umożliwiają współpracę tych dwóch grup urządzeń ze sobą.

Biorąc pod uwagę rodzaj energii, która zasila urządzenia automatyki, można rozróżnić ich trzy rodzaje: − urządzenia zasilane energią elektryczną, − urządzenia zasilane energią sprężonego powietrzna, − urządzenia zasilanie energią cieczy tłoczonej pod ciśnieniem. Układy automatyki

Układ regulacjiukład regulacji zostanie przedstawiony na przykładzie regulatorów bezpośredniego działania. Są to urządzenia zawierające następujące elementy: − układ pomiarowy, − właściwy regulator, − organ wykonawczy.

W tym przypadku energia zasilająca jest pobierana z procesu regulowanego za pośrednictwem układu pomiarowego. Wykonywane są one jako regulatory dwustawne gdzie sygnał wejściowy przyjmuje tylko dwie wartości, oraz jako regulatory o działaniu ciągłym. Na rysunku 43 przedstawiono przykładowe regulatory bezpośredniego działania o działaniu ciągłym.


Rys. 43. Regulatory bezpośredniego działania: a) termostat samochodowy, b) reduktor

ciśnienia gazu [1, s. 337] W przypadku działania termostatu następuje jego rozszerzenie, w miarę jak wzrasta

temperatura cieczy chłodzącej silnik. W ten sposób następuje otwarcie zaworu dławiącego dopływ cieczy do chłodnicy, co skutkuje zwiększeniem intensywności chłodzenia.

W przypadku działania reduktora, jego zadaniem jest utrzymanie na wyjściu stałego ciśnienia gazu. Jest to równoważone przez nacisk sprężyny, która na skutek zbyt małego lub zbyt dużego ciśnienia gazu na wejściu, otwiera lub zamyka zawór umożliwiając większy lub mniejszy dopływ gazu do reduktora.

Układ sterowania w układach sterowania logicznego, zmienne wejściowe i wyjściowe są zmiennymi binarnymi. W ramach przekaźnikowego układu sterowania zostanie przedstawiony i omówiony układ sterujący włączaniem i wyłączaniem silnika pompy uzupełniającej wodę w zbiorniku. Układ ten został przedstawiony na rysunku 44.

Rys. 44. Przekaźnikowy układ sterowania pompą uzupełniającą wodę w zbiorniku:

a) schemat instalacji, b) uproszczony schemat układu działania [1, s. 345]

Zadaniem silnika M, jest napędzanie pompy. Jest on załączany w momencie obniżenia się ciśnienia wody w zbiorniku poniżej wartości pmin. Następnie jest on wyłączany po osiągnięciu ciśnienia wody w zbiorniku powyżej pmax. Działanie układu uzależnione jest od zapamiętanej wartości sygnału sterującego. W przypadku, gdy ostatnio ciśnienie było zbyt niskie następuje załączenie silnika, natomiast jeśli było zbyt wysokie, pozostaje on wyłączony. W efekcie układ ten zapewnia utrzymacie ciśnienia wody w zbiorniku w założonych granicach.

Układ sterowania z blokadą najczęściej w różnych gałęziach przemysłu, maszyny i urządzenia wchodzą w skład większych zespołów. W związku z tym, często występują wzajemne zależności pomiędzy poszczególnymi urządzeniami. Na rysunku 45 przedstawiono przykład zespołu urządzeń transportowych.


Rys. 45. Przekaźnikowy układ sterowania trzech transporterów – ciąg transporterów [1, s. 345]

Kolejność włączania i wyłączania działania poszczególnych transporterów jest ściśle

określona. Układ sterowania powoduje włączanie i wyłączanie wszystkich lub niektórych transporterów, jednocześnie zabezpieczając możliwość załączenia lub wyłączenia ich w nieodpowiedniej kolejności. Układ taki często nazywany jest układem blokady.

Układy sygnalizacji zadaniem układów tego typu jest zwrócenie uwagi na niektóre sytuacje przy pomocy sygnałów optycznych lub dźwiękowych. Do przykładowych zadań układów tego typu można zaliczyć: − sygnalizowanie zakłóceń, − sygnalizowanie awarii, − kontrolowanie zabezpieczeń, − ostrzeganie o pewnych zdarzeniach, − informowanie o stanie pracy urządzeń.

W niektórych przypadkach układy sygnalizacji są układami bardzo złożonymi, mogą zawierać nie tylko czujniki i sygnalizatory, ale także oddzielne źródła zasilania, centralę, linie połączeniowe.

Do podstawowych układów cyfrowych, które znalazły zastosowanie w automatyce można zaliczyć: − proste układy logiczne tak zwane funktory w układach tego typu, wartości sygnałów

wyjściowych zależą wyłącznie od aktualnych wartości sygnałów wejściowych, − proste układy logiczne z pamięcią w układach tego typu wartości sygnałów wyjściowych

zależą również od poprzednich wartości sygnałów wejściowych. Ta grupa układów jest reprezentowana przez przerzutniki,

− złożone układy logiczne do których można zaliczyć: − rejestry ich podstawowym zadaniem jest zapamiętywanie informacji w postaci słów.

Rozróżnia się dwa rodzaje rejestrów o działaniu równoległym i szeregowym, − liczniki wykorzystywane są one do zliczania impulsów gdzie impulsem określana

jest zmiana wartości sygnału, − układy arytmetyczne są wykorzystywane do wykonywania operacji arytmetycznych

na liczbach zapisanych w systemie dwójkowym. − układy komutacyjne są one wykorzystywane do łączenia ze sobą bloków funkcjonalnych

i przełączania sygnałów cyfrowych. Można do nich zaliczyć: − multipleksery, − demultipleksery, − konwertery kodu,

− pamięci są one wykorzystywane do przechowywania informacji, która jest zakodowana w postaci dwójkowej. Tablice sterownicze są one wykorzystywane do sterowania przepływem. Często w trakcie

tworzenia tablic sterowniczych wykorzystuje się takie elementy jak: diody, mostki prostownicze, styczniki, przekaźniki, cewki, wyłączniki instalacyjne, rezystory, różnego typu przyciski.


Programowane sterowniki logiczne nazywane sterownikami PLC, użytkownik sam określa program działania, a także w większości przypadków – konfigurację sterownika.

Pod względem struktury wewnętrznej sterownik PLC przypomina komputer i składa się z następujących elementów: − mikroprocesora, − pamięci operacyjnej, − pamięci trwałej, − urządzeń wejściowych i wyjściowych.

Do podstawowych podzespołów sterowników PLC, można zaliczyć: − układy wejść binarnych, − układy wejść analogowych, − jednostka centralna, − układy czasowe, − liczniki impulsów, − komparatory sygnałów analogowych, − układy wyjść binarnych, − układy wyjść analogowych, − układy zasilania.

Często logiczne sterowniki programowalne konstruowane są jako oddzielne moduły. Oprócz standardowych modułów często produkowane są moduły specjalistyczne. Można do nich zaliczyć: − moduły wykorzystywane do regulowania temperatury, − moduły wykorzystywane do przestawiania (pozycjonowania), − moduły dołączające czytniki kodu paskowego, − moduły służące do testowania i diagnozowania sterownika.

Jednostka centralna jej zadaniem jest realizowanie algorytmów przetwarzania sygnałów pochodzących z wielu modułów. Jest to możliwe dzięki dużej szybkości jej działania sięgającej ponad tysiąca rozkazów w ciągu milisekundy. Na rysunku 46 przedstawiono strukturę sterownika PLC.

Rys. 46. Struktura programowego sterownika logicznego [1, s. 384]

Magistrala adresowa zapewnia jednostce centralnej dostęp do poszczególnych modułów

znajdujących się w sterowniku. Moduły wejściowe i wyjściowe połączone są z modułami zewnętrznymi czujnikami zestykowymi i elementami wykonawczymi i sygnalizacyjnymi, co na rysunku oznaczono liniami pojedynczymi.

Programator jego zadaniem jest przygotowywanie, testowanie oraz uruchamianie programów. Produkowany jest on jako niezależnie, oddzielne urządzenie. Może on być wykorzystany przy obsłudze wielu sterowników. Funkcje programatora może również pełnić komputer klasy PC, wyposażony w odpowiednie oprogramowania.


Odrębnym elementem jest także panel operatorski. Jego zadaniem jest odczytywanie wartości sygnałów wejściowych i wyjściowych oraz stan licznika impulsów i układów czasowych.

Programowanie sterowników PLC do programowania sterowników wykorzystywane są specjalne języki programowania. Program działania może być przedstawiony w kilku postaciach takich jak: lista instrukcji, schemat przekaźnikowy i funkcjonalny. Największe możliwości daje posługiwanie się listami instrukcji zawierają one opis takich czynności jak: − pobieranie danych z urządzeń wejściowych, − dokonywanie działań na zmiennych logicznych i liczbowych, − zapamiętywanie wyników, − przesyłanie uzyskanych wyników do urządzeń wyjściowych, − odmierzanie czasu.

Mikrokomputery jednoukładowe są to układy scalone, które pełnią podobne funkcje, co sterowniki PLC, jednak są od nich mniejsze. Nazywane są również mikrosterownikami. Zbudowane są one z następujących elementów: − mikroprocesora, − pamięci operacyjnej, − pamięci trwałej, − urządzeń wejściowych oraz wyjściowych.

Układy wejścia wyjścia stosowane w mikrosterownikach są do niego na stałe wbudowane. Z tego względu urządzenia te są produkowane w wielu różnych wariantach, różniących się od siebie nie tylko rodzajem układów wejścia wyjścia, ale również np. wielkością dostępnej pamięci. Mikrokomputerom jednoukładowym często stawiane są dość rygorystyczne wymagania dotyczące zakresu temperatur ich pracy. Mogą to być zakresy pracy rzędu od -40°C do 105°C. Do urządzeń zawierających wbudowane mikrokomputery jednoukładowe można zaliczyć: − kuchenki mikrofalowe, − telewizory, − magnetowidy, − telefony cyfrowe, − pagery, − alarmy domowe i samochodowe, − zabawki elektroniczne, − modele zdalnie sterowane, − podzespoły samochodów tj. tablica rozdzielcza, układ zapłonowy, poduszka powietrzna, − i wiele innych.

Komputer do podstawowych elementów wchodzących w jego skład można zaliczyć: − jednostkę centralną do której zalicza się przede wszystkim procesor i pamięć operacyjną, − urządzenia wejściowe, − pamięci zewnętrzne, − urządzenia wyjściowe.

O możliwościach komputera, oprócz sprzętu, decyduje także oprogramowanie. Na rysunku 47 przedstawiono strukturę oprogramowania komputera.


Rys. 47. Struktura oprogramowania komputera [1, s. 390]

Systemami operacyjnymi wykorzystywanymi i opracowanymi dla potrzeb sterowania są

tak zwane systemy czasu rzeczywistego zwane inaczej również systemami wbudowanymi. Do takich systemów można zaliczyć UNIX oraz QNS, które mogą być stosowane również na komputerach klasy PC.

Praca on-line i off-line tryb pracy komputera, w którym następuje przetwarzanie otrzymanych z zewnątrz danych, następnie wygenerowanie i przekazanie użytkownikowi wyników nazywa się trybem pracy off-line. W przypadku, gdy pośrednictwo człowieka jest ograniczone lub wyeliminowane, a komputer pobiera informacje bezpośrednio z urządzeń pomiarowych, przekazując wyniki obliczeń w sposób bezpośredni do odpowiednich urządzeń, określamy trybem pracy on-line. W praktyce stosowane są również tak zwane tryby pośrednie, pomiędzy pracą w trybie on-line a off-line. Na rysunku 48 pokazano podstawowe struktury sprzężenia komputera z procesem oraz odpowiadające im tryby pracy.

Rys. 48. Podstawowe struktury sprzężenia komputera z procesem i odpowiadające im tryby pracy:

a) proces nie sterowany, b) praca w trybie off-line, c) praca w trybie on-line, d) praca w trybie doradczym [1, s. 391]

Układy CRPD są to układy Centralnej Rejestracji i Przetwarzania Danych są one

stosowane między innymi do kontroli procesów technologicznych, kontroli stanu urządzeń czy rejestracji wyników pomiarów w badaniach naukowych. W układach tego typu bezpośrednie połączenie obiektu z komputerem występuje tylko w trakcie pomiarów. Wyniki uzyskiwane przez układ CRPD przeważnie ograniczają się do kontroli i sygnalizacji. W niektórych przypadkach działanie tego układu może w efekcie wyznaczać wskazania dla


operatorów dotyczące danych procesów. W przypadku, jeśli układ oblicza pożądane nastawy regulatorów i sterowań, określane jest to mianem sterowania w trybie doradczym.

Zmiana wartości zadanych analogowych układów regulacji może się również odbywać w trybie on-line, czyli bez udziału człowieka. W tym przypadku komputer jest bezpośrednio sprzęgnięty z regulatorami i to on steruje procesem za pośrednictwem analogowego układu regulacji. W tym wypadku mamy do czynienia ze sterowaniem nadrzędnym.

Również bez udziału człowieka komputer może sam wyznaczać pożądane wartości sygnałów sterujących. W przypadku, jeśli są one przekazywane w sposób bezpośredni do urządzeń wykonawczych, określa się to działanie bezpośrednim sterowaniem cyfrowym.

Na rysunku 49 pokazano podstawowe struktury sterowania komputerowego w trybie on-line.

Rys. 49. Podstawowe struktury sterowania komputerowego w trybie on-line: a) sterowanie

nadrzędne, b) bezpośrednie sterowanie cyfrowe [1, s. 393]

Komputery są wykorzystywane do sterowania wieloma wielkościami jednocześnie. Stosowane metody sterowania poszczególnymi wielkościami mogą być różne.

Sterowanie rozproszone w przypadku sterowania tego typu stosuje się kilka połączonych ze sobą sterowników, umieszczanych blisko maszyn lub odcinków instalacji. Schemat działania sterowania rozproszonego przedstawiono na rysunku 50.

Rys. 50. Sterowanie rozproszone [1, s. 395]

W przypadku tego sterowania każdy ze sterowników wyposażony jest w swoją jednostkę

centralną. Jej zadaniem jest przetwarzanie danych uzyskanych ze wszystkich innych sterowników. Przy prawidłowym rozdzieleniu zadań, zdecydowana większość działań sterownika odnosi się do lokalnych układów wejścia-wyjścia. Większość przesyłanych danych to informacje wykorzystywane do obliczeń.

Struktura wielopoziomowa jest ona często wykorzystywana przy przesyłaniu informacji pomiędzy różnymi komputerami i sterownikami logicznymi. Na rysunku 51 przedstawiono sterowanie w strukturze wielopoziomowej.


Rys. 51. Sterowanie w strukturze wielopoziomowej [1, s. 396]

Na poziomie pierwszym znajdują się regulatory, stacyjki, sterowniki logiczne. Są one

połączone z obiektami poprzez czujniki pomiarowe i urządzenia wykonawcze. Przeważnie wyższy poziom nie wymaga tak szczegółowych danych, jak poziom pierwszy. Na tym poziomie następuje gromadzenie danych pomiarowych, które są otrzymywane z pierwszej warstwy. Następnie odbywa się w niej obliczanie wartości zadanych analogowych układów regulacji, oraz w wypadku sterowania nadrzędnego przekazywanie ich do warstwy pierwszej. W warstwie nadrzędnej może się również odbywać obsługa urządzeń operatorskich, mogą być podejmowane decyzje dotyczące koordynacji pracy różnych obiektów.

Na rysunku 52 przedstawiono przykład systemu hierarchicznego sterowania i zarządzania wydziałem produkcyjnym.

Rys. 52. Przykład komputerowego wielopoziomowego systemu sterowania i zarządzania

wydziałem produkcyjnym (przygotowania blach) [1, s. 397]

W warstwie najwyższej w wyniku posiadanych danych, których część może być pozyskana z warstw niższych, realizowane są zadania dotyczące zarządzania przedsiębiorstwem.


4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń. 1. Jakie zadania stawiane są przed automatyką? 2. Jakie są rodzaje układów sterowania? 3. Jakie są rodzaje układów regulacji? 4. Jaka jest zasada działania regulatorów bezpośredniego działania? 5. Jakie funkcje spełnia układ sterowania? 6. Jakie zadanie spełnia układ sterowania z blokadą? 7. Jakie zadania spełnia układ sygnalizacji? 8. Jakiego rodzaju układy cyfrowe znalazły zastosowanie w automatyce? 9. Jakie są rodzaje złożonych układów logicznych? 10. Jakie elementy wchodzą w skład sterownika PLC? 11. Jakie moduły zaliczymy do modułów specjalistycznych sterowników PLC? 12. Jakie zadania pełni programator? 13. Jakie zadania spełnia magistrala adresowa? 14. Jakie czynności są wykonywane w trakcie programowania sterowników PLC? 15. Jakie są przykłady urządzeń zawierających wbudowane mikrokomputery

jednoukładowe? 16. Jaka jest zasada działania sterowników w trybie on-line i off-line? 17. Co to są układy CRPD? 18. Jaka jest zasada działania sterowania rozproszonego?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1 Przedstaw klasyfikacje układów sterowania. Narysuj schematy działania tych układów,

oraz przeanalizuj zasadę ich działania. Określ właściwości każdego z nich, oraz przedstaw podobieństwa i różnice występujące między nimi.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przedstawić klasyfikacje układów sterowania, 5) narysować schematy ich działania oraz przeanalizować zasadę ich działania, 6) określić właściwości każdego z nich, oraz podobieństwa i różnice występujące pomiędzy

nimi, 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − stanowisko z dostępem do Internetu.


Ćwiczenie 2 Przedstaw na schematach dwa rodzaje trybów pracy: on-line i off-line. Określ czym

charakteryzują się te dwa tryby pracy. Określ podobieństwa i różnice występujące między nimi. Opisz przykłady ich stosowania.


1) zgromadzić materiały i narzędzia do wykonania ćwiczenia, 2) zorganizować stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp i ergonomii pracy, 3) zaplanować tok postępowania, 4) przedstawić schematy następujących trybów pracy: on-line i off-line, 5) określić czym się one charakteryzują oraz podobieństwa i różnice występujące między

nimi, 6) opisać przykłady ich zastosowania 7) przeprowadzić analizę ćwiczenia, 8) zaprezentować pracę na forum grupy.

Wyposażenie stanowiska pracy: − papier formatu A4, − przybory do pisania, linijka, ołówek, − stanowisko z dostępem do Internetu. 4.3.4. Sprawdzian postępów Czy potrafisz:

Tak

Nie 1) określić zadania stawiane są przed automatyką? 2) określić rodzaje układów sterowania? 3) określić rodzaje układów regulacji? 4) zasada działania regulatorów bezpośredniego działania? 5) określić funkcje jakie spełnia układ sterowania? 6) określić zadanie jakie spełnia układ sterowania z blokadą? 7) określić zadania jakie spełnia układ sygnalizacji? 8) określić rodzaj układów cyfrowych stosowanych w automatyce? 9) określić elementy wchodzące w skład sterowników PLC? 10) określić zadania jakie pełni programator? 11) rozróżnić działanie sterowników w trybie on-line i off-line? 12) określić zasadę działania sterowania rozproszonego?


5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uważnie instrukcję. 2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi. 3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych. 4. Test zawiera 20 zadań. Do każdego zadania dołączone są 4 możliwości odpowiedzi.

Tylko jedna jest prawidłowa. 5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania. 7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas. 8. Na rozwiązanie testu masz 40 minut.

Powodzenia!


ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH 1. Do środków ochrony dodatkowej zaliczamy

a) osłony. b) umieszczenie poza zasięgiem ręki. c) samoczynne wyłączenie zasilania. d) ogrodzenie.

2. Jednostką ładunku elektrycznego jest

a) C. b) V. c) A. d) Ω.

3. Natężenie pola elektrycznego jest określane jako

a) siła wzajemnego oddziaływania ładunków, która jest proporcjonalna do iloczynu ich wartości, a odwrotnie proporcjonalna do ich odległości.

b) stosunek pracy wykonanej przez ładunek przemieszczający się z punktu 1 do punktu 2 do wartości tego ładunku.

c) wartość wprost proporcjonalna do napięcia między jego końcami i odwrotnie proporcjonalna do jego rezystancji.

d) stosunek siły działającej na ładunek umieszczony w polu elektrycznym do jego wartości.

4. Do przyrządów elektronicznych zalicza się

a) przyrządy indukcyjne. b) przyrządy elektrodynamiczne. c) oscyloskopy. d) żadne z powyższych.

5. Zależność ΣE = ΣRI opisuje

a) prawo Ohma. b) I prawo Kirchhoffa. c) II prawo Kirchhoffa. d) prawo Coulomba.

6. Linia zasilająca prowadzona jako instalacja przedlicznikowa, prowadzona jest w łatwo

dostępnych miejscach, to a) złącza. b) rozdzielnica. c) linia wewnętrzna. d) instalacja odbiorcza.


7. Na rysunku przedstawiono żarówkę. Oznaczenia 5, 6, 7 to

a) 5 – słupek, 6 – nóżka, 7 – przewody doprowadzające prąd do żarnika. b) 5 – słupek, 6 – nóżka, 7 – rurka pompowa. c) 5 – trzonek, 6 – słupek, 7 – rurka pompowa. d) 5 – rurka pompowa, 6 – słupek, 7 – nóżka.

8. Lampy pracujące na zasadzie wyładowań w rurze ze szkła kwarcowego, zachodzące

pomiędzy elektrodami z wolframu, to lampy a) sodowe. b) neonowe. c) ksenonowe. d) rtęciowe.

9. Oprawy, które można podzielić na: zwykłe, odporne na pył i wodę oraz

przeciwwybuchowe, to a) oprawy zewnętrzne. b) oprawy przemysłowe. c) wnękowe ogólnego stosowania. d) oprawy specjalnego przeznaczenia.

10. Diody stosowane w układach wzmacniających, generatorach mikrofalowych, układach

impulsowych o dużej szybkości działania, to diody a) zenera. b) tunelowe. c) impulsowe. d) mikrofalowe.

11. Na rysunku poniżej przedstawiono

a) tranzystor bipolarny. b) tranzystor unipolarny złączowy. c) tranzystor unipolarny z izolowaną bramką. d) żaden z powyższych.


12. Do przetworników półprzewodnikowych świetlnych nie zalicza się a) diod elektroluminescencyjnych. b) fotodiod. c) transoptory. d) diod półprzewodnikowych.

13. Transformatory służące do rozszerzania zakresu przyrządów mierzących prąd, moc czy

energię, a także stosowane w układach sterowniczych i zabezpieczających, to a) przekładniki prądowe. b) przekładniki napięciowe. c) laboratoryjne autotransformatory regulacyjne. d) transformatory bezpieczeństwa.

14. Hamowanie silników prądu stałego polegające na zmianie biegunowości napięcia, to

hamowanie a) elektryczne prądnicowe. b) przeciwprądem. c) dynamiczne. d) naturalne.

15. Na rysunku przedstawiono wirnik silnika pierścieniowego. Oznaczenia 1, 2, 3, 4, to

a) 1 – blachy wirnika, 2 – uzwojenie, 3 – wał, 4 – pierścienie ślizgowe połączone

z końcami uzwojeń wirnika. b) 1 – blachy wirnika, 2 – pierścienie ślizgowe połączone z końcami uzwojeń wirnika,

3 – wał, 4 – uzwojenie. c) 1 – wał, 2 – blachy wirnika, 3 – uzwojenie, 4 - pierścienie ślizgowe połączone

z końcami uzwojeń wirnika. d) 1 – blachy wirnika, 2 – wał, 3 – pierścień ślizgowy połączony z końcami uzwojenia

wirnika, 4 - uzwojenie.

16. Urządzenie lub zespół urządzeń, w którym następują procesy przemiany energii lub procesy technologiczne, powodujące zmiany fizyczne lub chemiczne materii, to a) obiekt sterowania. b) oddziaływania wzajemne. c) urządzenie sterujące. d) układ sterowania.

17. W układzie sterowania w którym tylko i wyłącznie układ sterujący oddziałuje na obiekt

nazywamy układem a) analogowym. b) cyfrowym. c) otwartym. d) zamkniętym.


18. W układach, w których wartości sygnałów wyjściowych zależą również od poprzednich wartości sygnałów wejściowych, to a) proste układy logiczne. b) proste układy logiczne z pamięcią. c) złożone układy logiczne. d) układy komutacyjne.

19. Element zapewniający jednostce centralnej dostęp do poszczególnych modułów

znajdujących się w sterowniku, to a) programator. b) magistrala adresowa. c) moduł funkcji czasowych. d) moduł wejściowy.

20. Na rysunku przedstawiono proces

a) nie sterowany. b) pracy w trybie on-line. c) pracy w trybie off-line. d) pracy w trybie doradczym.


KARTA ODPOWIEDZI Imię i nazwisko............................................................................... Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania Odpowiedź Punkty

1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d 11 a b c d 12 a b c d 13 a b c d 14 a b c d 15 a b c d 16 a b c d 17 a b c d 18 a b c d 19 a b c d 20 a b c d

Razem:


6. LITERATURA 1. Kijowski J., Miller A., Pawlicki K., Szolc T.: Maszynoznawstwo. WSiP, Warszawa 1993 2. Jabłośki W., Płoszajski G.: Elektrotechnika z automatyka. WSiP, Warszawa 1996 3. Zając P., Kołodziejczyk L. M.: Silniki spalinowe, WSiP. Warszawa 2001

Education

Analizowanie układów elektrycznych i sterowania w maszynach i urządzeniach