Laboratorium: ELEMENTY WYKONAWCZE AUTOMATYKI 1. Wprowadzenie Temat ćwiczenia: Przekaźniki mechaniczne Praca przekaźnika elektromagnetycznego polega na przyciąganiu kotwicy poprzez elektromagnes i przełączaniu styków (rys.1). Kotwica w ruchu napotyka na opór sprężyny odciągającej oraz opór sprężyn stykowych. Opory te muszą być pokonane przez siłę przyciągania elektromagnesu. W czasie ruchu kotwicy zmienia się (w trakcie jej przyciągania maleje) szerokość szczeliny powietrznej (kotwica rdzeń), a przez to również siła przyciągania elektromagnesu. Siła ta musi być w całym zakresie ruchu kotwicy większa od, również zależnej od wychylenia kotwicy, siły sprężystości układu mechanicznego. Zmiana położenia kotwicy powoduje zmianę indukcyjności cewki przekaźnika (zmienia się szczelina dla pola magnetycznego). Powoduje to zjawisko w gwałtownej zmiany prądu: w chwili przyciągnięcia kotwicy rośnie impedancja cewki przekaźnika a tym samym następuje chwilowy spadek prądu, natomiast w chwili gdy kotwica zostaje odciągnięta od rdzenia przekaźnika następuje przejściowy nagły jego wzrost. W ćwiczeniu przewiduje się możliwość rejestracji na oscyloskopie takich zmian prądu wyjście z tyłu obudowy. Typowa postać prądu w stanach przełączania przekaźnika pokazana jest na rys.2. Rys.1 Budowa (szkic) typowego przekaźnika elektromagnetycznego
Rys. 2 Krzywa narastania i opadania prądu w uzwojeniu przekaźnika w chwili jego włączenia (po lewe stronie)i wyłączenia (po prawe stronie) W ramach ćwiczenia bada się trzy rodzaje przekaźników 24V powszechnie stosowanych w przemyśle: -przekaźnik przemysłowy wielozestykowy, -przekaźnik przemysłowy R-15, -przekaźnik jednorurkowy zwierny. Głównym celem ćwiczenia jest zbadanie parametrów charakterystycznych przekaźnika: histerezy pracy, czasu ich zadziałania jak i czasu drgań zestyków po jego zadziałaniu. Należy tu wyjaśnić, że każdy przekaźnik charakteryzuje się różnym napięciem inicjującym (wyższym) w stosunku do napięcia jego wyłączenia. Zarówno napięcie przy którym przekaźnik zaczyna pracować jak i napięcie przy którym przestaje pracować są dużo niższe od napięcia znamionowego. Drugim istotnym parametrem przekaźnika jest opóźnienie jego zadziałania. Rozumiany jest on tu jako czas liczony od momentu przyłożenia na cewkę przekaźnika zasilania do momentu jego zadziałania. Czas ten bardzo silnie zależy od napięcia zasilania. Przekaźnik po zadziałaniu pracuje niestabilnie, jest to spowodowane drganiami jego kotwicy i styków. Czas niestabilnej pracy przekaźnika jest kolejnym parametrem badanym w tym ćwiczeniu. Ogólnie przekaźniki elektromagnetyczne można scharakteryzować następującymi czasami działania: a. Opóźnienie zadziałania (czas przyciągania) t p, czas od momentu wzbudzenia do pierwszego zwarcia (lub rozwarcia) zestyku, b. Czas zwalniania t z, czas od momentu zaniku wzbudzenia do zwolnienia ostatniego styku, c. Czas drgań styków t d czas od momentu zwarcia pierwszego styku do stabilizacji ostatniego. Na rys.3 zobrazowano pracę typowego przekaźnika. Linia niebieska pokazuje moment przyłożenia napięcie zasilania (po zróżniczkowaniu) - jego wystąpienie synchronizuje pracę
oscyloskopu. Linia czerwona pokazuje stan zwarcia styków przekaźnika. Widać tu, że przekaźnik zaczyna działać z pewnym opóźnieniem oraz styki przez pewien czas nie zapewniają pełnego zwarcia występują oscylacje prądu przez nie płynącego. t d a b t p 2. Zestaw aparatury Rys.3 Przebiegi obrazujące pracę przekaźnika: a impuls synchronizacji moment podania napięcia zasilania na przekaźnik, b - prąd płynący przez styki przekaźnika. - zestaw laboratoryjny do badania przekaźników, - oscyloskop, - zasilacz regulowany, Podstawowym układem jest zestaw trzech przekaźników ze sterującym układem elektronicznym. Przyciskami ABC wybiera się rodzaj przekaźnika odpowiednio: -przekaźnik przemysłowy wielozestykowy, przekaźnik przemysłowy R-15, przekaźnik jednorurkowy zwierny. Na gnieździe BNC oznaczonym sync, na płycie czołowej układu pomocniczego, można zaobserwować sygnał pobudzający przekaźnik. Sygnał ten powinien synchronizować podstawę czasu oscyloskopu dając punkt odniesienia do pomiarów czasowych pracy przekaźnika). Na wyjściu oznaczonym osc można zaobserwować pracę styków przekaźnika. Z tyłu obudowy umieszczone są dwa gniazdka oznaczone symbolem A, umożliwiają one podgląd kształtu prądu płynącego przez przekaźnik. Dwa kolejne gniazda oznaczone symbolem V służą do zasilania przekaźników. Poniżej podane są trzy wersje badań przekaźników i sposób podłączeń układu. 1. Badanie własności statycznych histerezy włączania wyłączania. W celu dokonania tych badań należy zestawić układ jak na rys. 4.
Ustawić następujące nastawy: Podstawa czasu oscyloskopu bez synchronizacji Przycisk START włączony, Przycisk GEN nie ma znaczenia Zasilacz regulowany V Zestaw lab. Sync Osc Stop Start DC Oscyloskop Rys.4 Schemat połączeń do badania charakterystyki statycznej 2. Badanie własności dynamicznych stan nieustalony pracy zestyków. Zestawić układ jak na rys. 5. Ustawić następujące nastawy: Podstawa czasu oscyloskopu synchronizowana w kanale II z gniazda SYNC Przycisk START służy do ręcznego wyzwalania pracy, Przycisk GEN nie ma znaczenia, Zasilacz regulowany V Zestaw lab. Sync Osc. Stop Start Ch2 Ch1 Oscyloskop Rys.5 Schemat połączeń do badania charakterystyki dynamicznej 3. Badanie własności dynamicznych prądu Zestawić układ jak na rys. 6. Ustawić następujące nastawy: Podstawa czasu oscyloskopu synchronizowana z gniazda Sync. Przycisk GEN włączony - praca automatyczna. Podgląd prądu Zasilacz regulowany A V Zestaw lab. Sync Osc Stop Start Oscyloskop Rys.6 Schemat połączeń do badania charakterystyki dynamicznej
3. Zadania 3.1 Zestawić układ laboratoryjny- jak na rys.4. Wybrać jeden z trzech przekaźników przekaźnik. Przekaźniki są wybierane z przodu obudowy: A przemysłowy wielozestykowy, B- przemysłowy R-15 C jednorurkowy zwierny. 3.2 Uruchomić oscyloskop Agilent- Technologies DSO-64A: ustawić wzmocnienie w kanale 1 0.2V/div i wyłączyć wyzwalanie (ustawić w opcji Trigger wybrać Mode Coupling i ustawić AUTO). Wejście kanału DC. Zwiększając napięcie zasilania od 0V ustalić próg zadziałania przekaźnika Uz. Moment zadziałania przekaźnika można zaobserwować w postaci gwałtownego wzrostu napięcia na stykach przekaźnika (Osc.) a w efekcie przemieszczenie się odpowiedniej linii na ekranie. Napięcia odczytujemy na wyświetlaczu zasilacza, następnie, powoli zmniejszamy napięcie stałe od wartości Uz do momentu gdy przekaźnik przestanie działać - napięcie Ug. Badania z p. 3.2 powtórzyć kilka razy dla każdego przekaźnika. 3.3 Ustawić Trigger w oscyloskopie w pozycję NORMAL i wyzwalanie SINGLE (układ jak na rys.5). Wyzwolić działanie układu wciskając w obudowie przekaźników przycisk START. Przy właściwie ustawionych parametrach oscyloskopu (kanał 1 wzm 0.2V/div, kanał 2 wzm. 5V/div, podstawa czasu 10ms/div) powinien pojawić się właściwy obraz. Można go do potrzeb pomiaru czasów odpowiednio rozciągać w czasie. Po ustawieniu markerów dokonać archiwizacji obrazu sygnałów. 3.4 Pomierzyć czas opóźnienia zadziałania przekaźnika t p i czas trwania stanu przejściowego t d w funkcji napięcia pobudzenia od najniższego napięcia przy którym przekaźnik pracuje poprawnie do 24V. Przeprowadzić te pomiary minimum 3x2 punktów pomiarowych. Pomiary te przeprowadzić dla wszystkich trzech przekaźników. 3.5 Zarejestrować w komputerze kształt prądu płynącego przez cewkę przekaźnika 1 na tle obrazu pracy jego styków. W tym celu wybrać synchronizować oscyloskop sygnałem z kanału 1 a na kanał 2 podać sygnał prądu wyprowadzony z tyłu obudowy na zaciski oznaczone literą A. Należy spowolnić podstawę czasu oscyloskopu tak by widać było cały przebieg od momentu włączenia do wyłączenia przekaźnika i wzmocnić sygnał prądu.
4. Opracowanie wyników. 4.1 Zamieścić tabele pomiarowe z p. 3.2, 3.4. 4.2 Zobrazować wyniki badań z p. 4.1 w postaci odpowiednich wykresów histereza działania poszczególnych przekaźników. Poniżej pokazano przykłady rysunków: Uosc[V] U g U z Uzaś[V] Rys.7 Histereza działania przekaźnika. Czas zadziałania przekaźnika tp[ms] 12 10 8 6 4 2 b a 0 0 2 4 6 8 10 12 Uzaś[V] Rys.5 Zależność czasu działania przekaźnika od napięcia zasilania: a przekaźnik przemysłowy R-15, b przekaźnik jednorurkowy zwierny, itp. (PRZYKŁAD formy graficznej). Podobnie może wyglądać wykres czasu opóźnienia przekaźników t d (Uzaś) inne zmienne. 4.3. Zamieścić obraz zmian prądu po zadziałaniu przekaźnika oraz po jego zakończeniu. 4.54Zamieścić uwagi i wnioski.