pobieranie: automatyka
Pobierz dokument docPrzeglądaj wersję html pliku:
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Zakład Konstrukcji Urządzeń Elektrycznych
INSTRUKCJA ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Łączniki elektromagnetyczne w układach sterowania automatycznego
Laboratorium Elektrotechniki w Inżynierii Środowiska
Warszawa 2003
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawową aparaturą układów
sterowania stykowego, zasadami rysowania schematów, łączenia
układów oraz podstawowymi funkcjami, jakie spełniają układy
sterownicze. Program przewiduje montaż i sprawdzenie działania
najprostszych układów sterowania (np. układów napędowych)
spełniających funkcje: podtrzymania, blokady i sygnalizacji.
Wprowadzenie
Sterowanie automatyczne
Zadaniem urządzeń automatycznego sterowania jest wykonywanie pewnych
czynności bez udziału obsługi. Jest to w niektórych przypadkach
konieczne lub niezbędne np. wtedy, gdy człowiek nie nadążałby z
wykonaniem tych czynności ręcznie. W innych przypadkach zastosowanie
automatyki nie jest konieczne, ale jej wprowadzenie jest celowe, gdyż
przyczynia się do zwiększenia wydajności pracy, podniesienia
sprawności oraz niezawodności maszyn i urządzeń.
Układy automatyki elektrycznej stosowane w urządzeniach technicznych
można podzielić na dwa rodzaje:
układy automatycznego sterowania
układy regulacji automatycznej
Różnicę między automatycznym sterowaniem a automatyczną regulacją
wyjaśniają schematy blokowe. W układzie sterowania automatycznego
(rys.1) elektryczny układ sterujący steruje pracą danego urządzenia,
zwanego obiektem sterowania. Po uruchomieniu urządzenie pracuje
samoczynnie, przy czym wszelkie zmiany parametrów pracy
(np. prędkości, kierunku wirowania itp.) przeprowadzane są
automatycznie w zależności od określonych czynników (np. czasu,
przebytej drogi itp.)
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 1 . Schematy blokowe układów: a)
automatycznego sterowania b) automatycznej regulacji
W układzie automatycznej regulacji z rysunku 1b pracą obiektu
regulacji kieruje układ regulujący (regulator), przy czym wielkość
regulowana y jest mierzona w punkcie B zwanym węzłem zaczepowym i
doprowadzana do punktu A, zwanego węzłem sumacyjnym, znajdującym się
na wejściu układu regulacji. Przepływ informacji dotyczącej
wartości mierzonej regulowanej wielkości y od punktu B do punktu A
tworzy tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego. W węźle sumacyjnym
wartość mierzona y jest porównywana z wartością zadaną x
regulowanej wielkości. Automatyczny układ regulacji działa zawsze w
tym kierunku, aby wartość mierzona y równała się wartości zadanej
x.
Układy automatycznej regulacji charakteryzują się tym, że mają
jedną lub kilka pętli sprzężenia zwrotnego tworzących obwody
zamknięte. Z tego względu nazywamy je układami zamkniętymi.
Układy automatycznego sterowania nie mają zamkniętych sprzężeń
zwrotnych i noszą nazwę układów otwartych.
Podział układów sterowania automatycznego
Sterowanie automatyczne wiąże się nierozłącznie z blokadą i
sygnalizacją. Blokada uniemożliwia wykonanie błędnych czynności
sterowania. Sygnalizacja informuje obsługę o przebiegu pracy
urządzenia. Blokada i sygnalizacja usprawniają obsługę i
zwiększają bezpieczeństwo pracy.
Elektryczne układy sterowania automatycznego można podzielić na dwie
grupy :
Układy sterowania stycznikowo-przekaźnikowe,
Układy sterowania sekwencyjnego (kolejnościowego).
Układy sterowania stycznikowo-przekaźnikowe są zbudowane, jak
wskazuje nazwa, z dwóch podstawowych elementów: styczników i
przekaźników. Styczniki są elementami wykonawczymi, które
włączają w odpowiedniej chwili obwody robocze. Przekaźniki sterują
pracą styczników, powodując wzbudzenie cewek styczników w
zależności od określonych czynników – czasu, przebytej drogi,
prędkości obrotowej itp. W zależności od tych czynników rozróżnia
się sterowanie w funkcji: czasu, drogi, prędkości itp.
Sterowanie sekwencyjne stosuje się w urządzeniach, w których zachodzi
konieczność wykonywania odpowiednich czynności przez podzespoły w
ściśle określonej kolejności.
Symbole graficzne
Poniżej rozpatrywane będą zasady łączenia i sterowania aparatów i
maszyn elektrycznych wchodzących w skład układu napędowego. Zasady
te mogą być również zastosowane do innych układów wymagających
sterowania.
Wszystkie elementy układu tworzą obwody elektryczne. Najważniejsze
znaczenie mają:
obwód główny – obwód łączący silnik z siecią zasilającą,
nazywany również obwodem prądu głównego,
obwód sterujący, zawierający cewki i styki przekaźników,
styczników, przyciski, wyłączniki krańcowe ewentualnie inną
aparaturę sterowniczą.
Schematy układów sterowania automatycznego są nieraz bardzo
rozbudowane. Szczególnie złożony obraz przedstawia schemat
rzeczywisty połączeń poszczególnych zacisków i elementów aparatury
sterującej, zwany schematem montażowym.
W celu możliwie jasnego przedstawienia obwodów sterujących rysuje
się schematy ideowe. Na schematach elektrycznych obwód główny rysuje
się linią grubą zaś obwód sterujący linią cienką. Poszczególne
elementy układu sterującego przedstawia się na tych schematach przy
pomocy symboli graficznych. Symbole te rozmieszczone są na schemacie
tak, aby połączenia były jak najkrótsze, bez zbędnych krzyżowań i
załamań przewodów.
W dalszym ciągu będą rysowane tylko schematy ideowe. Zestawienie
najważniejszych symboli graficznych podano w tablicy1.
TABLICA1 Wybrane symbole graficzne stosowane na schematach
Zwierny zestyk łącznika z napędem ręcznym z samoczynnym powrotem
Rozwierny zestyk łącznika z napędem ręcznym z samoczynnym
powrotem
Zestyk przekaźnika – symbol ogólny:
zwierny
rozwierny
Cewka przekaźnika zwłocznego o zwłoce :
przy wzbudzaniu
Zestyk przekaźnika o opóźnionym działaniu (czasowego) :
zwierny ze zwłoką przy zamykaniu (wzbudzaniu)
zwierny ze zwłoką przy otwieraniu (odwzbudzaniu)
rozwierny ze zwłoką przy zamykaniu (odwzbudzaniu)
Lampka sygnalizacyjna
Jako przykład może posłużyć schemat połączeń obwodu głównego i
sterującego stycznika elektromagnetycznego (rys. 2) Schematy rysuje
się zawsze w stanie bezprądowym i beznapięciowym. Wyłączniki są w
stanie otwartym, a przyciski – nie naciśnięte. Taki stan nazywa się
stanem normalnym.
Wyróżniamy następujące rodzaje zestyków:
zestyki normalnie otwarte - styki, które są otwarte w stanie
beznapięciowym, a zwierają się dopiero po włączeniu prądu do
odpowiedniego. Noszą one także nazwę zestyków zwiernych.
zestyki normalnie zamknięte - styki, które w stanie beznapięciowym
są zamknięte, a rozwierają się z chwilą włączenia prądu do
obwodu sterującego. Nazywa się je zestykami rozwiernymi.
Elementy układów sterowania automatycznego
Stycznik elektromagnetyczny
Stycznik jest to łącznik, którego zestyki robocze są zamykane przy
pomocy elektromagnesu i utrzymywane w takim stanie tak długo, dopóki
napięcie załączone do cewki jest odpowiednio wysokie. Po przerwaniu
obwodu cewki elektromagnesu następuje opadnięcie zwory (pod wpływem
działania sprężyny) i otwarcie zestyków roboczych. Na rysunku 2
widoczny jest schemat ilustrujący zasadę działania i sposób
włączenia stycznika oraz dodatkowo – przekaźnika termicznego
współpracującego ze stycznikiem (zabezpieczenie przed nadmiernym
wzrostem prądu silnika).
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 2 . Zasada działania i sposób włączenia
stycznika: a) schemat montażowy b) schemat ideowy
S – cewka stycznika i styki główne, S1 – zestyki pomocnicze, PT
– przekaźnik termiczny
Na drodze przepływu prądu roboczego znajdują się zestyki robocze (1)
oraz przekaźniki cieplne (2). W obwodzie sterującym jest zestyk
przekaźnika cieplnego (3), cewka elektromagnesu (4), zestyk pomocniczy
(5), przycisk załączający (6) oraz przycisk wyłączający (7).
Przyciski (6) i (7) stanowią oddzielne elementy i mogą być
umieszczone w dowolnym miejscu (możliwość zdalnego sterowania).
Zestyk pomocniczy (5), zamykający się jednocześnie ze zwieraniem
styków roboczych, jest połączony równolegle z przyciskiem (7).
Układ taki pozwala realizować funkcję samopodtrzymania. Do
załączania wystarczy jedynie krótkotrwały impuls podany za pomocą
przycisku (6). Przerwania obwodu sterującego może dokonać obsługa
przyciskiem (7) lub przekaźniki cieplne (w przypadku przeciążenia)
zestykiem (3). Układ stycznika nie pozwala na samorozruch silnika po
zaniku i ponownym pojawieniu się napięcia oraz po zadziałaniu
przekaźników cieplnych. Wraz z rozłączeniem styków głównych
następuje przerwanie obwodu cewki elektromagnesu przy pomocy zestyku
(5).
Stycznik jest łącznikiem przeznaczonym do częstego otwierania i
zamykania obwodu przy normalnych czynnościach eksploatacyjnych silnika,
takich jak rozruch, hamowanie, regulacja prędkości obrotowej itp.
Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące
Funkcjonowanie elaktromagnetycznych przekaźników pośredniczących
opiera się na podobnej zasadzie działania jak w przypadku stycznika
elektromagnetycznego Zestyki przekaźników mają stosunkowo niewielką
obciążalność prądową, rzędu kilku amperów. W związku z tym
przekaźnik jest wyposażony w znacznie mniejszy elektromagnes niż
stycznik, a styki nie mają dodatkowych urządzeń do gaszenia łuku.
Wymiary przekaźnika są mniejsze niż wymiary stycznika, natomiast
trwałość przekaźnika jest bardzo wysoka i dochodzi do
kilkudziesięciu milionów łączeń. Przekaźniki w zależności od
przeznaczenia mają jedną lub wiele par zestyków. Budowę dwóch
typów przekaźników pośredniczących pokazano na rysunku 3.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 3 . Przekaźniki pośredniczące: a) typ
przemysłowy, b) typ telefoniczny
Pod wpływem prądu przepływającego przez cewkę powstaje siła
przyciągająca zworę przekaźnika. Po przyciągnięciu zwory zamykają
się zestyki zwierne: (1), (2), (3) a otwierają rozwierne (4). Po
odłączeniu napięcia i opadnięciu zwory otwierają się zestyki:
(1),(2),(3) a zamykają rozwierne (4). W najczęściej spotykanych
rozwiązaniach konstrukcyjnych przekaźników napięcie cewki wynosi
230V lub 400V, prąd roboczy zestyków - od 1 do 10A, ilość zestyków
– od jednej do trzech par przełączalnych.
Przekaźnik czasowy zwłoczny
Przekaźnik czasowy zwłoczny jest urządzeniem, które dokonuje
łączenia lub rozłączenia swych styków z pewnym opóźnieniem od
chwili podania sygnału na zaciski cewki sterującej. Za sygnał należy
uważać zarówno pojawienie się jak i zanik napięcia na zaciskach
przekaźnika. Przekaźniki czasowe budowane są na różnych zasadach,
gdyż do pomiaru czasu można wykorzystać różne zjawiska. Poniżej
omówiony zostanie przekaźnik czasowy synchroniczny.
Przekaźniki czasowe synchroniczne składają się z miniaturowego
silniczka synchronicznego o mocy ok. 2W i prędkości obrotowej
375obr/min, przekładni zębatej napędzanej tarczą programową,
elektromagnesu i zespołu styków (rys. 4). Po zamknięciu styku PC3
zostaje uruchomiony silniczek M i jednocześnie włączane jest
zasilanie uzwojenia cewki elektromagnesu PC. Przyciągana zwora Z
połączona jest mechanicznie z dźwignią D działającą na zespół
styków. Ruch dźwigni jest ograniczony kołkiem oporowym K
naciskającym na tarczę programową TP, którą można nastawić na
określony kąt pokrętłem R. Po nastawionym czasie silniczek obróci
przez przekładnię tarczę TP tak, że kołek wpadnie w wykrój tarczy.
Dźwignia D wykona wtedy pełny ruch i nastąpi przełączenie styków
PC1, PC2, PC3. Otwierają się wtedy styki rozwierne PC3 przerywające
bieg silniczka. Taki stan trwa dopóki zasilana jest cewka PC.
Wyłączenie cewki PC przez otwarcie styku PC3 lub zanik napięcia w
sieci zasilającej spowoduje opadnięcie zwory Z i powrót styków do
położenia wyjściowego.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 4 . Szkic budowy przekaźnika czasowego
synchronicznego (typ RS-521)
Schemat ideowy przekaźnika synchronicznego podano na rysunku 5. Na
schematach ideowych sterowania automatycznego nie podaje się pełnego
układu połączeń przekaźnika, jak na rysunku 4 lecz jedynie jego
formę uproszczoną.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 5 . Schemat ideowy przekaźnika czasowego
synchronicznego: a) pełny b) uproszczony
Na rysunku 5b pokazany jest tylko obwód z cewką elektromagnesu PC oraz
obwody ze stykami wykonawczymi zwiernymi PC1 oraz PC2.
Przycisk sterowniczy
Przycisk sterowniczy dwuobwodowy umożliwia załączenie i wyłączenie
obwodu. Po naciśnięciu Z1 zamykamy obwód, urządzenie zostaje
uruchomione. Po naciśnięciu Z2 przerywamy obwód – urządzenie
zostaje zatrzymane.
Konstrukcja przedstawiona na rysunku 6 umożliwia dołączenie kilku
przycisków sterowniczych dwuobwodowych, dzięki czemu można zdalnie
uruchamiać i zatrzymywać urządzenie z kilku miejsc. W tym przypadku
wszystkie przyciski załączające łączy się równolegle,
wyłączające - szeregowo.
Z - przycisk załączający
W – przycisk wyłączający
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 6 . Układ przycisku sterowniczego
dwuobwodowego
Łącznik drogowy
Łączniki drogowe (krańcowe) spełniają zasadniczo tę samą rolę,
co przyciski sterownicze. Różnica polega jedynie na tym, że przyciski
sterownicze naciska obsługujący, zaś wyłączniki drogowe uruchamiane
są przy pomocy mechanicznie poruszanych zderzaków. Dlatego
wyłączniki drogowe muszą być mocniejsze od przycisków sterowniczych
i powinny mieć specjalną konstrukcję w zależności od zastosowania.
Wybrane układy sterowania pracą silników indukcyjnych
Układ jednokierunkowego sterowania pracą silnika za pomocą stycznika
Rysunek 7 przedstawia schemat ideowy obwodu sterującego pracą silnika
trójfazowego klatkowego. Włączanie i wyłączanie silnika dokonywane
jest za pomocą stycznika 1S.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 7 . Przykład realizacji obwodu sterowania
silnikiem klatkowym
Po naciśnięciu przycisku sterującego Z zamyka się obwód cewki
stycznika 1S. Przez cewkę stycznika 1S płynie prąd, zamykają się
zestyki 1S w obwodzie głównym silnika oraz pomocnicze zestyki 1S1,
które bocznikują przycisk Z w obwodzie sterującym. Silnik zostaje
włączony do sieci i pracuje tak długo, dopóki nie nastąpi
wyłączenie przy pomocy przycisku W. Przewód PE (ochronny) łączy
obudowę silnika z odpowiednim zaciskiem na tablicy rozdzielczej i
stanowi jeden z elementów systemu ochrony przeciwporażeniowej
Blokada elektryczna
Blokada w układach elektrycznych może mieć na celu wykluczenie
pewnych czynności lub też dopuszczenie pewnych czynności po
spełnieniu warunku lub szeregu warunków. Uszkodzenie blokady może
być powodem zakłóceń lub awarii. Rozróżniamy następujące rodzaje
blokad :
blokadę wykluczającą działanie pewnego silnika lub mechanizmu jeśli
działa drugi silnik lub mechanizm np. jeśli jest ruch wyciągu
osobowego w górę, należy zablokować impulsy dające ruch w dół.
blokadę kolejnościową (kaskadową) umożliwiającą np. kolejność
załączania silników dopiero po spełnieniu warunków wynikających z
ustalonego programu pracy.
Poniżej będą rozpatrzone schematy najbardziej typowych układów z
zastosowaniem blokad.
Blokada wykluczająca jednoczesne działanie dwóch silników
Zasada działania tego rodzaju blokady polega na wykorzystaniu zestyków
rozwiernych obu styczników jak na rysunku 8.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 8 Blokada wykluczająca ruch drugiego
silnika
W danej chwili może pracować silnik M1 albo silnik M2. Obie maszyny
mogą być również jednocześnie wyłączone. Niedopuszczalna jest
natomiast jednoczesna praca obu silników. Działanie układu sterowania
przebiega następująco: silnik M1 zostaje załączony dzięki
zadziałaniu stycznika 1S, którego styki pomocnicze rozwierne
(blokujące) 1S2, umieszczone w obwodzie sterującym silnika M2,
zostają otwarte, uniemożliwiając zamknięcie obwodu sterującego
stycznika 2S. Dopiero po wyłączeniu z ruchu silnika M1, czyli po
zamknięciu zestyków blokujących 1S2, można uruchomić silnik M2. Ta
zasada blokady wykluczającej jest również przyjęta przy sterowaniu
silnikiem w układzie pracy nawrotnej (rys. 9).
rys. SEQ rys. \* ARABIC 9 Sterowanie silnika przy pracy nawrotnej
SL, SP - styczniki kierunkowe (w lewo, w prawo)
SP1, SL1 - zestyki pomocnicze blokujące
Pracę nawrotną realizujemy za pomocą dwóch styczników kierunkowych
SP i SL. Zestyki rozwierne SP1 i SL1 tych styczników tworzą blokadę
uniemożliwiającą jednoczesne zamknięcie obu styczników, co
spowodowałoby zwarcie w obwodzie.
Niekiedy blokadę elektryczna wzmacnia się blokadą mechaniczną celem
ewentualnego wykluczenia zamknięcia obu styczników np. w przypadku
awarii lub zespawania zestyków stycznika.
Blokada kolejnościowa
Niekiedy w układach napędowych lub w innych układach sterowania
zależy na ustaleniu kolejności wykonywanych czynności np. w
obrabiarce należy uprzednio uruchomić wrzeciono, a następnie podać
obrabiany materiał. Należy w tym celu uruchomić uprzednio silnik M1 a
następnie silnik M2 tzn. należy wykluczyć możliwość
wcześniejszego uruchomienia silnika M2. Układ sterowania
kolejnościowego pokazany jak na rysunku 10. Blokadę kolejnościową
realizujemy przy pomocy zestyku 1S2 (zestyk zwierny stycznika 1S).
Dopóki nie będzie włączony stycznik 1S tj. dopóki silnik M1 nie
będzie załączony, w obwodzie sterującym silnika M2 będzie
istniała przerwa ze względu na otwarty zestyk 1S2 i wszelkie próby
uruchomienia tego obwodu przy pomocy przycisku Z2 okażą się
bezskuteczne. Uruchomienie maszyny M2 przy pomocy przycisku Z2 będzie
możliwe wtedy, gdy zestyk 1S2 będzie zamknięty. Przycisk rozwierny W2
pozwala wyłączyć silnik M2
(w czasie pracy silnika M1).
Wyłączenie silnika M1 przy pomocy przycisku W1 powoduje automatyczne
zatrzymanie silnika M2, gdyż jego obwód sterujący (zasilanie cewki
stycznika 2S) zostaje przerwany przez otwierający się (z chwilą
wyłączenia stycznika 1S) zestyk 1S2.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 10 . Układ sterowania z zastosowaniem
blokady kolejnościowej
Przebieg ćwiczenia
Zapoznanie się z aparaturą napędową i sterowniczą na stanowisku
badawczym w laboratorium.
Korzystając ze schematów ideowych podanych w instrukcji zbudować
układy wskazane przez prowadzącego ćwiczenie. Przyłączając do
sieci (przez zabezpieczenie) obwód sterujący przeprowadzić próby tej
części układu, a następnie rozruch całego układu. Zwrócić uwagę
na poprawne połączenie przewodu ochronnego PE.
Należy pamiętać o tym, że napięcie znamionowe cewek zastosowanych
styczników wynosi 230V.
Sprawdzić poprawność działania układu.
Włączenie napięcia – wyłącznie za zgodą prowadzącego zajęcia.
W sprawozdaniu podać schematy badanych układów narysowane zgodnie z
zaleceniami prowadzącego ćwiczenie oraz opis działania.
Pytania sprawdzające i zadania
Czym różni się sterowanie automatyczne od regulacji?
Podać zasadę działania stycznika i przekaźników opisanych w
instrukcji.
Z czego wynika obecność siły działającej na zworę dowolnego
łącznika elektromagnetycznego?
Jaki cel ma sterowanie aparatury umożliwiającej sterowanie
automatyczne?
Wskazać różnice w budowie przekaźnika i stycznika.
Do czego służą zestyki robocze i zestyki pomocnicze stycznika?
Na czym polega funkcja samopodtrzymywania zasilania cewki stycznika?
Jak oznacza się na schematach: przycisk zwierny, przycisk rozwierny,
stycznik, bezpiecznik topikowy, przekaźnik, żarówkę, zestyki?
Ile wynosi napięcie skuteczne fazowe i przewodowe sieci zasilającej
oraz jego częstotliwość?
Szeregowo ze źródłem zasilania połączono: przycisk zwierny,
przycisk rozwierny i żarówkę. Podać stan każdego z przycisków,
przy którym żarówka zaświeci.
Zaproponować układ sterowania świeceniem dwóch żarówek
zrealizowany przy pomocy możliwie małej liczby elementów sterowania
automatycznego. Obie żarówki znajdują się w tym samym miejscu
(pulpit kontrolera) i sygnalizują kontrolerowi obecność pracowników
w pomieszczeniach A i B, zgaśnięcie żarówki oznacza opuszczenie
pomieszczenia. Przeanalizować następujące warianty:
zaświecenie żarówki wymaga ciągłego naciskania na przycisk
sterujący,
zaświecenie żarówki wymaga zwolnienia przycisku sterującego,
zaświecenie żarówki wymaga jednokrotnego naciśnięcia przycisku
zwiernego, a zgaszenie – jednokrotnego naciśnięcia przycisku
rozwiernego.
Literatura
Miedziński B. Elektrotechnika. Podstawy i instalacje elektryczne PWN
2000
Michel K., Sapiński M. Czytam rysunek elektryczny WSiP 1996
Chmielarz J. Projektowanie elektrycznych urządzeń sterowania, blokady
i sygnalizacji WNT Warszawa 1966
SPIS TREŚCI
1. Cel ćwiczenia 3
2. Wprowadzenie 3
2.1 Sterowanie automatyczne 3
2.2 Podział układów sterowania automatycznego 4
2.3 Symbole graficzne 4
3. Elementy układów sterowania automatycznego 6
3.1 Stycznik elektromagnetyczny 6
3.2 Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące 7
3.3 Przekaźnik czasowy zwłoczny 8
3.4 Przycisk sterowniczy 9
3.5 Łącznik drogowy 10
4. Wybrane układy sterowania pracą silników indukcyjnych 10
4.1 Układ jednokierunkowego sterowania pracą silnika za pomocą
stycznika 10
4.2 Blokada elektryczna 11
4.2.1 Blokada wykluczająca jednoczesne działanie dwóch silników 11
4.3 Blokada kolejnościowa 12
5. Przebieg ćwiczenia 13
6. Pytania sprawdzające i zadania 14
PAGE
PAGE 15
automatyka
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Zakład Konstrukcji Urządzeń Elektrycznych
INSTRUKCJA ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
Łączniki elektromagnetyczne w układach sterowania automatycznego
Laboratorium Elektrotechniki w Inżynierii Środowiska
Warszawa 2003
Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawową aparaturą układów
sterowania stykowego, zasadami rysowania schematów, łączenia
układów oraz podstawowymi funkcjami, jakie spełniają układy
sterownicze. Program przewiduje montaż i sprawdzenie działania
najprostszych układów sterowania (np. układów napędowych)
spełniających funkcje: podtrzymania, blokady i sygnalizacji.
Wprowadzenie
Sterowanie automatyczne
Zadaniem urządzeń automatycznego sterowania jest wykonywanie pewnych
czynności bez udziału obsługi. Jest to w niektórych przypadkach
konieczne lub niezbędne np. wtedy, gdy człowiek nie nadążałby z
wykonaniem tych czynności ręcznie. W innych przypadkach zastosowanie
automatyki nie jest konieczne, ale jej wprowadzenie jest celowe, gdyż
przyczynia się do zwiększenia wydajności pracy, podniesienia
sprawności oraz niezawodności maszyn i urządzeń.
Układy automatyki elektrycznej stosowane w urządzeniach technicznych
można podzielić na dwa rodzaje:
układy automatycznego sterowania
układy regulacji automatycznej
Różnicę między automatycznym sterowaniem a automatyczną regulacją
wyjaśniają schematy blokowe. W układzie sterowania automatycznego
(rys.1) elektryczny układ sterujący steruje pracą danego urządzenia,
zwanego obiektem sterowania. Po uruchomieniu urządzenie pracuje
samoczynnie, przy czym wszelkie zmiany parametrów pracy
(np. prędkości, kierunku wirowania itp.) przeprowadzane są
automatycznie w zależności od określonych czynników (np. czasu,
przebytej drogi itp.)
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 1 . Schematy blokowe układów: a)
automatycznego sterowania b) automatycznej regulacji
W układzie automatycznej regulacji z rysunku 1b pracą obiektu
regulacji kieruje układ regulujący (regulator), przy czym wielkość
regulowana y jest mierzona w punkcie B zwanym węzłem zaczepowym i
doprowadzana do punktu A, zwanego węzłem sumacyjnym, znajdującym się
na wejściu układu regulacji. Przepływ informacji dotyczącej
wartości mierzonej regulowanej wielkości y od punktu B do punktu A
tworzy tzw. pętlę sprzężenia zwrotnego. W węźle sumacyjnym
wartość mierzona y jest porównywana z wartością zadaną x
regulowanej wielkości. Automatyczny układ regulacji działa zawsze w
tym kierunku, aby wartość mierzona y równała się wartości zadanej
x.
Układy automatycznej regulacji charakteryzują się tym, że mają
jedną lub kilka pętli sprzężenia zwrotnego tworzących obwody
zamknięte. Z tego względu nazywamy je układami zamkniętymi.
Układy automatycznego sterowania nie mają zamkniętych sprzężeń
zwrotnych i noszą nazwę układów otwartych.
Podział układów sterowania automatycznego
Sterowanie automatyczne wiąże się nierozłącznie z blokadą i
sygnalizacją. Blokada uniemożliwia wykonanie błędnych czynności
sterowania. Sygnalizacja informuje obsługę o przebiegu pracy
urządzenia. Blokada i sygnalizacja usprawniają obsługę i
zwiększają bezpieczeństwo pracy.
Elektryczne układy sterowania automatycznego można podzielić na dwie
grupy :
Układy sterowania stycznikowo-przekaźnikowe,
Układy sterowania sekwencyjnego (kolejnościowego).
Układy sterowania stycznikowo-przekaźnikowe są zbudowane, jak
wskazuje nazwa, z dwóch podstawowych elementów: styczników i
przekaźników. Styczniki są elementami wykonawczymi, które
włączają w odpowiedniej chwili obwody robocze. Przekaźniki sterują
pracą styczników, powodując wzbudzenie cewek styczników w
zależności od określonych czynników – czasu, przebytej drogi,
prędkości obrotowej itp. W zależności od tych czynników rozróżnia
się sterowanie w funkcji: czasu, drogi, prędkości itp.
Sterowanie sekwencyjne stosuje się w urządzeniach, w których zachodzi
konieczność wykonywania odpowiednich czynności przez podzespoły w
ściśle określonej kolejności.
Symbole graficzne
Poniżej rozpatrywane będą zasady łączenia i sterowania aparatów i
maszyn elektrycznych wchodzących w skład układu napędowego. Zasady
te mogą być również zastosowane do innych układów wymagających
sterowania.
Wszystkie elementy układu tworzą obwody elektryczne. Najważniejsze
znaczenie mają:
obwód główny – obwód łączący silnik z siecią zasilającą,
nazywany również obwodem prądu głównego,
obwód sterujący, zawierający cewki i styki przekaźników,
styczników, przyciski, wyłączniki krańcowe ewentualnie inną
aparaturę sterowniczą.
Schematy układów sterowania automatycznego są nieraz bardzo
rozbudowane. Szczególnie złożony obraz przedstawia schemat
rzeczywisty połączeń poszczególnych zacisków i elementów aparatury
sterującej, zwany schematem montażowym.
W celu możliwie jasnego przedstawienia obwodów sterujących rysuje
się schematy ideowe. Na schematach elektrycznych obwód główny rysuje
się linią grubą zaś obwód sterujący linią cienką. Poszczególne
elementy układu sterującego przedstawia się na tych schematach przy
pomocy symboli graficznych. Symbole te rozmieszczone są na schemacie
tak, aby połączenia były jak najkrótsze, bez zbędnych krzyżowań i
załamań przewodów.
W dalszym ciągu będą rysowane tylko schematy ideowe. Zestawienie
najważniejszych symboli graficznych podano w tablicy1.
TABLICA1 Wybrane symbole graficzne stosowane na schematach
Zwierny zestyk łącznika z napędem ręcznym z samoczynnym powrotem
Rozwierny zestyk łącznika z napędem ręcznym z samoczynnym
powrotem
Zestyk przekaźnika – symbol ogólny:
zwierny
rozwierny
Cewka przekaźnika zwłocznego o zwłoce :
przy wzbudzaniu
Zestyk przekaźnika o opóźnionym działaniu (czasowego) :
zwierny ze zwłoką przy zamykaniu (wzbudzaniu)
zwierny ze zwłoką przy otwieraniu (odwzbudzaniu)
rozwierny ze zwłoką przy zamykaniu (odwzbudzaniu)
Lampka sygnalizacyjna
Jako przykład może posłużyć schemat połączeń obwodu głównego i
sterującego stycznika elektromagnetycznego (rys. 2) Schematy rysuje
się zawsze w stanie bezprądowym i beznapięciowym. Wyłączniki są w
stanie otwartym, a przyciski – nie naciśnięte. Taki stan nazywa się
stanem normalnym.
Wyróżniamy następujące rodzaje zestyków:
zestyki normalnie otwarte - styki, które są otwarte w stanie
beznapięciowym, a zwierają się dopiero po włączeniu prądu do
odpowiedniego. Noszą one także nazwę zestyków zwiernych.
zestyki normalnie zamknięte - styki, które w stanie beznapięciowym
są zamknięte, a rozwierają się z chwilą włączenia prądu do
obwodu sterującego. Nazywa się je zestykami rozwiernymi.
Elementy układów sterowania automatycznego
Stycznik elektromagnetyczny
Stycznik jest to łącznik, którego zestyki robocze są zamykane przy
pomocy elektromagnesu i utrzymywane w takim stanie tak długo, dopóki
napięcie załączone do cewki jest odpowiednio wysokie. Po przerwaniu
obwodu cewki elektromagnesu następuje opadnięcie zwory (pod wpływem
działania sprężyny) i otwarcie zestyków roboczych. Na rysunku 2
widoczny jest schemat ilustrujący zasadę działania i sposób
włączenia stycznika oraz dodatkowo – przekaźnika termicznego
współpracującego ze stycznikiem (zabezpieczenie przed nadmiernym
wzrostem prądu silnika).
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 2 . Zasada działania i sposób włączenia
stycznika: a) schemat montażowy b) schemat ideowy
S – cewka stycznika i styki główne, S1 – zestyki pomocnicze, PT
– przekaźnik termiczny
Na drodze przepływu prądu roboczego znajdują się zestyki robocze (1)
oraz przekaźniki cieplne (2). W obwodzie sterującym jest zestyk
przekaźnika cieplnego (3), cewka elektromagnesu (4), zestyk pomocniczy
(5), przycisk załączający (6) oraz przycisk wyłączający (7).
Przyciski (6) i (7) stanowią oddzielne elementy i mogą być
umieszczone w dowolnym miejscu (możliwość zdalnego sterowania).
Zestyk pomocniczy (5), zamykający się jednocześnie ze zwieraniem
styków roboczych, jest połączony równolegle z przyciskiem (7).
Układ taki pozwala realizować funkcję samopodtrzymania. Do
załączania wystarczy jedynie krótkotrwały impuls podany za pomocą
przycisku (6). Przerwania obwodu sterującego może dokonać obsługa
przyciskiem (7) lub przekaźniki cieplne (w przypadku przeciążenia)
zestykiem (3). Układ stycznika nie pozwala na samorozruch silnika po
zaniku i ponownym pojawieniu się napięcia oraz po zadziałaniu
przekaźników cieplnych. Wraz z rozłączeniem styków głównych
następuje przerwanie obwodu cewki elektromagnesu przy pomocy zestyku
(5).
Stycznik jest łącznikiem przeznaczonym do częstego otwierania i
zamykania obwodu przy normalnych czynnościach eksploatacyjnych silnika,
takich jak rozruch, hamowanie, regulacja prędkości obrotowej itp.
Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące
Funkcjonowanie elaktromagnetycznych przekaźników pośredniczących
opiera się na podobnej zasadzie działania jak w przypadku stycznika
elektromagnetycznego Zestyki przekaźników mają stosunkowo niewielką
obciążalność prądową, rzędu kilku amperów. W związku z tym
przekaźnik jest wyposażony w znacznie mniejszy elektromagnes niż
stycznik, a styki nie mają dodatkowych urządzeń do gaszenia łuku.
Wymiary przekaźnika są mniejsze niż wymiary stycznika, natomiast
trwałość przekaźnika jest bardzo wysoka i dochodzi do
kilkudziesięciu milionów łączeń. Przekaźniki w zależności od
przeznaczenia mają jedną lub wiele par zestyków. Budowę dwóch
typów przekaźników pośredniczących pokazano na rysunku 3.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 3 . Przekaźniki pośredniczące: a) typ
przemysłowy, b) typ telefoniczny
Pod wpływem prądu przepływającego przez cewkę powstaje siła
przyciągająca zworę przekaźnika. Po przyciągnięciu zwory zamykają
się zestyki zwierne: (1), (2), (3) a otwierają rozwierne (4). Po
odłączeniu napięcia i opadnięciu zwory otwierają się zestyki:
(1),(2),(3) a zamykają rozwierne (4). W najczęściej spotykanych
rozwiązaniach konstrukcyjnych przekaźników napięcie cewki wynosi
230V lub 400V, prąd roboczy zestyków - od 1 do 10A, ilość zestyków
– od jednej do trzech par przełączalnych.
Przekaźnik czasowy zwłoczny
Przekaźnik czasowy zwłoczny jest urządzeniem, które dokonuje
łączenia lub rozłączenia swych styków z pewnym opóźnieniem od
chwili podania sygnału na zaciski cewki sterującej. Za sygnał należy
uważać zarówno pojawienie się jak i zanik napięcia na zaciskach
przekaźnika. Przekaźniki czasowe budowane są na różnych zasadach,
gdyż do pomiaru czasu można wykorzystać różne zjawiska. Poniżej
omówiony zostanie przekaźnik czasowy synchroniczny.
Przekaźniki czasowe synchroniczne składają się z miniaturowego
silniczka synchronicznego o mocy ok. 2W i prędkości obrotowej
375obr/min, przekładni zębatej napędzanej tarczą programową,
elektromagnesu i zespołu styków (rys. 4). Po zamknięciu styku PC3
zostaje uruchomiony silniczek M i jednocześnie włączane jest
zasilanie uzwojenia cewki elektromagnesu PC. Przyciągana zwora Z
połączona jest mechanicznie z dźwignią D działającą na zespół
styków. Ruch dźwigni jest ograniczony kołkiem oporowym K
naciskającym na tarczę programową TP, którą można nastawić na
określony kąt pokrętłem R. Po nastawionym czasie silniczek obróci
przez przekładnię tarczę TP tak, że kołek wpadnie w wykrój tarczy.
Dźwignia D wykona wtedy pełny ruch i nastąpi przełączenie styków
PC1, PC2, PC3. Otwierają się wtedy styki rozwierne PC3 przerywające
bieg silniczka. Taki stan trwa dopóki zasilana jest cewka PC.
Wyłączenie cewki PC przez otwarcie styku PC3 lub zanik napięcia w
sieci zasilającej spowoduje opadnięcie zwory Z i powrót styków do
położenia wyjściowego.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 4 . Szkic budowy przekaźnika czasowego
synchronicznego (typ RS-521)
Schemat ideowy przekaźnika synchronicznego podano na rysunku 5. Na
schematach ideowych sterowania automatycznego nie podaje się pełnego
układu połączeń przekaźnika, jak na rysunku 4 lecz jedynie jego
formę uproszczoną.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 5 . Schemat ideowy przekaźnika czasowego
synchronicznego: a) pełny b) uproszczony
Na rysunku 5b pokazany jest tylko obwód z cewką elektromagnesu PC oraz
obwody ze stykami wykonawczymi zwiernymi PC1 oraz PC2.
Przycisk sterowniczy
Przycisk sterowniczy dwuobwodowy umożliwia załączenie i wyłączenie
obwodu. Po naciśnięciu Z1 zamykamy obwód, urządzenie zostaje
uruchomione. Po naciśnięciu Z2 przerywamy obwód – urządzenie
zostaje zatrzymane.
Konstrukcja przedstawiona na rysunku 6 umożliwia dołączenie kilku
przycisków sterowniczych dwuobwodowych, dzięki czemu można zdalnie
uruchamiać i zatrzymywać urządzenie z kilku miejsc. W tym przypadku
wszystkie przyciski załączające łączy się równolegle,
wyłączające - szeregowo.
Z - przycisk załączający
W – przycisk wyłączający
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 6 . Układ przycisku sterowniczego
dwuobwodowego
Łącznik drogowy
Łączniki drogowe (krańcowe) spełniają zasadniczo tę samą rolę,
co przyciski sterownicze. Różnica polega jedynie na tym, że przyciski
sterownicze naciska obsługujący, zaś wyłączniki drogowe uruchamiane
są przy pomocy mechanicznie poruszanych zderzaków. Dlatego
wyłączniki drogowe muszą być mocniejsze od przycisków sterowniczych
i powinny mieć specjalną konstrukcję w zależności od zastosowania.
Wybrane układy sterowania pracą silników indukcyjnych
Układ jednokierunkowego sterowania pracą silnika za pomocą stycznika
Rysunek 7 przedstawia schemat ideowy obwodu sterującego pracą silnika
trójfazowego klatkowego. Włączanie i wyłączanie silnika dokonywane
jest za pomocą stycznika 1S.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 7 . Przykład realizacji obwodu sterowania
silnikiem klatkowym
Po naciśnięciu przycisku sterującego Z zamyka się obwód cewki
stycznika 1S. Przez cewkę stycznika 1S płynie prąd, zamykają się
zestyki 1S w obwodzie głównym silnika oraz pomocnicze zestyki 1S1,
które bocznikują przycisk Z w obwodzie sterującym. Silnik zostaje
włączony do sieci i pracuje tak długo, dopóki nie nastąpi
wyłączenie przy pomocy przycisku W. Przewód PE (ochronny) łączy
obudowę silnika z odpowiednim zaciskiem na tablicy rozdzielczej i
stanowi jeden z elementów systemu ochrony przeciwporażeniowej
Blokada elektryczna
Blokada w układach elektrycznych może mieć na celu wykluczenie
pewnych czynności lub też dopuszczenie pewnych czynności po
spełnieniu warunku lub szeregu warunków. Uszkodzenie blokady może
być powodem zakłóceń lub awarii. Rozróżniamy następujące rodzaje
blokad :
blokadę wykluczającą działanie pewnego silnika lub mechanizmu jeśli
działa drugi silnik lub mechanizm np. jeśli jest ruch wyciągu
osobowego w górę, należy zablokować impulsy dające ruch w dół.
blokadę kolejnościową (kaskadową) umożliwiającą np. kolejność
załączania silników dopiero po spełnieniu warunków wynikających z
ustalonego programu pracy.
Poniżej będą rozpatrzone schematy najbardziej typowych układów z
zastosowaniem blokad.
Blokada wykluczająca jednoczesne działanie dwóch silników
Zasada działania tego rodzaju blokady polega na wykorzystaniu zestyków
rozwiernych obu styczników jak na rysunku 8.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 8 Blokada wykluczająca ruch drugiego
silnika
W danej chwili może pracować silnik M1 albo silnik M2. Obie maszyny
mogą być również jednocześnie wyłączone. Niedopuszczalna jest
natomiast jednoczesna praca obu silników. Działanie układu sterowania
przebiega następująco: silnik M1 zostaje załączony dzięki
zadziałaniu stycznika 1S, którego styki pomocnicze rozwierne
(blokujące) 1S2, umieszczone w obwodzie sterującym silnika M2,
zostają otwarte, uniemożliwiając zamknięcie obwodu sterującego
stycznika 2S. Dopiero po wyłączeniu z ruchu silnika M1, czyli po
zamknięciu zestyków blokujących 1S2, można uruchomić silnik M2. Ta
zasada blokady wykluczającej jest również przyjęta przy sterowaniu
silnikiem w układzie pracy nawrotnej (rys. 9).
rys. SEQ rys. \* ARABIC 9 Sterowanie silnika przy pracy nawrotnej
SL, SP - styczniki kierunkowe (w lewo, w prawo)
SP1, SL1 - zestyki pomocnicze blokujące
Pracę nawrotną realizujemy za pomocą dwóch styczników kierunkowych
SP i SL. Zestyki rozwierne SP1 i SL1 tych styczników tworzą blokadę
uniemożliwiającą jednoczesne zamknięcie obu styczników, co
spowodowałoby zwarcie w obwodzie.
Niekiedy blokadę elektryczna wzmacnia się blokadą mechaniczną celem
ewentualnego wykluczenia zamknięcia obu styczników np. w przypadku
awarii lub zespawania zestyków stycznika.
Blokada kolejnościowa
Niekiedy w układach napędowych lub w innych układach sterowania
zależy na ustaleniu kolejności wykonywanych czynności np. w
obrabiarce należy uprzednio uruchomić wrzeciono, a następnie podać
obrabiany materiał. Należy w tym celu uruchomić uprzednio silnik M1 a
następnie silnik M2 tzn. należy wykluczyć możliwość
wcześniejszego uruchomienia silnika M2. Układ sterowania
kolejnościowego pokazany jak na rysunku 10. Blokadę kolejnościową
realizujemy przy pomocy zestyku 1S2 (zestyk zwierny stycznika 1S).
Dopóki nie będzie włączony stycznik 1S tj. dopóki silnik M1 nie
będzie załączony, w obwodzie sterującym silnika M2 będzie
istniała przerwa ze względu na otwarty zestyk 1S2 i wszelkie próby
uruchomienia tego obwodu przy pomocy przycisku Z2 okażą się
bezskuteczne. Uruchomienie maszyny M2 przy pomocy przycisku Z2 będzie
możliwe wtedy, gdy zestyk 1S2 będzie zamknięty. Przycisk rozwierny W2
pozwala wyłączyć silnik M2
(w czasie pracy silnika M1).
Wyłączenie silnika M1 przy pomocy przycisku W1 powoduje automatyczne
zatrzymanie silnika M2, gdyż jego obwód sterujący (zasilanie cewki
stycznika 2S) zostaje przerwany przez otwierający się (z chwilą
wyłączenia stycznika 1S) zestyk 1S2.
Rys. SEQ rys. \* ARABIC 10 . Układ sterowania z zastosowaniem
blokady kolejnościowej
Przebieg ćwiczenia
Zapoznanie się z aparaturą napędową i sterowniczą na stanowisku
badawczym w laboratorium.
Korzystając ze schematów ideowych podanych w instrukcji zbudować
układy wskazane przez prowadzącego ćwiczenie. Przyłączając do
sieci (przez zabezpieczenie) obwód sterujący przeprowadzić próby tej
części układu, a następnie rozruch całego układu. Zwrócić uwagę
na poprawne połączenie przewodu ochronnego PE.
Należy pamiętać o tym, że napięcie znamionowe cewek zastosowanych
styczników wynosi 230V.
Sprawdzić poprawność działania układu.
Włączenie napięcia – wyłącznie za zgodą prowadzącego zajęcia.
W sprawozdaniu podać schematy badanych układów narysowane zgodnie z
zaleceniami prowadzącego ćwiczenie oraz opis działania.
Pytania sprawdzające i zadania
Czym różni się sterowanie automatyczne od regulacji?
Podać zasadę działania stycznika i przekaźników opisanych w
instrukcji.
Z czego wynika obecność siły działającej na zworę dowolnego
łącznika elektromagnetycznego?
Jaki cel ma sterowanie aparatury umożliwiającej sterowanie
automatyczne?
Wskazać różnice w budowie przekaźnika i stycznika.
Do czego służą zestyki robocze i zestyki pomocnicze stycznika?
Na czym polega funkcja samopodtrzymywania zasilania cewki stycznika?
Jak oznacza się na schematach: przycisk zwierny, przycisk rozwierny,
stycznik, bezpiecznik topikowy, przekaźnik, żarówkę, zestyki?
Ile wynosi napięcie skuteczne fazowe i przewodowe sieci zasilającej
oraz jego częstotliwość?
Szeregowo ze źródłem zasilania połączono: przycisk zwierny,
przycisk rozwierny i żarówkę. Podać stan każdego z przycisków,
przy którym żarówka zaświeci.
Zaproponować układ sterowania świeceniem dwóch żarówek
zrealizowany przy pomocy możliwie małej liczby elementów sterowania
automatycznego. Obie żarówki znajdują się w tym samym miejscu
(pulpit kontrolera) i sygnalizują kontrolerowi obecność pracowników
w pomieszczeniach A i B, zgaśnięcie żarówki oznacza opuszczenie
pomieszczenia. Przeanalizować następujące warianty:
zaświecenie żarówki wymaga ciągłego naciskania na przycisk
sterujący,
zaświecenie żarówki wymaga zwolnienia przycisku sterującego,
zaświecenie żarówki wymaga jednokrotnego naciśnięcia przycisku
zwiernego, a zgaszenie – jednokrotnego naciśnięcia przycisku
rozwiernego.
Literatura
Miedziński B. Elektrotechnika. Podstawy i instalacje elektryczne PWN
2000
Michel K., Sapiński M. Czytam rysunek elektryczny WSiP 1996
Chmielarz J. Projektowanie elektrycznych urządzeń sterowania, blokady
i sygnalizacji WNT Warszawa 1966
SPIS TREŚCI
1. Cel ćwiczenia 3
2. Wprowadzenie 3
2.1 Sterowanie automatyczne 3
2.2 Podział układów sterowania automatycznego 4
2.3 Symbole graficzne 4
3. Elementy układów sterowania automatycznego 6
3.1 Stycznik elektromagnetyczny 6
3.2 Przekaźniki elektromagnetyczne pośredniczące 7
3.3 Przekaźnik czasowy zwłoczny 8
3.4 Przycisk sterowniczy 9
3.5 Łącznik drogowy 10
4. Wybrane układy sterowania pracą silników indukcyjnych 10
4.1 Układ jednokierunkowego sterowania pracą silnika za pomocą
stycznika 10
4.2 Blokada elektryczna 11
4.2.1 Blokada wykluczająca jednoczesne działanie dwóch silników 11
4.3 Blokada kolejnościowa 12
5. Przebieg ćwiczenia 13
6. Pytania sprawdzające i zadania 14
PAGE
PAGE 15
