Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007

Transkrypt

1 Mechatronika Moduł 4: Napędy i sterowania elektryczne Podręczniki (Koncepcja) Matthias Römer Uniwersytet Techniczny w Chemnitz, Instytut Obrabiarek i Procesów Produkcyjnych Projekt UE Nr MINOS, Realizacja od 2005 do 2007 Europejski Projekt transferu innowacji dla dodatkowej kwalifikacji Mechatronika dla specjalistów w zglobalizowanej produkcji przemysłowej. Ten projekt został zrealizowany przy wsparciu finansowym Komisji Europejskiej. Projekt lub publikacja odzwierciedlają jedynie stanowisko ich autora i Komisja Europejska nie ponosi odpowiedzialności za umieszczoną w nich zawartość

2 Partners for the creation, evaluation and dissemination of the MINOS and the MINOS** project. - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Zawartość Szkolenia Minos: moduły 1 8 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Podstawy/ Kompetencje międzykulturowe, zarządzenie projektem/ Fluidyka / Napędy Elektryczne i Sterowanie / Elementy Mechatroniki/ Systemy i Funkcje Mechatroniki/ Logistyka, Teleserwis, Bezpieczeństwo/ Zdalne Zarządzanie, Diagnostyka Minos **: moduły 9 12 (podręczniki, ćwiczenia i rozwiązania do ćwiczeń dla): Szybkie Prototypowanie / Robotyka/ Migracja/ Interfejsy Wszystkie moduły dostępne są w następujących językach: Polski, Angielski, Hiszpański, Włoski, Czeski, Węgierski i Niemiecki W celu uzyskania dodatkowych informacji proszę się skontaktować z Chemnitz University of Technology Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, Chemnitz phone: + 49(0) fax: + 49(0) minos@mb.tu-chemnitz.de or

3 Sterowania i napędy elektryczne Minos Spis treści: 1 Podstawy elektrotechniki Wstęp Obszar zastosowania elektrotechniki Energetyka i technika napędów Technika automatyzacji Elektronika Technika komunikacji Historia elektrotechniki Napięcie, prąd i opór Ładunek elektryczny i napięcie Prąd elektryczny Opór elektryczny Opór właściwy Moc elektryczna i praca Obwód elektryczny Połączenia równoległe i szeregowe Podłączanie urządzeń pomiarowych Napięcie stałe Napięcie zmienne Obciążenia indukcyjne i pojemnościowe Opisywanie obwodów elektrycznych Osprzęt elektryczny Schematy Osprzęt elektryczny Przełączniki i przyciski Wyłączniki krańcowe Czujnik ciśnienia Sygnalizatory Przekaźniki i styczniki Podstawowe obwody elektryczne Samoblokująca się pętla elektryczna Sekwencje Schematy hydrauliczne i pneumatyczne Typy zabezpieczeń

4 Minos Sterowania i napędy elektryczne 2 Sterowniki programowalne PLC Wstęp Historia sterowników PLC Porównanie sterowania HWPC z PLC Wady i zalety sterownika PLC Architektura sterowników PLC Rodzaje architektury sterowników PLC Funkcjonowanie sterownika PLC Sekwencja programu PLC Podstawy techniki cyfrowej Bit i bajt Systemy liczbowe System binarny System heksadecymalny System liczbowy BCD Liczby całkowite Liczby zmiennoprzecinkowe Operacje binarne Bramka AND Bramka OR Negacja Tożsamość NAND (NOT-AND) NOR (NOT-OR) Inhibicja Implikacja Równoznaczność Kontrawalencja Pamięć Algebra Boole a Programowanie sterowników PLC Programowanie strukturalne Deklaracja zmiennych Instrukcje Lista instrukcji STL Schemat drabinkowy LD Schemat bloków funkcyjnych FBD Sekwencyjny schemat funkcyjny SFC Język tekstu strukturalnego ST Elementy czasowe Liczniki Pamięć Sekwencje

5 Sterowania i napędy elektryczne Minos 3 Napędy elektryczne Wstęp Pola elektryczne i magnetyczne Pole elektryczne Pole magnetyczne Indukcja Podstawowe informacje o źródłach prądu elektrycznego Wytwarzanie prądu Przesyłanie i dystrybucja prądu elektrycznego Transformatory Transformator idealny Transformator rzeczywisty Maszyny elektryczne o ruchu obrotowym Wstęp Maszyny z wirującym polem magnetycznym Moment i moc Silniki asynchroniczne Wirnik klatkowy Jednofazowe silniki klatkowe Silniki z komutatorem prądu Podłączenia silników prądu stałego Silniki uniwersalne Awarie silników komutatorowych Inne typy silników Silniki synchroniczne Silniki krokowe Sterowanie silnikami z wirującym polem Układy rozruchu dla silników trójfazowych Sterowanie maszynami komutatorowymi Zabezpieczenia silników Klasy materiałów izolacyjnych Rodzaje pracy maszyn elektrycznych Bezpieczeństwo pracy Środki zabezpieczenia Zabezpieczenia przeciw awariom Kompatybilność elektromagnetyczna

6 Minos Sterowania i napędy elektryczne 6

7 Sterowania i napędy elektryczne Minos 1 Podstawy elektrotechniki 1.1 Wstęp Elektrotechnika obejmuje wszystkie technicze zastosowania właściwości prądu elektrycznego jak i pól elektrycznych oraz magnetycznych. Zastosowania te obejmują wytwarzanie energii elektrycznej, jej przekazywanie i wykorzystywanie. Energia elektryczna nie jest używana jedynie jako energia napędowa maszyn, lecz także wykorzystuje się ją w pomiarach i technice sterowania. Jest również używana w komputerach, a także do przesyłania informacji w inżynierii komunikacyjnej. Niemożliwym jest wyobrazić sobie nowoczesną maszynę lub urządzenie bez energii elektrycznej. Dlatego też ważne jest, aby mechanicy posiadali podstawową wiedzę z zakresu działania elementów elektrycznych. W tym także wiedzę na temat schematów obwodów elektrycznych. Wiele modułów używa także innych form energii. Na przykład, wiele elektrycznie sterowanych zaworów wprawia w ruch napędy mechaniczne przy wykorzystaniu cieczy lub gazów. Zasadniczo, napięcia zmienne powyżej 50 V lub napięcia stałe powyżej 120 V mogą wygenerować prądy niebezpieczne dla ludzkiego ciała. Każdy powinien być zawsze świadom tego niebezpieczeństwa, które grozi zdrowiu, a nawet życiu. Aby pracować z niebezpiecznymi napięciami, wymagane jest specjalne szkolenie a także odpowiednie zezwolenie na obsługiwanie rozdzielni. Natomiast każdy może pracować z niskimi napięciami. Dlatego też, napięcia stałe o wartości 24 V używane są podczas edukacyjnych eksperymentów praktycznych. 7

8 Minos Sterowania i napędy elektryczne Obszar zastosowania elektrotechniki Elektrotechnika jest tradycyjnie dzielona na technikę wysokoprądową i technikę niskoprądową. W dzisiejszych czasach, technikę wysokoprądową nazywa się techniką energetyczną i technologią napędów. Natomiast technika niskoprądowa przekształciła się w inżynierię komunikacji. Niektóre z pozostałych gałęzi elektrotechniki to technika pomiarowa i technika regulacji. Elektronika także jest częścią elektrotechniki. W wielu przypadkach nie istnieje konkrety podział pomiędzy pojedynczymi obszarami elektrotechniki. Wzrastająca ilość zastosowań spowodowała pojawienie się wielu nowych obszarów specjalizacji. W dzisiejszych czasach, niemalże każdy proces i każde urządzenie jest albo zasilane elektrycznie, albo ściśle zależne od wyposażenia i sterowania elektrycznego Energetyka i technika napędów Kiedyś nazywana techniką wysokoprądową, dziś jest określana mianem techniki energetycznej. Dotyczy ona wytwarzania, przekazywania i transformacji energii elektrycznej. Technika wysokonapięciowa także należy do techniki energetycznej. Energia elektryczna jest na ogół generowana poprzez przemianę energii mechanicznej w generatorach obrotowych. Również technika napędów, które konsumują energię elektryczną, należy do techniki energetycznej. W przeszłości, technika napędów określana była techniką wysokoprądową. Obejmuje ona maszyny elektryczne, które przetwarzają energię elektryczną na energię mechaniczną. Typowe urządzenia dla tej grupy to maszyny synchroniczne, maszyny asynchroniczne, a także maszyny prądu stałego. W obszarze małych napędów, istnieje także wiele innych rodzajów. Dodatkowo, technika napędów obejmuje także rozwój silników liniowych, które przetwarzają energię elektryczną bezpośrednio na liniowy ruch mechaniczny. W takim przypadku nie ma potrzeby dodatkowej zamiany ruchu obrotowego na ruch liniowy. 8

9 Sterowania i napędy elektryczne Minos Technika automatyzacji Technika automatyzacji pozwala na zautomatyzowanie i monitorowanie jednego lub więcej kroków procesu. W tym przypadku zastosowanie znajdują także techniki pomiarów, sterowania i regulacji. Dodatkowo, do sterowania i regulacji przede wszystkim wykorzystywana jest technika cyfrowa. Technika regulacji jest jednym z kluczowych obszarów techniki automatyzacji. Wiele systemów technicznych posiada regulację. Niektóre z prostych zastosowań techniki automatyzacji w życiu codziennym to regulatory temperatury w żelazkach elektrycznych i pralkach. Bardziej złożona regulacja wymagana jest do sterowania robotami przemysłowymi. Innym użyciem jest regulacja prędkości obrotowej silników. Regulacja jest także stosowana w pojazdach silnikowych do sterowania silnikiem i stabilnością podwozia. W przemyśle chemicznym różne procesy są regulowane za pomocą technik automatyzacji. Różne obszary elektrotechniki częściowo się pokrywają i uzupełniają się na wzajem. Wiele rodzajów ruchu z użyciem napędów elektrycznych jest realizowane poprzez środki techniki automatyzacji, dlatego też, technika napędów także jest w tym przypadku istotna. Z drugiej strony, napędy wymagają sterowania i regulacji. Dlatego też, elektronika jest bardzo istotna w technice napędów. Energoelektronika jest często stosowana do zaopatrzania napędów elektrycznych w energię. Dodatkowo, elektronika jest wymagana do redukcji wartości szytowych obciążeń i optymalizacji poboru mocy. 9

10 Minos Sterowania i napędy elektryczne Elektronika Projektowanie, produkcja i wdrażanie komponentów elektronicznych, takich jak kondensatory czy cewki, lub półprzewodniki jak diody i tranzystory, zalicza się do obszaru elektroniki, która jest gałęzią elektrotechniki. Mikroelektronika jest obszarem elektroniki, który zajmuje się projektowaniem i wytwarzaniem układów scalonych z półprzewodników. Układami takimi mogą być elementy używane do prostych działań logicznych na sygnałach, lecz także główne procesory komputerów i procesory kart graficznych. Energoelektronika ma wciąż rosnące znaczenie w obszarze techniki napędów, wraz z rozwojem półprzewodników mocy. Dla przykładu, falowniki częstotliwości dostarczają energię bardziej elastycznie niż transformatory. Technika cyfrowa także należy do elektroniki. Ten obszar zawiera klasyczne układy logniczne, które są w ostatnich czasach zbudowane z tranzystorów. Technika cyfrowa iest podstawą wielu sterowań, co sprawia, iż jest istotna dla techniki automatyzacji Technika komunikacji Technika komunikacji, wcześniej określana mianem techniki niskoprądowej, nazywana jest także techniką informacji. Głównym zadaniem techniki komunikacji jest przekazywanie informacji za pośrednictwem impulsów elektrycznych lub fal elektromagnetycznych z nadajnika do jednego lub wielu odbiorników. Nadajniki i odbiornik są także nazywane źródłami i drenami informacji. Informacja powinna zostać przesłana możliwie bezstratnie. Polepsza to rozpoznawanie informacji przez odbiorniki. Obszar elektrotechniki, który dotyczy obróbki informacji przy dużych częstotliwościach, zwany jest techniką wysokich częstotliwości. Ważnym aspektem techniki komunikacji jest przetwarzanie sygnałów, które zawiera filtrowanie lub nawet szyfrowanie i rozszyfrowywanie informacji. 10